Mike Flood在中小河流洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

施 露, 董增川, 付曉花, 王雪薇, 寇嘉瑋

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

Mike Flood在中小河流洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

施 露, 董增川, 付曉花, 王雪薇, 寇嘉瑋

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

為了加強(qiáng)對中小河流的洪水管理,分別構(gòu)建中小河流域水文學(xué)模型、Mike11模型以及Mike21FM模型,運(yùn)用Mike Flood對一、二維模型進(jìn)行耦合計(jì)算,對中小河流進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析。以徐州市豐縣復(fù)新河左岸地區(qū)為例,建立洪水演進(jìn)數(shù)值模型,分析復(fù)新河的防洪能力以及不同暴雨情況下研究區(qū)內(nèi)澇情況。結(jié)果表明:研究區(qū)域基本滿足20年一遇防洪能力,部分中小河流排澇能力不足,導(dǎo)致部分地區(qū)內(nèi)澇較嚴(yán)重。

Mike Flood; 中小河流; 洪澇風(fēng)險(xiǎn);河道水位;淹沒面積;復(fù)新河流域

在我國的江河防洪體系中,中小河流的防洪能力建設(shè)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),常遇洪水就可能造成較大的洪澇災(zāi)害,很多中小河流面臨著“大雨大災(zāi)、小雨小災(zāi)”的局面,中小河流洪澇災(zāi)害造成的損失已成為我國洪澇災(zāi)害損失的主體[1-3],但目前對中小河流的洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析研究較少。在加快中小河流治理的同時(shí),加強(qiáng)中小河流的洪水管理,對其進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析,對于完善防洪減災(zāi)體系具有重要意義。近年來,DHI Mike模型[4-6]被廣泛應(yīng)用于洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估中[7-16],在平原河網(wǎng)洪水演進(jìn)、城市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析、蓄滯洪區(qū)洪水演算模擬,防洪排澇工程等方面的應(yīng)用都獲得了較高精度。由于中小河流的治理投入相對滯后,所建控制水文站很少[9],運(yùn)用Mike模型對中小河流進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析缺乏實(shí)測水文資料。金玲等[9]通過耦合設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的推理公式法與Mike11模型,對大連市復(fù)新河進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬以及洪水風(fēng)險(xiǎn)分析,但其未考慮中小河流域存在的洪澇風(fēng)險(xiǎn)。筆者采用以水力學(xué)為主、水文學(xué)為輔的方法,建立水文學(xué)模型，推求邊界入流,并將其結(jié)果作為水力學(xué)模型的邊界條件,運(yùn)用Mike模型一維、二維和Mike Flood耦合建模,對中小河流及周邊地區(qū)進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析,并選取徐州市豐縣復(fù)新河左岸地區(qū)作為研究實(shí)例,建立洪水演進(jìn)數(shù)值模型,分析復(fù)新河的防洪能力以及研究區(qū)域的內(nèi)澇情況。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇省徐州市豐縣境內(nèi)復(fù)新河流域,如圖1所示，該區(qū)域地勢特點(diǎn)為西南高、東北低,地面高程一般在34.5～45 m之間,地面坡降1/7 000～1/3 000[17]。南部坡度較大,北部坡度較平緩。每遇暴雨,積水滾坡而下、匯入南四湖,又因南四湖以及下游河道頂托,澇災(zāi)頻繁。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

圖2 模型概化Fig.2 Model generalization

研究區(qū)域?qū)侔霛駶櫯瘻貛夂?四季分明。年平均氣溫為13.8℃,無霜期為210 d。多年平均降水量為757.3 mm,降水量年際變化大,并且多集中在夏秋兩季。汛期(6—9月)平均降水量為485.8 mm,占全年降水量的64%,是本地成澇的主要?dú)庀笤颉?/p>

研究區(qū)域內(nèi)主要為復(fù)新河水系,包括干流及苗城河、太行堤河、西支河、西營子河、白衣河等支流,這些骨干河道構(gòu)成了一個(gè)相對獨(dú)立的水系,汛期洪水通過復(fù)新河排入上級(jí)湖。

2 模 型 構(gòu) 建

將復(fù)新河以西、蘇北堤河以南、蘇魯省界以東、蘇皖省界以北區(qū)域概化成水力學(xué)計(jì)算區(qū)域,水力學(xué)計(jì)算區(qū)域上游作為水文學(xué)計(jì)算區(qū)。模型概化如圖2所示。

2.1 水文學(xué)模型

著重分析研究區(qū)范圍內(nèi)遭遇不同頻率暴雨時(shí)中小河流的防洪能力以及內(nèi)澇情況。運(yùn)用水文學(xué)模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算和匯流計(jì)算,相關(guān)參數(shù)參考《江蘇省暴雨洪水圖集》[17]和《江蘇省水文特征手冊》[18]。

根據(jù)復(fù)新河流域水系圖及地形圖,可將匯入研究區(qū)域的干、支流集水區(qū)域劃分為不同的匯水子區(qū)域。復(fù)新河(皖)、苗城河(皖)、白衣河(皖)、太行堤河(魯)以及西支河(魯)作為水力學(xué)上邊界,采用水文學(xué)模型計(jì)算模型各上邊界入流過程,上邊界入流點(diǎn)如圖2所示。義河、東營子河、史南河、豐徐河、豐沛運(yùn)河以及子午河作為復(fù)新河側(cè)向支流,采用水文學(xué)模型計(jì)算各子流域匯水過程,并將各子流域出口流量過程作為側(cè)向入流輸入MIKE11水力學(xué)模型。水文學(xué)計(jì)算區(qū)子流域以及側(cè)向入流點(diǎn)如圖2所示。采用水文學(xué)模型計(jì)算水力學(xué)建模范圍內(nèi)的凈雨過程,輸入MIKE21水力學(xué)模型。上邊界入流過程與水力學(xué)建模范圍內(nèi)的凈雨過程采用同頻率組合。

表1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果

a. 暴雨計(jì)算。提取1958—2013年研究區(qū)域匯水范圍內(nèi)17個(gè)雨量站(圖1)年最大1 d、3 d、7 d的雨量,運(yùn)用泰森多邊形法求出整個(gè)區(qū)域內(nèi)的年最大1 d、3 d、7 d的面平均雨量,進(jìn)行P-Ⅲ適線,求出不同頻率下的1 d、3 d、7 d面設(shè)計(jì)暴雨,如表1所示。

由于沒有復(fù)新河流域7 d暴雨分配過程,考慮到2006年的雨水破壞性較大,選擇2006年6月28日至7月4日面平均雨量作為典型暴雨過程,進(jìn)行同頻率分段控制放大法,根據(jù)1 d、3 d、7 d設(shè)計(jì)暴雨推算出縮放倍比,獲得各設(shè)計(jì)頻率的面平均雨量過程。運(yùn)用每個(gè)子流域的代表雨量站對應(yīng)時(shí)間的雨量作為各個(gè)子流域的典型暴雨過程,并保證各子流域的縮放倍比不變,進(jìn)行每個(gè)子流域降雨過程的縮放,從而得到每個(gè)子流域的設(shè)計(jì)暴雨過程。

b. 凈雨計(jì)算。凈雨計(jì)算根據(jù)不同的下墊面情況采用不同的計(jì)算方法,然后采用加權(quán)平均值法得到總凈雨。根據(jù)江蘇省第一次全國水利普查成果得到各計(jì)算分區(qū)統(tǒng)計(jì)下墊面情況,該研究區(qū)域下墊面主要分為旱地、水田、溝塘水面以及城鎮(zhèn)4類。不同下墊面根據(jù)不同的凈雨計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算:旱地采用次降雨徑流相關(guān)法計(jì)算,水田采用扣損法計(jì)算,溝塘水面按設(shè)計(jì)暴雨扣除水面蒸發(fā)量計(jì)算,城鎮(zhèn)凈雨采用初損后損法計(jì)算。根據(jù)上述方法可由建模區(qū)域以及子流域的設(shè)計(jì)暴雨過程求得面平均凈雨過程以及子流域凈雨過程。

c. 匯流計(jì)算。匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法,選取《江蘇省暴雨洪水圖集》[17]中的參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式,得到各子流域相關(guān)參數(shù),并根據(jù)參數(shù)值,查閱《江蘇省暴雨洪水圖集》[17]中平原區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)m1于6 h單位線關(guān)系表,通過差值計(jì)算得到各子流域單位線。再根據(jù)子流域凈雨過程,用單位線法計(jì)算出上邊界以及側(cè)向入流流量過程。

2.2 水力學(xué)模型及模型率定、驗(yàn)證

2.2.1 模型

2.2.1.1 Mike11一維模型

Mike11水動(dòng)力學(xué)模型主要由河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件以及參數(shù)文件構(gòu)成。

a. 河網(wǎng)文件概化:本研究區(qū)域?yàn)樨S縣復(fù)新河左岸區(qū)域,復(fù)新河右岸匯入的支流作為側(cè)向入流加入模型中。河網(wǎng)文件包含河道以及水工建筑物。共概化中小河流49條,概化后的河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)的排澇能力基本一致。研究區(qū)域中小河流上閘門較多,在汛期運(yùn)用多閘聯(lián)調(diào)泄洪,因此水工建筑物的設(shè)置在該區(qū)域模型構(gòu)建中至關(guān)重要,需根據(jù)當(dāng)?shù)胤篮轭A(yù)案對建筑物的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。

以李樓閘的調(diào)度規(guī)則為例,設(shè)置李樓閘閘上水位超過警戒水位且不發(fā)生下游河水倒灌時(shí)開閘;閘上水位低于汛限水位36.5 m時(shí)關(guān)閘。其他閘門的調(diào)度規(guī)則設(shè)置由于篇幅限制不一一列出。

b. 斷面文件:對于有實(shí)測數(shù)據(jù)的斷面,將斷面數(shù)據(jù)按照Mike的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入模型。研究區(qū)域內(nèi)一些中小河流斷面缺少實(shí)測數(shù)據(jù),根據(jù)豐縣水利志[19]提供的河道寬度、河底寬度、河底高程以及邊坡比,將斷面概化為規(guī)則的梯形斷面。

c. 邊界文件:河道的上邊界以及附加邊界通過水文學(xué)方法計(jì)算出河道設(shè)計(jì)洪水過程或典型年過程作為一維水動(dòng)力模型的入流邊界條件。考慮外排河道閘下高水位對澇水外排的頂托影響,復(fù)新河閘的閘下水位采用上級(jí)湖相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)水位值或?qū)崪y上級(jí)湖水位過程,作為河道下邊界水位條件。

d. 參數(shù)文件:水動(dòng)力參數(shù)編輯器用來設(shè)置模擬需要補(bǔ)充的參數(shù),編輯器里的參數(shù)大多都有默認(rèn)值,而大多數(shù)情況下使用這些默認(rèn)值就能夠獲得令人滿意的結(jié)果[12]。由于研究區(qū)域地形變化較大,初始水位不能使用全域值,河道水位分段賦值,實(shí)況年的初始值設(shè)置為模擬開始日期的實(shí)測水位,設(shè)計(jì)年的初始值設(shè)置為汛限水位。河道糙率通過模型率定確定。

e. 模擬時(shí)間設(shè)置:模擬時(shí)間步長設(shè)置為30 s,模擬時(shí)長為7 d。

2.2.1.2 Mike21 FM二維模型

Mike21 FM模型的構(gòu)建主要包含網(wǎng)格剖分、糙率分區(qū)、干濕邊界參數(shù)以及凈雨設(shè)置。

a. 網(wǎng)格剖分:采用非結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對建模區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格設(shè)計(jì)成大小不等的三角形,根據(jù)地形地勢靈活確定網(wǎng)格,充分反映計(jì)算域的特征。建模范圍內(nèi)最大網(wǎng)格的面積不超過0.05 km2,共剖分網(wǎng)格24 702個(gè)。

b. 糙率分區(qū):根據(jù)下墊面信息,確定不同區(qū)域的糙率值,將下墊面數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型,創(chuàng)建糙率分區(qū),并設(shè)置不同的糙率。下墊面共分河道、空地、道路、水田、旱田、樹叢和村莊7類,糙率根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取,并根據(jù)率定過程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

c. 干濕邊界參數(shù):模型中干水深設(shè)置為0.005 m,淹沒水深設(shè)置為0.05 m,濕水深設(shè)置為0.07 m。

d. 凈雨設(shè)置:將水文學(xué)模型計(jì)算出的凈雨值制作成凈雨文件輸入模型。

2.2.1.3 Mike Flood耦合模型

Mike Flood是把一維模型和二維模型連接在一起進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合的模型系統(tǒng),耦合模型結(jié)合了一維模型和二維模型的優(yōu)點(diǎn),避免采用單一模型時(shí)可能遇到的準(zhǔn)確性以及網(wǎng)絡(luò)精度的問題[20]。采用Mike Flood將上述一維、二維模型耦合,耦合點(diǎn)使用側(cè)向連接進(jìn)行計(jì)算,Mike Flood采用側(cè)向連接方式將Mike21 FM網(wǎng)格單元從側(cè)面連接到Mike11的部分河段甚至整個(gè)河段,利用堰流計(jì)算通過側(cè)向連接的水流。

2.2.2 模型率定

采用2006年6月實(shí)測洪水過程對模型參數(shù)進(jìn)行率定。模型的初始水位設(shè)置為模擬開始日期的實(shí)測水位,將模擬時(shí)段的實(shí)測次降雨過程、復(fù)新河入上級(jí)湖的水位過程輸入模型進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)《水力計(jì)算手冊》[21],經(jīng)率定修正后,確定一維和二維的河道糙率值為0.03,村莊的糙率值為0.07,樹叢的糙率值為0.065,旱田的糙率值為0.06,道路以及空地的糙率值為0.035,水田的糙率值為0.05。率定結(jié)果見表2以及圖3。

表2 模型率定結(jié)果及驗(yàn)證結(jié)果

圖3 率定結(jié)果Fig.3 Calibration results

由圖3和表2可以看出,計(jì)算水位與實(shí)測水位過程線的趨勢基本一致,計(jì)算水位與實(shí)測水位的平均水位差絕對值以及最大水位差絕對值均小于0.2 m,確定性系數(shù)均值約為0.90。

2.2.3 模型驗(yàn)證

采用2010年7月實(shí)測洪水過程對模型進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置過程與率定過程相似,驗(yàn)證結(jié)果如表2及圖4所示。

圖4 驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification results

由圖4和表2可以看出,計(jì)算水位與實(shí)測水位過程線的趨勢基本一致,計(jì)算水位與實(shí)測水位的平均水位差絕對值以及最大水位差絕對值均小于0.2 m,確定性系數(shù)均值約為0.92。

考慮到模型中相關(guān)河網(wǎng)、網(wǎng)格的概化以及工況的變化等誤差,認(rèn)為參數(shù)率定結(jié)果合理,模擬結(jié)果基本能夠反映模型的合理性、準(zhǔn)確性,可用于中小河流洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算。

3 結(jié) 果 分 析

3.1 復(fù)新河防洪能力分析

復(fù)新河水系包括干流及西支河、西營子河、太行堤河等支流,汛期洪水通過復(fù)新河排入上級(jí)湖,復(fù)新河防洪能力按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。復(fù)新河干流上建有李樓閘、豐城閘、黃樓閘等節(jié)制工程,形成三級(jí)控制四級(jí)水面梯級(jí)蓄水工程,構(gòu)成了豐縣防汛抗旱減災(zāi)工程體系的基礎(chǔ)。汛期閘門調(diào)度對河道防洪起著至關(guān)重要的作用,根據(jù)Mike Flood模擬結(jié)果,選取復(fù)新河李樓閘、豐城閘以及黃樓閘閘下水位(圖5),分析復(fù)新河李樓段、豐城段以及黃樓段的防洪能力。

圖5 不同暴雨情景下復(fù)新河各河段水位過程Fig.5 Variation of water level in different reaches of Fuxin River during different rainstorms

由圖5(a)可知,5年一遇暴雨情景下,李樓閘閘下最高水位超過警戒水位,且隨著暴雨強(qiáng)度的增加,水位不斷上漲,此時(shí)應(yīng)當(dāng)開啟下游復(fù)新河閘泄洪。復(fù)新河李樓段的設(shè)計(jì)水位為38.5 m,20年一遇暴雨情景下,李樓閘閘下水位達(dá)到38.43 m,李樓段滿足20年一遇防洪能力。由圖5(b)可知,10年一遇暴雨情景下,豐城閘閘下最高水位超過警戒水位。復(fù)新河豐城段的設(shè)計(jì)水位為39.5 m,20年一遇暴雨情景下,豐城閘閘下水位達(dá)到39.3 m,豐城段滿足20年一遇防洪能力。50年一遇暴雨情景下,閘下水位可達(dá)到40.18 m,應(yīng)及時(shí)做好防汛措施。由圖5(c)可知,黃樓閘在50年一遇暴雨情景下,閘下未達(dá)到警戒水位,較為安全。

李樓閘承擔(dān)著蘇、魯、皖三省1 087 km2的防洪除澇任務(wù),地勢較低,易受到下游湖水的頂托,承擔(dān)著較大的防洪壓力,因此汛期李樓閘的調(diào)度以及李樓段的水位變化至關(guān)重要。豐城閘位于復(fù)新河豐縣城區(qū)段,且復(fù)新河豐縣城區(qū)段由于城區(qū)美觀建設(shè)需要,將堤防拆除,其汛期水位變化對于豐縣城區(qū)防洪十分關(guān)鍵。黃樓閘承擔(dān)116.8 km2防洪和排澇任務(wù),其地勢較高,防洪壓力較小。

圖6 不同暴雨情景下淹沒水深分布Fig.6 Distribution of inundated depth during different rainstorms

3.2 研究區(qū)內(nèi)澇情況分析

不同暴雨情景下研究區(qū)域內(nèi)的淹沒情況如圖6所示。從圖6可以看出,不同暴雨情景下研究區(qū)內(nèi)淹沒分布基本相似,淹沒水深主要集中在0～0.5 m,隨著暴雨量級(jí)的增大,淹沒面積不斷向外擴(kuò)張。由于研究區(qū)遭遇不同情況暴雨時(shí)很多中小河流面臨著管理缺位,其排澇能力不足,有的甚至不足5年一遇,泵站設(shè)施年久失修,抽水能力不足,嚴(yán)重影響排澇效果。從圖6還可以看出,淹沒范圍主要集中在西支河與西營子河之間、低洼圩區(qū)以及豐縣城區(qū)(位于豐城閘附近)。由于西支河與西營子河之間的地勢較低,這2條主干河道附近的夏屯中溝、毛河、首羨南大溝等河道排澇能力不足,積水無法排入河道,隨著暴雨強(qiáng)度不斷增加,部分排澇河出現(xiàn)漫溢現(xiàn)象,淹沒水深和淹沒面積不斷增加,形成內(nèi)澇。圩區(qū)內(nèi)泵站年久失修,且圩區(qū)內(nèi)地勢低洼,排澇河排澇能力不足且受到下游河水頂托,澇水無法及時(shí)排出,在圩區(qū)低洼處形成內(nèi)澇。豐縣城區(qū)由于下墊面排水能力的限制,以及城河排澇能力限制,澇水無法及時(shí)排出,城區(qū)形成較嚴(yán)重的內(nèi)澇。

4 結(jié) 語

建立了基于Mike11和Mike21 FM的Mike Flood水動(dòng)力學(xué)耦合模型,并將水文學(xué)模型與水力學(xué)模型耦合,解決了中小河流缺乏水文資料、難以構(gòu)建Mike模型來進(jìn)行洪澇分析的問題。將Mike Flood運(yùn)用于中小河流洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析,可以直觀地顯示參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)水閘和泵站等水工建筑物尺寸的合理設(shè)置以及調(diào)度規(guī)則的靈活設(shè)置,生動(dòng)顯示計(jì)算結(jié)果,便于分析河道防洪能力以及地區(qū)的排澇能力。

以復(fù)新河及周邊地區(qū)為例,模型模擬結(jié)果較好,根據(jù)模擬結(jié)果,將由于自身排澇能力限制易產(chǎn)生內(nèi)澇的中小河流首先納入中小河流治理范圍,同時(shí)加強(qiáng)這些易澇區(qū)的泵站建設(shè)。

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Application of Mike Flood to analysis of flood and waterlogging risks of medium and small rivers

SHI Lu, DONG Zengchuan, FU Xiaohua, WANG Xuewei, KOU Jiawei

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to strengthen the flood management of medium and small rivers, a hydrological model, a Mike11 model, and a Mike21FM model were established. One- and two-dimensional hydrodynamic models were coupled using Mike Flood and were used to analyze the flood and waterlogging risks of medium and small rivers. Using the left bank area of the Fuxin River in Fengxian County of Xuzhou City as an example, a numerical model of flood routing was established to analyze the flood control capacity of the Fuxin River and the waterlogging of the study area during different rainstorms. The results show that the flood control capacity of the study area can meet the 20-year return-period flood control standard. The drainage capacities of some medium and small rivers were so poor that some regions showed serious waterlogging.

Mike Flood; medium and small rivers; flood and waterlogging risk; water level in river; flood submerged area; Fuxin River Basin

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.011

2016-08-17

全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目(20158082816);黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GZ16B031);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015B31914)

施露(1993—),女,江蘇如皋人，碩士研究生,主要從事水資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:shiluhhu@163.com

董增川,教授。E-mail: dongzengchuan@163.com

P33;TV121

A

1000-1980(2017)04-0350-08