基于MIKE水動力模型的渭河下游防洪風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)研究

章新川，羅小康

（陜西省水利廳信息宣傳教育中心，陜西西安710004）

基于MIKE水動力模型的渭河下游防洪風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)研究

章新川，羅小康

（陜西省水利廳信息宣傳教育中心，陜西西安710004）

由于三門峽庫區(qū)泥沙淤積造成的渭河下游河床抬高、南山支流倒灌、大量的水利工程設(shè)施，準(zhǔn)確的洪水預(yù)報已成為渭河下游防洪搶險的難點。基于WebGIS平臺，采用DEM高程數(shù)據(jù)、MIKE水動力學(xué)模型、考慮渭河主要支流匯入以及4座大型水庫聯(lián)合調(diào)度，建立渭河下游一維洪水預(yù)報、二維洪水演進、三維洪水仿真的渭河下游防洪風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)。為渭河下游工程險情動態(tài)分析、洪水災(zāi)害評估、防洪調(diào)度決策提供有力支撐，可有效解決渭河下游受人類活動影響大、河床擺蕩變動大的洪水預(yù)報、洪水?dāng)?shù)值模擬演進問題，為水庫錯峰調(diào)度、防洪風(fēng)險評估、防汛決策指揮提供重要的技術(shù)手段。

渭河下游；防災(zāi)減災(zāi)；風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)；MIKE水動力學(xué)模型

0 引言

渭河流域跨陜西、甘肅、寧夏三省區(qū)，是黃河的第一大支流，渭河下游從咸陽鐵路橋至潼關(guān)屬三門峽庫區(qū)，自60年代初黃河三門峽水庫建成運行后，造成潼關(guān)以上的三門峽庫區(qū)泥沙大量淤積，河床抬高，南山支流倒灌，渭河下游洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，是陜西省防汛的重點地區(qū)之一。渭河下游2003年8月27日～10月19日，相繼發(fā)生了6次長歷時、高水位、大洪量、多處支流決口的洪水過程，2005年9月19日～10月2日渭河干流和區(qū)間支流發(fā)生較大洪水[1]。兩場洪水過程具有洪水水位高、洪水傳播時間長、洪量大、漫灘嚴(yán)重等共同特點，洪水預(yù)報的不準(zhǔn)確造成防汛搶險工作的極度被動，為此開展基于MIKE水動力學(xué)模型的洪水風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)應(yīng)用研究，通過渭河流域洪水預(yù)報、水庫聯(lián)合調(diào)度、洪水演進、模擬仿真、災(zāi)害評估，實現(xiàn)水雨情動態(tài)監(jiān)視、洪水演進模擬仿真、工程險情動態(tài)分析、洪水災(zāi)害評估、防洪預(yù)案科學(xué)比選。

1 渭河下游防洪風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)構(gòu)架

基于MIKE水動力學(xué)模型，建立WebGIS的洪水風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)防汛信息管理、查詢與發(fā)布水雨工情信息，管理和顯示C/S模式的一維實時洪水預(yù)報、二維洪水演進、三維洪水仿真計算成果。系統(tǒng)包括實時洪水預(yù)報、歷史洪水模擬、水庫聯(lián)合調(diào)度、指揮方案分析、洪水預(yù)警、二維洪水演進、三維洪水仿真、洪水災(zāi)情評估，結(jié)構(gòu)分用戶界面層、應(yīng)用系統(tǒng)層、平臺支撐層、數(shù)據(jù)資源層，見圖1。

1.1 系統(tǒng)部署運行環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 2008；

數(shù)據(jù)庫：ORACLE 10.0，SQLSERVER 2005；

工具軟件：流域降雨徑流模型（NAM）、一維河網(wǎng)水動力模型（MIKE 11 HD）、實時校正模型（MIKE 11 DA）、水庫聯(lián)合調(diào)度模型（MIKE 11 SO）、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格河道洪水演進水動力模型（MIKE 21 FM），MIKE Animator，Skyline，ESRI公司ArcGIS10.0。

1.2 數(shù)據(jù)庫

實時水雨情數(shù)據(jù)庫：陜西境內(nèi)渭河流域水雨情信息；

工情數(shù)據(jù)庫：渭河下游河道縱橫斷面、堤防工程、控導(dǎo)工程、引水涵閘、排水建筑物、防汛道路、遷安道路、橋梁以及防洪標(biāo)準(zhǔn)、水位～流量關(guān)系等基礎(chǔ)信息；

圖1 渭河下游洪水風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)構(gòu)架

險情數(shù)據(jù)庫：水庫、堤防、險工、險段、控導(dǎo)、涵閘等險情信息；

災(zāi)情數(shù)據(jù)庫：渭河下游歷史洪災(zāi)破壞情況及經(jīng)濟損失信息；

防汛預(yù)案庫：組織機構(gòu)、防汛物料（貯存種類、規(guī)格、型號、數(shù)量、分布）、防汛設(shè)備（防汛車輛、機械、船只）、搶險隊伍（專業(yè)隊伍、群防隊伍）、遷安道路及不同量級洪水情況下的防汛搶險、抗洪救災(zāi)、調(diào)度指揮預(yù)案；

社經(jīng)數(shù)據(jù)庫：渭河下游可能淹沒范圍內(nèi)村莊與居民點、耕地面積與作物、人口分布、房屋財產(chǎn)、學(xué)校、工礦企業(yè)、交通道路、水利設(shè)施、通信設(shè)施、避水工程等社經(jīng)信息；

空間數(shù)據(jù)庫：渭河兩岸陜西境內(nèi)10km范圍內(nèi)1:10000 DLG矢量數(shù)據(jù)及DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；

防洪工程三維場景庫：渭河下游主要防洪工程三維場景模型，及堤防、壩垛、險工險段、跨河工程等重要地物照片。

2 Mike模型建立

首先建立渭河降雨徑流模型，考慮千河、漆水河、涇河、石川河、洛河、石頭河、黑河、灃河、灞河，尤河、赤水河、方山河、羅敷河等重要支流匯入以及馮家山、石頭河、金盆、羊毛灣4座大型水庫聯(lián)合調(diào)度；搭建咸陽鐵路橋至潼關(guān)一維河網(wǎng)水動力學(xué)模型；其次建立渭河下游二維洪水演進模型，著重研究重點區(qū)域的漫灘、潰堤，尤其是“二華夾槽”地區(qū)洪水淹沒范圍、淹沒水深、不同重現(xiàn)期下洪水淹沒風(fēng)險。

2.1 研究區(qū)域

根據(jù)渭河流域水文站網(wǎng)分布，劃分的研究區(qū)域如圖2所示。

2.2 模型參數(shù)率定

收集（1）渭河下游河道DEM高程數(shù)據(jù)、主干渭淤斷面資料、各支流主干斷面資料、水文控制站大斷面資料；（2）渭河、涇河、北洛河流域350處雨量站、38處水文站、26座大中型水庫歷史水文資料；（3）渭河10、20、30、50、100年一遇洪水的上游邊界流量；（4）渭河下游堤防信息。預(yù)處理原始數(shù)據(jù)，模型率定期為1995～2003年，驗證期為2003～2008年，率定和驗證渭河干流魏家堡、咸陽、臨潼、華縣4個斷面流域降雨徑流模型（NAM），考慮重要支流匯入率定咸陽鐵路橋至潼關(guān)一維河網(wǎng)水動力學(xué)模型參數(shù)。

對一維河網(wǎng)水動力模型，調(diào)整河床糙率值，使控制斷面模擬值與實測值相吻合；對河道中各控制斷面以及橫向和縱向位置定義不同主槽和灘區(qū)糙率值，提高預(yù)報精度。

圖2 渭河下游洪水風(fēng)險評估研究區(qū)域

3 一維洪水預(yù)報

3.1 實時洪水預(yù)報

實時洪水預(yù)報包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型參數(shù)率定、實時預(yù)報、交互修正預(yù)報，通過平臺耦合NAM降雨產(chǎn)流模型和MIKE 11 HD水動力模型來實現(xiàn)。讀取模擬期和預(yù)報期內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)為NAM降雨產(chǎn)流模型輸入，計算模擬預(yù)報時刻開始前和預(yù)報期內(nèi)的流域產(chǎn)流，MIKE 11 HD累計計算各個子流域產(chǎn)流和河道及灘區(qū)內(nèi)水位及流量。

3.2 交互修正預(yù)報

采用MIKE 11 DA模塊，根據(jù)實時水情信息分析上一個時段洪水預(yù)報誤差，反饋修改模型輸入、輸出、狀態(tài)變量，考慮未來降雨輸入信息，驅(qū)動洪水預(yù)報模型交互修正未來洪水預(yù)報。

3.3 水庫聯(lián)合調(diào)度

根據(jù)渭河降雨預(yù)報、洪水預(yù)報、錯峰調(diào)度數(shù)學(xué)模型，選擇不同條件下馮家山、石頭河、羊毛灣、金盆4座大型水庫調(diào)度規(guī)則，驅(qū)動水庫聯(lián)合調(diào)度模型，以攔蓄洪水、削減洪峰、調(diào)洪錯峰作為分析評價指標(biāo)，在二維GIS中動態(tài)模擬仿真渭河下游錯峰削峰調(diào)度的洪水演進過程和洪水影響范圍。

4 洪水風(fēng)險評估

4.1 二維洪水演進

使用MIKE 21非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格水動力模型，對南山支流和渭河干流河道進行二維水動力模擬，完成洪水在河道、灘區(qū)實時和預(yù)測的二維演進動態(tài)模擬，以及二維河道地形處理、模型邊界選取、模型率定、方案計算、淹沒水深分析、計算結(jié)果二維顯示。

支流、區(qū)間入流預(yù)報采用MIKE11降雨徑流模型和水動力模型。對地形進行處理，劃分一系列三角形網(wǎng)格，建立咸陽鐵路橋至潼關(guān)段二維洪水演進模型。模型上游使用流量邊界，下游使用水位邊界。模型率定通過調(diào)整河床曼寧糙率值，使計算值與實測值的誤差達到允許范圍，率定目標(biāo)為控制斷面水位和斷面流量。二維動態(tài)計算結(jié)果展現(xiàn)河道、灘區(qū)洪水淹沒面積、淹沒水深、洪水演進流場分布，圖3為渭河下游計算網(wǎng)格圖。

同時分析計算在馮家山、石頭河、羊毛灣、金盆水庫不同時間下泄流量時，渭河下游各主要斷面洪水演進，動態(tài)模擬洪水在河道、灘區(qū)演進過程，展現(xiàn)不同水庫聯(lián)合調(diào)度下河道洪水波及范圍，各主要斷面水位、流量變化過程，縱斷面洪峰演進過程，灘區(qū)的洪水淹沒面積、最大水深、集流容積、任意截取斷面的地形和洪水淹沒情況等。

4.2 災(zāi)前模擬預(yù)評估

根據(jù)渭河、涇河、北洛河、南山支流不同量級洪水組合及4座大型水庫調(diào)度，評估渭河堤防及南山支流堤防所造成的危害及可能出險、致災(zāi)情況。根據(jù)歷史洪水和實時預(yù)報洪水信息（水位、流量、洪量），假定堤防決口的不同部位、不同口寬、過口水深，對虛擬受災(zāi)區(qū)的災(zāi)害損失進行分析評估，并通過二維GIS平臺實現(xiàn)洪水動態(tài)模擬仿真，確定淹沒范圍，快速統(tǒng)計分析評估淹沒區(qū)災(zāi)害損失。

分析評估①南山支流洪水導(dǎo)致的支流堤防及入渭口堤防工程出險致災(zāi)；②渭河干流洪水導(dǎo)致的渭河干流及南山支流堤防工程出險致災(zāi)。③當(dāng)渭河流域普降暴雨導(dǎo)致南山支流與渭河交匯處洪水頂托倒灌時渭河干流及南山支流堤防工程出險致災(zāi)。④5、10、20、50年、100年一遇洪水淹沒區(qū)（方山河以下）和影響區(qū)（臨渭區(qū)—方山河段）洪水淹沒風(fēng)險。

4.3 災(zāi)中跟蹤監(jiān)測評估

依據(jù)堤防決口和淹沒區(qū)情況、實時遙感影像，在確定當(dāng)前淹沒范圍和評估分析災(zāi)情的同時，引入專家經(jīng)驗，根據(jù)降雨預(yù)報、實時水情、堤防決口發(fā)展變化，對淹沒區(qū)洪水演進變化形態(tài)、淹沒范圍及時做出跟蹤監(jiān)測分析評估，并通過二維GIS平臺，實現(xiàn)洪水動態(tài)模擬仿真，快速統(tǒng)計分析評估淹沒區(qū)情況變化后的災(zāi)害損失，為防洪調(diào)度方案的選擇提供依據(jù)。

4.4 災(zāi)區(qū)遷安救護分析

在WebGIS平臺上，動態(tài)模擬仿真、虛擬再現(xiàn)防汛調(diào)度過程和部署搶險救災(zāi)方案，并結(jié)合不同險情，動態(tài)模擬堤防滲水、管涌、漏洞、滑坡、陷坑、沖塌、裂縫、風(fēng)浪等八種險情的搶險方案；利用渭河下游遷安救護模型，根據(jù)洪水預(yù)報和洪水演進動態(tài)模擬，迅速確定受災(zāi)范圍和需要撤離遷安救護的人員與分布，詳細部署遷安救護撤離路線、災(zāi)民安置。

4.5 災(zāi)后災(zāi)情復(fù)核評價

在WebGIS平臺上，接收處理、分類入庫上報災(zāi)情，統(tǒng)計分析洪水災(zāi)害損失，并根據(jù)多渠道獲得的災(zāi)情信息進行時序及客觀性分析，通過信息間的相互檢驗、印證和比較，評價受災(zāi)地區(qū)上報災(zāi)情的真實性、可靠性，用于指導(dǎo)災(zāi)后重建和改進后續(xù)工作。

圖3 渭河下游計算網(wǎng)格圖

5 三維洪水仿真

5.1 三維洪水淹沒分析

利用Skyline結(jié)合MIKEAnimator三維仿真平臺，依據(jù)渭河洪水預(yù)報和洪水演進模型，構(gòu)造渭河地形、堤防三維模擬再現(xiàn)場景，疊加洪水演進變化以及地形變化引起的洪水峰面形狀變化；根據(jù)設(shè)定的步長、觀察角度，實現(xiàn)渭河流域地形地貌和洪水演進與發(fā)展變化動態(tài)模擬三維可視化。當(dāng)發(fā)生堤防決口時，在洪水演進的基礎(chǔ)上疊加空間分析、三維動態(tài)模擬仿真和統(tǒng)計分析。

5.2 三維防洪風(fēng)險評估

根據(jù)渭河干流和支流發(fā)生不同量級洪水組合和不同的水庫聯(lián)合調(diào)度，假定不同堤防決口部位、口寬、過口水深，進行三維洪水動態(tài)模擬仿真，確定淹沒范圍，快速統(tǒng)計評估淹沒區(qū)災(zāi)害損失。

5.3 三維防預(yù)案管理

以三維平臺構(gòu)建防洪工程重點部位、險工、險段三維場景模型，細化防洪預(yù)案和搶險處理方案，形象分析水利工程存在問題，動態(tài)模擬險工、險段、重點部位出險，模擬仿真各種搶險措施的實施。

5.4 三維防汛決策支持

以三維平臺通過三維場景模型和防洪預(yù)案，動態(tài)模擬仿真防汛調(diào)度指揮現(xiàn)場，使防汛搶險、抗洪救災(zāi)、決策指揮更加科學(xué)、合理。結(jié)合渭洛河下游及南山支流不同洪水組合、自然地理情況、經(jīng)濟社會現(xiàn)狀、防汛物料儲備、搶險隊伍組織等，建立不同量級洪水災(zāi)害情況下的防汛指揮模型。

6 結(jié)語

采用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、MIKE水動力學(xué)模型建立的渭河下游防洪風(fēng)險評估決策支持系統(tǒng)是渭河下游防洪減災(zāi)的一項重要的非工程措施，有效解決了渭河下游受人類活動影響大、河床擺蕩變動大的洪水預(yù)報、洪水?dāng)?shù)值模擬演進問題，為水庫錯峰調(diào)度、防洪風(fēng)險評估、防汛決策指揮提供了重要的技術(shù)手段。但在實際運用中，由于河道整治、橋梁、水利工程、河道采砂等造成河道、堤防資料經(jīng)常變化，需要及時收集資料，重新率定參數(shù)。

[1]張成等“渭河“03.8”、“05.10”洪災(zāi)分析與防汛對策”[J]人民黃河第28卷7期:7-8.

[2]章新川、唐大明“安康市城市防洪預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”[J]水電自動化與大壩監(jiān)測2007 31(3):80-82.

TV131

A

1673-9000（2017）04-0147-04

2017-05-25

陜西省水利科技基金（2014slkj-03）。

章新川（1964-）53歲，男，四川南充人，高級工程師，主要從事水利信息化工作。