多級閘門調(diào)控下徒駭河流域雨洪演進模擬與分析

， ， 金童， ， ， 江婷，

(1. 濟南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟南 250022； 2. 山東省淮河流域水利管理局， 山東 濟南 250100；3. 山東水利工程總公司， 山東 濟南 250013； 4. 山東水文水環(huán)境科技有限公司， 山東 濟南 250014)

多級閘門調(diào)控下徒駭河流域雨洪演進模擬與分析

王坤1，楊姍姍2，王金童3，周肆訪4，徐征和1，王江婷1，叢鑫1

(1.濟南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟南250022； 2.山東省淮河流域水利管理局，山東濟南250100；3.山東水利工程總公司，山東濟南250013； 4.山東水文水環(huán)境科技有限公司，山東濟南250014)

在多級閘門調(diào)控條件下，利用一維水動力模型軟件Mike11軟件建立了降雨徑流和水動力耦合模型，設(shè)計了閘門全開、水位控制、水位差控制3種調(diào)控模式；對不同典型年下雨洪演進過程進行模擬，得到河道沿程水位流量變化趨勢。結(jié)果表明：模型典型斷面的模擬結(jié)果較好，各參數(shù)率定值可靠且可以基本反映雨洪演進過程，上、中、下游河床糙率率定值分別為0.029、0.033、0.035；水流狀況受人工調(diào)控明顯，主要表現(xiàn)在洪峰流量大小、洪峰出現(xiàn)時間以及閘前最高水位的變化上。

多級閘門；徒駭河流域；雨洪演進；耦合模型

雨洪演進是指對不易被人利用的雨水以及其產(chǎn)生的洪水進行洪水波傳播演變過程的模擬計算，從而得到河道沿程斷面洪水水位流量變化趨勢[1]。目前，對洪水過程的研究有水文學(xué)方法和水力學(xué)方法，其中，水力學(xué)方法從時間和空間角度模擬洪水演進中不同時段、不同位置的演進水位、水流速度等信息，可提供更為豐富、精確的洪水演進信息，因此得到了廣泛的關(guān)注和研究[2-4]。

在河網(wǎng)中修建的水閘、大壩、堰等水利工程，能明顯改變河流水文過程及水動力條件[5-6]。在總結(jié)和分析國內(nèi)外水力學(xué)模型的優(yōu)缺點之后，本文中選擇使用一維水力學(xué)模型軟件Mike11來進行雨洪演進過程模擬。Mike11是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的一款軟件，它對河流流態(tài)的模擬有很好的效果[7]。本文中耦合了Mike11軟件中的水動力模型和降雨徑流模型，并對其中的參數(shù)進行了率定和驗證，基于設(shè)計的不同閘門運行調(diào)度模式，進行多級閘門調(diào)控下徒駭河流域雨洪演進模擬。

1 研究區(qū)概況

徒駭河自河南省南樂縣起源，于山東省莘縣匯入山東境內(nèi)。徒駭河流域狹長，處于海河流域的南部，由西南至東北方向流動[8]。流域基本情況如圖1所示。

圖1 徒駭河流域劃分圖

徒駭河水系處于人工調(diào)控的多閘門平原河網(wǎng)地區(qū)，水流幾乎全面受到閘門的控制。干流現(xiàn)運行使用的節(jié)制閘共11座，本研究選取南劉橋閘、營子閘和壩上閘分別作為徒駭河上、中、下游分界點，3個閘所在斷面為流域典型斷面。

徒駭河流域?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，春夏降雨差異較大，同時年際變化也較明顯。通過對流域內(nèi)1986—2015年近30 a的降雨資料進行水文頻率曲線適線分析，可得降雨量均值Ex為571 mm，變差系數(shù)Cv為0.3，偏態(tài)系數(shù)Cs為0.7，Cs/Cv值為2.4。利用公式求得不同典型年時徒駭河流域的降水量，見表1。

表1 不同典型年時徒駭河流域的降水量

2 模型建立

2.1 水動力模型

構(gòu)建Mike11水動力(HD)模型時需要建立4種子文件，包括河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件以及HD參數(shù)文件。

1)河網(wǎng)文件。河網(wǎng)文件主要是對河道名稱、走向以及連接關(guān)系進行定義，描述模型的所有信息。本文中選取徒駭河干流源頭—壩上閘下游5 km的研究范圍。

2)斷面文件。斷面文件是將描述斷面的所有信息輸入到模型中，其中包括斷面位置、形狀等要素。計算步長是在模型模擬時必須要考慮的重要因素，它直接決定了模型模擬的穩(wěn)定性和精度，因此斷面間距設(shè)置為不大于10 000 m。為滿足計算精度，研究中共設(shè)置了98處斷面。

3)邊界文件。河流邊界是指在流域端點處，水流出代表流出模型區(qū)域，流入代表從模型外部流入。本文中，將汛期開始時刻的干流源頭流量數(shù)據(jù)作為上游入流邊界條件，最下端水位數(shù)據(jù)作為下游出流邊界條件。

4)HD參數(shù)文件。HD參數(shù)文件中比較常見的屬性頁是初始條件和河床糙率這2組。設(shè)定初始條件是為了讓模型平穩(wěn)啟動，設(shè)置河床糙率是為了讓模擬更加符合實際。本文中進行參數(shù)率定時，也主要是對這2組屬性頁進行設(shè)置。

2.2 可控建筑模塊

Mike11中可控建筑物模塊(SO)是該軟件的一大特色，它可以有效地模擬灌溉渠道、河流、水庫中的控制閘門及其他控制建筑物的操作運行[7]。本文中在設(shè)置模擬期時，綜合考慮流域汛期以及汛期降雨徑流過程的延遲作用，最終確定為6—10月份，各節(jié)制閘起調(diào)水位在統(tǒng)計多年平均水深后確定為1 m。

綜合各閘門所在位置、閘底高程、閘孔尺寸及最高蓄水位等因素，以及Mike11 SO所提供的閘門調(diào)度方式，研究制定了以下3種閘門運行方式：

1)閘門全開。在模擬開始時將所有的閘門全部開啟，模擬河流不受水工建筑物影響的自然狀態(tài)。

2)水位控制。設(shè)置各閘門最高蓄水位，當(dāng)模擬時段內(nèi)閘門的閘前水位高于此水位時，閘門開啟；低于此水位時，閘門關(guān)閉。

3)水位差控制。當(dāng)閘前、閘后水位差達到特定值時，閘門開啟；否則關(guān)閉。

2.3 降雨徑流模型

降雨徑流模型(NAM)是用來模擬流域內(nèi)產(chǎn)匯流過程的模型。 該模型可以單獨使用， 也可以用于計算一個或是多個產(chǎn)流區(qū)， 產(chǎn)生的徑流以線源或面源旁側(cè)入流的方式進入到HD模型的河網(wǎng)中。

1)流域信息屬性頁。該屬性頁是將流域的名稱及匯流面積輸入模型，并在流域列表區(qū)顯示出來，研究將徒駭河流域分為上、中、下3個子流域，其流域信息如表2。

表2 徒駭河流域上、中、下游子流域信息

2)NAM模型屬性頁。NAM模型是概念性、集總式模型，所有參數(shù)都有一定的物理意義，但由于參數(shù)取值反映的是各個子流域的平均條件，無法通過實測得到，因此必須進行率定。在模型率定時，主要考慮4個因素，即總水量平衡、 流量峰值吻合、 過程線的形狀吻合和低流量吻合。 模型率定的迭代次數(shù)一般設(shè)定為1 000～2 000就可以保證一個有效的率定[7,9]。

3 參數(shù)率定及驗證

參數(shù)率定及驗證是通過調(diào)整模型中涉及的各參數(shù)，而使得模擬更加符合實際工程情況。Mike11中主要率定的參數(shù)是水動力模型中的河床糙率n和NAM模型中的有關(guān)地表、地下儲水層的相關(guān)參數(shù)。

3.1 NAM參數(shù)率定

研究區(qū)有各水文站點較長系列的降雨徑流數(shù)據(jù)，可為模型建立及參數(shù)率定提供充足的實測資料。首先利用模型的自動調(diào)參功能對參數(shù)進行調(diào)整，再根據(jù)模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)之間的差異進行人工微調(diào)，從而得到上、中、下游各段的模擬結(jié)果如圖2—4所示。降雨徑流模型各參數(shù)取值見表3。

圖2 徒駭河流域上游降雨徑流模型率定結(jié)果圖

圖3 徒駭河流域中游降雨徑流模型率定結(jié)果圖

圖4 徒駭河流域下游降雨徑流模型率定結(jié)果圖

模擬段參數(shù)取值地表、根區(qū)儲水層地表儲水層最大含水量/mm土壤層/根區(qū)最大含水量/mm坡面流系數(shù)壤中流排水系數(shù)坡面流臨界值壤中流臨界值坡面流壤中流時間常量/h地下水儲水層地下水補給臨界值基流時間常量/h上游172280.946000.340.69470.132207中游201020.585180.060.34490.181131下游151090.175210.140.86490.501025

3.2 HD模型參數(shù)率定

NAM降雨徑流模塊較容易與HD模型實現(xiàn)耦合。只需要在河網(wǎng)文件列表中添加一個降雨-徑流鏈接(rainfall-runoff link)，將上、中、下游子流域信息以及與水動力模型中所要連接的河流名稱和位置添加進去。徒駭河流域子流域降雨徑流模型以面源的形式匯入到河網(wǎng)中。

河床糙率n是HD模型率定的主要參數(shù)，它的大小與諸多因素有關(guān)，如河道的基本形態(tài)、河床及河槽的粗糙程度、河道內(nèi)植被生長狀況等。在進行糙率率定時，對于有實測資料的研究區(qū)來說，采用實測資料推算法，無實測資料的河道宜借用類似河床糙率或利用經(jīng)驗公式計算得到。河床糙率的選取可以使用全閾值，也可以進行分段糙率率定[3,10]。本文中利用2013年流量資料，對徒駭河流域上、 中、 下游河床糙率進行分段率定，結(jié)果為0.029、0.033、0.035。上、中、下游的日徑流過程模擬結(jié)果如圖2—4所示。由模型模擬結(jié)果可知，徒駭河干流流量及累積水量計算結(jié)果與實測值吻合較好。

3.3 模型驗證

將模型率定的各參數(shù)應(yīng)用于2014年雨洪演進過程，對參數(shù)進行驗證，結(jié)果如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出， 各模擬段最大洪峰流量Q與最高水位H的實測值與模擬值之間的相對誤差均在10%以內(nèi)， 說明該模型模擬結(jié)果較好， 各參數(shù)率定均合理、 可靠。

表4 徒駭河流域參數(shù)驗證結(jié)果

4 模擬結(jié)果與分析

為了研究徒駭河流域上、中、下游洪水過程，選取南劉橋閘、營子閘及壩上閘所在斷面分別作為上、中、下游典型分析斷面，對結(jié)果進行探討。結(jié)合徒駭河流域長時間的降水水文資料的分析與特征降水頻率代表年的選取，以降水頻率10%為例進行典型年洪水演進模擬分析。

1)閘門全開調(diào)度模式。該模式下，上、中、下游各閘門模擬水位及流量結(jié)果如圖5所示。 由圖可知：2013年降水過程相對集中，河道僅出現(xiàn)一次較大洪峰；上游洪峰流量大于200 m3/s的時間為7月25日—8月2日，最大洪峰流量出現(xiàn)在7月28日，為450 m3/s； 中游洪峰流量大于200 m3/s的時間為7月16日—8月11日，最大洪峰流量出現(xiàn)在8月1日，為748 m3/s；下游洪峰流量大于200 m3/s的時間為7月17日—9月6日，最大洪峰流量出現(xiàn)在8月2日，為1 025 m3/s。其中，上、 中、 下游最大洪峰流量對應(yīng)的最高水位分別為25.30、15.90、5.10 m。

(a) 流量

(b) 水位圖5 閘門全開調(diào)度下流量、水位的模擬結(jié)果

2)水位控制調(diào)度模式。該模式下，上、中、下游各閘門水位計流量模擬結(jié)果如圖6所示。由圖可知：2013年洪峰出現(xiàn)在7月19日—8月7日，上、 中、下游最大洪峰流量分別為431、 723、 984 m3/s； 上游洪峰出現(xiàn)時間為7月28日，中游和下游洪峰出現(xiàn)時間較上游推遲了1 d和5 d。當(dāng)上、 中、 下游各閘前水位分別達到最高蓄水位時， 閘門全部開啟， 開啟時間分別為6月28日、 7月16日、 7月18日， 對應(yīng)的水位依次為26.53、 16.82、5.82 m。

(a) 流量

(b) 水位圖6 水位控制調(diào)度模式下流量、水位的模擬結(jié)果

3)水位差控制調(diào)度模式。 水位差控制調(diào)度模式下， 當(dāng)閘門前后水位差達到特定水位差時閘門全開。 經(jīng)過調(diào)試， 模型能正常運行的最大水位差為0.50 m。 該模式下，上、 中、 下游各閘門水位計流量模擬結(jié)果如圖7所示。 由圖可知， 上游最大洪峰流量為443 m3/s， 發(fā)生時間為7月28日；中游最大洪峰流量出現(xiàn)在8月2日，為716 m3/s；下游最大洪峰流量出現(xiàn)在8月2日，為1 020 m3/s。模擬開始時，各閘最高水位分別為25.80、 16.38、 5.60 m。

綜合分析以上模擬結(jié)果可以看出：閘門調(diào)控對水流狀態(tài)有明顯的影響作用，且主要表現(xiàn)在洪峰流量大小、洪峰出現(xiàn)時間以及閘前最高水位的變化上。洪峰流量大小在水位控制和水位差控制調(diào)度方式下均有不同程度的減小，且水位控制調(diào)度模式下流量下降幅度更為明顯；中游斷面洪峰出現(xiàn)時間在2種閘門調(diào)度方式下有明顯差異，水位控制調(diào)度下，洪峰提前3 d左右，而水位差控制調(diào)度方式下，洪峰則推遲1 d出現(xiàn)；在2種閘門調(diào)度控制下，閘前最高水位均有不同程度的升高。

5 結(jié)論

本文中基于Mike11軟件，將水動力模型和降雨徑流模型進行耦合，設(shè)計了閘門全開、水位控制和水位差控制3種調(diào)度模式，實現(xiàn)了多級閘門調(diào)控下徒駭河雨洪演進模擬。

(a) 流量

(b)水位圖7 水位差控制調(diào)度模式下流量、水位的模擬結(jié)果

1)簡要介紹了Mike11軟件的水動力模型和降雨徑流模型的建模過程及參數(shù)的基本設(shè)置，并實現(xiàn)了兩者的耦合。

2)利用流域內(nèi)系列的降雨徑流資料， 對各參數(shù)進行率定。使用Mike11軟件的自動調(diào)參功能以及結(jié)合人工微調(diào)的方式，最終確定徒駭河流域地表、根區(qū)儲水層和地下出水層各參數(shù)以及分段河床糙率。

3)利用HD模型中可控建筑物模塊，對徒駭河流域主河道的11座節(jié)制閘的運行方式進行設(shè)置，設(shè)計了3種閘門調(diào)度模式，實現(xiàn)了控制閘門的操作運行。通過模擬結(jié)果及分析可知，水流狀況受閘門調(diào)控影響明顯，模型可為洪水演進和閘門調(diào)度方案研究提供水動力條件，并為該流域防洪及水資源合理利用提供依據(jù)。

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Rain-FloodRoutingSimulationandAnalysisonTuhaiRiverBasinCombinedwithMulti-stageSluices

WANGKun1,YANGShanshan2,WANGJintong3,ZHOUSifang4,XUZhenghe1,WANGJiangting1,CONGXIN1

(1. School of Resounces and Environment, University of Jinan, Jinan 250022, China; 2. Huaihe River Basin Water Resources Management Bureau of Shandong Province, Jinan 250100, China; 3. Shandong Water Engineering Corporation, Jinan 250013, China; 4. Shandong Water Hydrology and Environment Technology Company, Jinan 250014, China)

To simulate the rain-flood routing process combined with multi-stage sluices,software Mike11 was used to build a coupling model of rainfall-runoff and hydrodynamics. Three calculation modes of sluices including fully open, water level control and water level difference control were designed.The simulation of the rain-flood routing process during different typical years was carried out, and the change trend of water level and flow along river was obtained. The results show that the simulating results for typical cross sections have a good agreement with the measurement results, then the value of each parameter is reliable and can basically reflect the flood routing process.The flow state is obviously affected by artificial regulation, which is mainly reflected on the flow of flood peak, the occurrence time of flood peak and the highest water level of the gates.

multi-stage sluices;Tuhai River Basin; rain-flood routing; coupling model

2017-02-11 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-12-13 16:49

國家科技支撐計劃子課題(2015BAD20B02-05);國家科技支撐計劃項目課題(2015BAB07B03)；山東省省級水利科研與技術(shù)推廣項目(SDSLKY201505)；濟南市水環(huán)境生態(tài)治理技術(shù)的研究與示范推廣項目(SHMS2015-301);濟南市海綿城市南部試點區(qū)水質(zhì)監(jiān)測評估技術(shù)項目(2016JSFW02Z0307)

王坤(1991—)，女，山東濟寧人。碩士研究生，研究方向為水文與水資源。E-mail:1015157780@qq.com。

徐征和(1968—)，男，山東濟南人。教授，博士，研究方向為水文水資源及農(nóng)田水利。E-mail：xu4045@126.com。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20171212.1637.020.html

1671-3559(2018)01-0070-07

10.13349/j.cnki.jdxbn.2018.01.010

TV122+.9

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(責(zé)任編輯:于海琴)