基于MIKE FLOOD的洪澤湖周邊滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模擬

周潔　董增川　朱振業(yè)　陳序

摘要：基于實(shí)測(cè)斷面資料建立了研究區(qū)的一維水動(dòng)力模型，基于高精度DEM以及1：10000地形圖建立了研究區(qū)的二維水動(dòng)力模型，并用MIKE FLOOD將一維模型和二維模型進(jìn)行耦合，構(gòu)建了洪澤湖周邊滯洪區(qū)一、二維耦合的洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。利用2003年歷史洪水資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了率定，并以2007年歷史洪水資料進(jìn)行了驗(yàn)證。以洪澤湖百年一遇設(shè)計(jì)洪水為模型上邊界，二河閘、三河閘以及高良澗閘的現(xiàn)行調(diào)度方案的水位-流量關(guān)系為模型下邊界，對(duì)洪澤湖百年一遇設(shè)計(jì)洪水方案進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)蔣壩水位達(dá)到14 33 m時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)開(kāi)始滯洪，得到開(kāi)始滯洪后不同時(shí)段研究區(qū)內(nèi)各類(lèi)洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的動(dòng)態(tài)分布情況以及最大淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)，驗(yàn)證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區(qū)洪水演算分析。

關(guān)鍵詞：蓄滯洪區(qū)；洪水演算；洪澤湖；風(fēng)險(xiǎn)要素；MIKE FLOOD

中圖分類(lèi)號(hào)：TV 122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672 1683（2017）05-0056-07

蓄滯洪區(qū)是我國(guó)防洪減災(zāi)的重點(diǎn)對(duì)象，適時(shí)啟用蓄滯洪區(qū)削減洪峰、分蓄洪水是保障下游和防洪重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域安全的有效措施。為做好防洪減災(zāi)工作，我國(guó)高度重視防洪規(guī)劃、防洪減災(zāi)工程建設(shè)與非工程措施部署。其中，洪水演進(jìn)模擬是非工程措施的重要組成部分，是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制的重要依據(jù)。洪水演進(jìn)模擬的研究方法主要有差分法、有限元法、有限體積法等。對(duì)于洪水?dāng)?shù)值模擬，國(guó)內(nèi)外已有不少專(zhuān)家利用有限差分法和矩形網(wǎng)格建立了二維洪水演進(jìn)模型，但是獨(dú)立的二維模型無(wú)法計(jì)算獲得河道中某個(gè)斷面、某個(gè)時(shí)刻的水位和流量等水文要素，尤其在研究區(qū)內(nèi)水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況下，更是難以高精度地模擬水庫(kù)調(diào)度、潰口等對(duì)河道洪水演進(jìn)的影響。

為了更好更精確的反映決堤后洪水演進(jìn)的情況，本文擬采用以一、二維耦合的水力學(xué)方法，依據(jù)水量守恒及水動(dòng)量守恒原理建立洪水?dāng)?shù)值模型，模擬洪水的恒定及非恒定演進(jìn)過(guò)程，分為一維水力學(xué)法和二維水力學(xué)法。其中一維水力學(xué)法是指采用一維非恒定流微分方程即圣維南方程組對(duì)河道非恒定流的水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬，該方法能夠獲得每個(gè)模擬時(shí)刻河道內(nèi)的水面線(xiàn)、流量等情況，便于檢查和驗(yàn)證，也便于過(guò)程控制。二維水力學(xué)方法采用淺水方程來(lái)模擬洪水在淹沒(méi)區(qū)域內(nèi)耕地、林地、山丘區(qū)、道路等演進(jìn)的情況，與一維數(shù)學(xué)模型相比，二維數(shù)學(xué)模型能夠提供更加詳細(xì)的水情信息，如：淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等情況。目前世界上最為廣泛應(yīng)用的丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute）研發(fā)的MIKE軟件，包含MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等多個(gè)功能強(qiáng)大的模塊，其中MIKEFLOOD模塊可以模擬一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)以及二維的洪泛區(qū)，實(shí)現(xiàn)一維和二維區(qū)域之間自由的水體交換，適用于宏觀上的流域控制性工程規(guī)模論證分析和流域洪水調(diào)度研究等。本文以洪澤湖地區(qū)為例，利用MIKE FLOOD建立一、二維耦合的洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬研究。

1研究區(qū)概況

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫(kù)，地處蘇北平原中部偏西，位于淮河中下游結(jié)合部，承泄淮河上、中游15.8萬(wàn)km³的來(lái)水，總庫(kù)容135億m³。地貌上，湖西、湖南為低山崗阜，湖西崗隴和洼地寬窄不等、“三洼四崗”高低相間；湖南區(qū)蔣壩至盱眙縣城是連綿的低山，湖東、湖北由河湖沖刷堆積而成的平原，地勢(shì)低下。洪澤湖整體呈西北高東南低的形態(tài)。洪澤湖周邊滯洪區(qū)位于洪澤湖大堤以西，廢黃河以南，泗洪縣西南高地以東，包含盱眙縣的沿湖、沿淮地區(qū)，地面高程在16.83 m（1985國(guó)家高程，下同）以下，涉及淮安、宿遷兩市的淮陰區(qū)、洪澤縣、盱眙縣和宿城區(qū)、泗洪縣、泗陽(yáng)縣六縣區(qū)部分地區(qū)，還有省屬洪澤湖、三河農(nóng)場(chǎng)，滯洪區(qū)面積2132 k m³。

洪澤湖入湖河流主要在湖西部，有淮河、懷洪新河、新老濉河、新老汴河和徐洪河、安東河等，在湖北側(cè)入成子湖的河流有古山河、五河、肖河等，南側(cè)主要入湖河道為維橋河、高橋河，淮河入量占流入總量的70%以上。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)外高內(nèi)低，唯一排水出路即洪澤湖湖區(qū)，洪澤湖洪水由三河閘、二河閘、高良澗閘分別經(jīng)入江水道、入海水道、分淮入沂、灌溉總渠入江入海。區(qū)域防洪工程包括外圍防洪、內(nèi)部防洪工程，主要為迎湖擋洪堤和河道堤防。入湖控制建筑物主要有團(tuán)結(jié)閘、高松河閘、古山河閘、西民便河閘、安東河閘、濉河閘、老汴河閘等。出湖控制建筑物主要是三河閘、二河閘、高良澗閘；區(qū)域內(nèi)防洪工程主要有滯洪區(qū)間內(nèi)部河道堤防和排澇涵閘、泵站。詳見(jiàn)圖1。

2模型構(gòu)建

2.1模型控制方程

描述一維水流運(yùn)動(dòng)的Saint-Venant方程組是建立在質(zhì)量和能量守恒的基礎(chǔ)上的，以水位和流量為研究對(duì)象，其表達(dá)式為：

2.2河道一維模型

一維河網(wǎng)的洪水運(yùn)動(dòng)用Saint-Venant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過(guò)程控制、流量過(guò)程控制、流量～水位關(guān)系控制等形式。由基本方程Saint-Venant方程、邊界條件和初始條件共同組成一維洪水運(yùn)動(dòng)的定解問(wèn)題。另外，在天然河道中普遍存在著諸如支流交匯、集中分（入）流、洼地蓄水、斷面突擴(kuò)（縮）、堰、閘等，在這些局部地區(qū)，由于水流受固體邊壁的影響，水流流態(tài)急變，Saint-Venantt方程組不再適用，必須重新根據(jù)守恒定律，補(bǔ)充必要的計(jì)算條件，這類(lèi)計(jì)算條件是位于域內(nèi)的物理?xiàng)l件，稱(chēng)之為內(nèi)邊界條件。

洪澤湖周邊滯洪區(qū)內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜，著重提取對(duì)洪水分析比較重要的河流溝渠來(lái)構(gòu)造河網(wǎng)模型，包括主要通湖河道、出湖通道以及圩內(nèi)河道等。收集了128條主要河道的實(shí)測(cè)斷面資料，對(duì)圩內(nèi)河道進(jìn)行一定的概化，概化后的一維河網(wǎng)共有500多個(gè)河段，見(jiàn)圖2。模型以淮河、懷洪新河、徐洪河、新汴河、新濉河、老濉河等主要通湖河道的入湖流量作為河道的上邊界，以三河閘、二河閘和高良澗閘的水位或者水位一流量關(guān)系作為下邊界條件。endprint

2.3洪泛區(qū)二維模型

2.3.1線(xiàn)狀地物處理

區(qū)內(nèi)線(xiàn)狀地物處理主要為圩區(qū)堤防與重要道路的處理。由于原始道路節(jié)點(diǎn)間距不規(guī)則，劃分網(wǎng)格時(shí)容易產(chǎn)生小網(wǎng)格，對(duì)模型計(jì)算不利，為此，對(duì)道路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理。道路抽稀長(zhǎng)度控制為200 m一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)道路測(cè)量高程點(diǎn)對(duì)道路進(jìn)行打斷，并將高程點(diǎn)作為分段道路的高程，之后對(duì)交匯點(diǎn)進(jìn)行修正，使所有交匯點(diǎn)都完全擬合，作區(qū)內(nèi)擋水建筑物處理。本次研究將縣道及縣道以上道路均納入模型中，合計(jì)49條，對(duì)縣道以下有實(shí)測(cè)資料的道路經(jīng)過(guò)修正后納入模型，區(qū)域共概化道路1634段。洪澤農(nóng)場(chǎng)是研究區(qū)內(nèi)面積最大的圩區(qū)，其內(nèi)部道路概化情況見(jiàn)圖3。

2.3.2網(wǎng)格剖分

研究區(qū)二維地形采用1：10000地形圖以及5 m×5 m的高精度DEM資料，采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小隨地形地勢(shì)和阻水建筑物的分布靈活確定，充分反映計(jì)算區(qū)域的地形特征。對(duì)區(qū)域內(nèi)的典型的線(xiàn)性阻水建筑物，如堤防、公路等，經(jīng)合理概化，并對(duì)網(wǎng)格適當(dāng)加密，在二維地形中充分反映其特征。最大網(wǎng)格面積不超過(guò)0.1km²，其中湖面網(wǎng)格適當(dāng)放大，最大網(wǎng)格面積不超過(guò)1km²。共剖分網(wǎng)格85 894個(gè)，見(jiàn)圖4。

2.4一二維耦合模型

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)，耦合模型既利用了一維模型和二維模型的優(yōu)點(diǎn)，又避免采用單一模型時(shí)遇到的網(wǎng)格精度和準(zhǔn)確性方面的問(wèn)題。將一、二維模型通過(guò)MIKE FLOOD進(jìn)行耦合計(jì)算，耦合點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)連接或側(cè)向連接進(jìn)行計(jì)算。其中，標(biāo)準(zhǔn)連接是將連接線(xiàn)映射到一個(gè)或多個(gè)二維網(wǎng)格的耦合線(xiàn)上，一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計(jì)算單元的各節(jié)點(diǎn)上；在連接處二維計(jì)算網(wǎng)格的水位值并不相等因此取各個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的平均水位值Z返回給一維模型，以進(jìn)行下一時(shí)段的計(jì)算。側(cè)向連接允許二維模型的網(wǎng)格單元從側(cè)面連接到一維模型的部分河段甚至是整個(gè)河段，利用建筑物的流量公式來(lái)計(jì)算通過(guò)側(cè)向連接的水流。

本次模型的耦合方式主要采用MIKE FLOOD提供的標(biāo)準(zhǔn)連接和側(cè)向連接，其中，通湖河道與洪澤湖湖區(qū)、進(jìn)洪口門(mén)與洪泛區(qū)主要采用了標(biāo)準(zhǔn)連接；實(shí)測(cè)河道與洪泛區(qū)主要采用了側(cè)向連接。

3模型參數(shù)率定驗(yàn)證

3.1參數(shù)選取

糙率是表征河道底部、岸坡和洪泛區(qū)地表影響水流阻力的綜合系數(shù)，是水力計(jì)算的重要靈敏參數(shù)，也是水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型中最重要的參數(shù)，包括一維河道糙率和二維洪泛區(qū)糙率。根據(jù)水普下墊面信息，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)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形、地貌和河道實(shí)際情況確定初始糙率值。

3.2模型率定

2003年淮河流域發(fā)生了1954年以來(lái)最大洪水，洪澤湖蔣壩水位最高達(dá)14.20 m，采用2003年6月26日-7月31日的實(shí)測(cè)降雨和洪澤湖的出湖水位及蔣壩等四個(gè)水位站的水位資料對(duì)模型進(jìn)行率定，模型計(jì)算范圍內(nèi)水位站分布見(jiàn)圖5。將實(shí)測(cè)入流過(guò)程和洪澤湖出湖水位過(guò)程輸入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算的洪澤湖水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)率定參數(shù)。糙率率定結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料和模型計(jì)算值對(duì)比可知，計(jì)算的蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴水位及變化過(guò)程與2003年實(shí)測(cè)水位基本一致，見(jiàn)圖6。

3.3模型驗(yàn)證

根據(jù)之前率定確定的模型參數(shù)，采用2007年的實(shí)測(cè)入流和洪澤湖的出湖水位及蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴四個(gè)水位站的水位資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。選取2007年7月1日-8月3日作為計(jì)算時(shí)段，將計(jì)算的洪澤湖水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性與合理性。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料和模型計(jì)算值對(duì)比可知，計(jì)算的蔣壩、臨淮頭站、香城莊站、尚嘴站水位及變化過(guò)程與2007年實(shí)測(cè)水位基本一致，見(jiàn)表2。綜合以上率定驗(yàn)證成果可知，所建模型較好地重現(xiàn)了2003年及2007年研究區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程。

4滯洪模擬計(jì)算

以現(xiàn)狀工況遇洪澤湖百年一遇入流情況進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，模型的上邊界為1996年淮委規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的入湖設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程，下邊界為洪澤湖出口的水位一流量關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)表3。根據(jù)相關(guān)調(diào)度規(guī)則，當(dāng)洪澤湖蔣壩水位達(dá)到14.33 m且有上漲趨勢(shì)時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)一次性破圩滯洪。利用之前構(gòu)建的一、二維耦合模型對(duì)洪澤湖周邊滯洪區(qū)進(jìn)行滯洪模擬，不僅可以得到最終時(shí)刻的淹沒(méi)要素，還能得到洪水演進(jìn)過(guò)程中，任意網(wǎng)格任意時(shí)刻的洪水淹沒(méi)要素，如淹沒(méi)水深、流速、流向等。

洪澤湖百年一遇入流情況及模型模擬計(jì)算得到的總?cè)肓?、總出流及蔣壩水位過(guò)程見(jiàn)圖7，模型模擬時(shí)長(zhǎng)為42 d，最大入湖流量21703 m³/s，最大出湖流量為18 160 m³/s，總計(jì)入湖水量為546 3億m³，總計(jì)出湖為500 9億m³/s，蔣壩初始水位為13.33m，最高水位達(dá)15.16 m；當(dāng)模型運(yùn)行至第7 d時(shí)，蔣壩水位超過(guò)14 33 m時(shí)，滯洪區(qū)開(kāi)始滯洪；當(dāng)模型運(yùn)行至第21 d時(shí)，滯洪區(qū)達(dá)到最大滯洪量，最大滯洪量為17.63億m³。

不同時(shí)刻研究區(qū)內(nèi)淹沒(méi)水深圖見(jiàn)圖8。由于研究區(qū)內(nèi)圩區(qū)眾多，每個(gè)圩區(qū)都有獨(dú)立的進(jìn)洪口門(mén)，概化的314個(gè)圩區(qū)在達(dá)到滯洪條件，即洪澤湖蔣壩水位達(dá)到14.33 m時(shí)，同時(shí)開(kāi)始滯洪，在整個(gè)研究區(qū)最初會(huì)出現(xiàn)多個(gè)淹沒(méi)區(qū)域，隨著時(shí)間的推移，區(qū)內(nèi)被洪水淹沒(méi)的面積逐步變大，淹沒(méi)水深也逐步上升。當(dāng)t=170h時(shí)，蔣壩水位14.33 m，達(dá)到滯洪條件，開(kāi)始滯洪。圖8（b）是開(kāi)始滯洪12 h后的淹沒(méi)情況，由于314個(gè)圩區(qū)同時(shí)破圩滯洪，滯洪量迅速增加，蔣壩水位不僅減緩了上升趨勢(shì)，還有些許下降，此時(shí)蔣壩水位14.27 m，滯洪量3.27億m³，淹沒(méi)面積3.11 km²；圖8（c）是開(kāi)始滯洪后24 h的淹沒(méi)情況，此時(shí)蔣壩水位14.25 m，滯洪量達(dá)到4.80億m³，淹沒(méi)面積400.50 km²；隨著入湖流量的持續(xù)增加，滯洪區(qū)水位不斷上升，滯洪量漸漸達(dá)到飽和，削峰效果已不如剛破圩滯洪時(shí)顯著，洪澤湖水位持續(xù)升高。當(dāng)t=504 h時(shí)，蔣壩水位15.08 m，滯洪區(qū)達(dá)到最大滯洪量17.63億m³，淹沒(méi)面積940.02 km²。

通過(guò)模擬計(jì)算，該區(qū)域最大淹沒(méi)面積940.02km³，最大淹沒(méi)歷時(shí)35 d。不同淹沒(méi)水深對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)面積、不同淹沒(méi)歷時(shí)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)面積見(jiàn)表4、表5。由表可知，隨著淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)的增大，淹沒(méi)面積均相應(yīng)增大，淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)在研究區(qū)內(nèi)分布合理。

5結(jié)論

為了更準(zhǔn)確的反映決堤后洪水演進(jìn)的情況，采用一、二維耦合的水力學(xué)方法，建立洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。其中，河道一維模型能夠獲得每個(gè)模擬時(shí)刻河道內(nèi)的水面線(xiàn)、流量等情況，洪泛區(qū)二維模型能夠提供更加詳細(xì)的水情信息。

利用2003年、2007年歷史洪水資料對(duì)模型中主要參數(shù)糙率進(jìn)行率定驗(yàn)證，將實(shí)測(cè)資料和模型計(jì)算值對(duì)比分析合理性，結(jié)果表明，水位變化趨勢(shì)、最高洪水位到達(dá)時(shí)間基本一致，具有較高的模擬精度，能夠反映模型模擬的準(zhǔn)確性。

對(duì)現(xiàn)狀工況遇洪澤湖百年一遇入流的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得到各風(fēng)險(xiǎn)要素在研究區(qū)內(nèi)的分布情況，驗(yàn)證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區(qū)洪水模擬及風(fēng)險(xiǎn)分析。endprint