含多個行洪區(qū)的淮干中游段洪水模擬Ⅰ：模型建立

王立輝，王 坤, ，王宗志，程 亮，劉克琳，謝偉杰, ，何巖雨

(1.福州大學(xué)，福建 福州 350002；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

目前淮河中游兩岸建有行洪區(qū)16處，排泄流量占河道總排洪能力的20%～40%[1]，是淮河中游防洪工程體系重要組成部分。這些行洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)低、使用頻繁，對于分洪削峰、降低河道水位、減輕淮干防洪壓力具有重要作用。由于歷史原因，行洪區(qū)內(nèi)仍然分布著約40多萬人口和666.67 km2(100萬畝)左右耕地[2]。建立模擬精度與計算效率兼顧、考慮行洪區(qū)調(diào)度運用的淮河中游洪水演進模型，對于淮河中游洪水規(guī)劃調(diào)度與治理建設(shè)具有重要意義。研究適應(yīng)河道特點的洪水演進模型是近年來防洪減災(zāi)領(lǐng)域的研究熱點。例如王宗志等根據(jù)海河流域漳衛(wèi)河水系具有季節(jié)性、下滲強的特點，建立了考慮河道下滲的河網(wǎng)洪水模型，并將其運用于流域洪水安排及防洪格局調(diào)整中，取得良好效果[3]。包紅軍等采用馬斯京根法、馬斯京根水位模擬法和擴散波非線性水位法等水文學(xué)方法，建立了淮河干流王家壩至魯臺子段洪水演進模型來進行預(yù)報[4]。水文學(xué)方法在地勢平緩、閘壩眾多的平原區(qū)河道洪水演進中具有一定的局限性。近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算水力學(xué)取得長足進步，成為平原區(qū)河網(wǎng)、水庫洪水演進及潰口、閘門進退洪等復(fù)雜水力過程模擬的有效方法[5-6]。張行南等基于數(shù)字流域平臺和水力學(xué)模型軟件(HEC-RAS)，構(gòu)建了淮河中游王家壩至臨淮崗河段洪水演進模擬系統(tǒng)[7]，模型中將行洪區(qū)概化為零維水庫，給定水位庫容關(guān)系。何用等將行洪區(qū)概化為行洪區(qū)河段，蓄洪區(qū)概化為汊點，采用一維水動力學(xué)模型建立了淮河中游王家壩至蚌埠段行蓄洪區(qū)洪水調(diào)度水動力學(xué)模型[8]。吳時強等在建立淮河中游潤合集至魯臺子段一、二維耦合模型時，采用二維模型模擬洪水在淮干及行洪區(qū)的洪水演進過程[9]。在水動力學(xué)模型中，采用二維模型確能較好地模擬行洪區(qū)內(nèi)洪水流向的動態(tài)變動，但二維模型對地形數(shù)據(jù)要求高，當(dāng)行洪區(qū)較多時，全部采用二維模型，其模擬計算時間過長，難以服務(wù)實時決策。因此，本文考慮將行洪區(qū)與淮干共同概化為一維河網(wǎng)。與一般河網(wǎng)不同，含有行蓄洪區(qū)的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨著進退洪設(shè)施開啟、行蓄洪區(qū)運用而逐步形成[8]，行蓄洪區(qū)運用顯著影響了河道洪水演進。丹麥水利研究所開發(fā)的一維河道水力學(xué)軟件(MIKE11)具有計算效率高、模型穩(wěn)健、能夠模擬大多數(shù)水工建筑物調(diào)度運行的特點，已被廣泛應(yīng)用于洪水演進模擬預(yù)報、泥沙輸運度、水工建筑物設(shè)計與水質(zhì)模擬等方面[10-15]。本文采用MIKE11軟件，以行洪時間和行蓄洪量不變?yōu)樵瓌t，把行洪區(qū)概化為一維河道，提出并比較了兩種河道斷面獲取方法；研究如何利用MIKE11軟件水工建筑物模塊，模擬進退洪閘與口門調(diào)度、行洪區(qū)運用規(guī)則，實現(xiàn)洪水在淮干與多個行洪區(qū)之間的轉(zhuǎn)換過程；最終建立含多個行洪區(qū)的淮干中游段洪水模擬模型，為淮河中游洪水調(diào)度管理提供有力工具。

1 模型建立

1.1 河段簡介與河網(wǎng)概化

淮河中游正陽關(guān)到茨淮新河河口(上橋閘下)之間的河段走勢及行洪區(qū)分布如圖1所示。該河段共有6個行洪區(qū)，其中壽西湖、董峰湖、湯漁湖與荊山湖行洪區(qū)分布在主河道兩側(cè)，主河道在上下六坊堤出現(xiàn)分叉，環(huán)繞兩行洪區(qū)而過。

圖1 淮干正陽關(guān)-茨淮新河口段水系分布概況Fig.1 General situation of the reach from Zhengyangguan to the estuary of the Cihuaixin River in the main stream of the Huaihe River

為靈活高效模擬洪水在主河道演進及行洪區(qū)的行洪過程，主河道與行洪區(qū)統(tǒng)一采用一維模型計算，區(qū)間旁側(cè)支流作為點源處理。模型結(jié)構(gòu)概化如圖2所示。

模型中洪水在主河道與行洪區(qū)之間的交換過程通過10個潰壩建筑物與3個閘門等控制工程來實現(xiàn)。其中，由于荊山湖下口門進洪與退洪調(diào)度規(guī)則不同(退洪設(shè)計流量3 500 m3/s，反向進洪2 000 m3/s)，在模型中無法用同1個閘來模擬兩種不同的規(guī)則，因此建模時在下游口門設(shè)置1個閘門，模擬行洪區(qū)下口門的退洪調(diào)度規(guī)則(設(shè)計流量3 500 m3/s)；在閘門旁另添加1條虛擬河道作為下口門進洪通道，并在此河道上添加1個閘門來模擬下口門的進洪調(diào)度規(guī)則(設(shè)計流量2 000 m3/s)；兩個控制建筑物共同完成荊山湖下口門進退洪調(diào)度規(guī)則的模擬。除荊山湖行洪區(qū)上下游口門由閘門控制外，其余行洪區(qū)口門皆以潰壩建筑物控制，該建筑在未潰決時相當(dāng)于1個擋水的堰，達到潰決條件后潰口形成并發(fā)展，用來模擬口門扒口的形成過程。行洪區(qū)現(xiàn)有調(diào)度運行規(guī)則如表1所示。

表1 行洪區(qū)調(diào)度運用規(guī)則Tab.1 Schedules and operations of flood detention areas

當(dāng)主要關(guān)注行洪區(qū)內(nèi)的分洪和行洪作用，以及淮干洪水演進時，即不過于關(guān)注洪水要素在行洪區(qū)微觀變化、要求模型具有較高計算效率時，可以在盡可能保證行洪時間和行蓄洪量不變要求下，將行洪區(qū)概化為一維河道，以提高計算效率。圖3給出了MIKE 11 軟件中正陽關(guān)到茨淮新河口河段的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，橫、縱坐標(biāo)分別為投影后位置的x與y坐標(biāo)。圖3中彎曲線段為河道中心線，與中心線垂直的短線表示斷面所處的位置。該河網(wǎng)共有11條河段、3個閘建筑物和10個潰壩建筑物組成。由于淮干在上、下六坊堤行洪區(qū)出現(xiàn)了分叉，將此處的淮干河段概化為2條河道，將上、下六坊堤行洪區(qū)上游和下游淮干河段概化成2條河道，由此將淮干概化為4個河段。6個行洪區(qū)概化成6個河段?？紤]荊山湖行洪區(qū)退洪閘的反向進洪，設(shè)置了1條虛擬河段，由此概化出了11條河段。荊山湖行洪區(qū)設(shè)有進洪閘和退洪閘，退洪閘又需要反向進洪，為模擬荊山湖的進洪、退洪和反向進洪過程，設(shè)置了3個閘建筑物。其余5個行洪區(qū)均以口門進退洪，設(shè)置了10個潰壩建筑物，模擬其進退洪過程。本次研究淮干主河道斷面利用2009年淮干實測河道大斷面資料，行洪區(qū)斷面主要由水位庫容關(guān)系曲線概化得到。

1.2 行洪區(qū)斷面概化

MIKE11將河道斷面作為水位點，斷面形狀由x(原點距)和y(高程)2個參數(shù)來控制。對于行洪區(qū)斷面的概化，可以依據(jù)資料情況采用2種方法進行概化。第1種是根據(jù)數(shù)字地形資料(例如DEM)采用SMS(SURFACE-WATER MODELING SYSTEM)將高程內(nèi)插到整個行洪區(qū)，而后結(jié)合Arcgis等空間分析工具得到行洪區(qū)中心線，沿中心線隔一定距離截取斷面并得到斷面上各位置高程從而獲得(x,y)數(shù)據(jù)，輸入到MIKE11斷面文件中形成行洪區(qū)各個斷面的形狀。第2種方法是缺少實測地形資料時，利用行洪區(qū)水位-庫容關(guān)系曲線，將斷面概化成由底部的窄深三角形、中部寬淺三角形和上部寬淺矩形組成的斷面(見圖4(a))。底部三角形采用窄深形式，一方面是為了讓行洪區(qū)斷面底部高程與淮干河床底部高程平穩(wěn)銜接，防止因河床底高程落差太大而導(dǎo)致震蕩；另一方面是借鑒干河床洪水演進模擬中“窄縫法”的思想，避免流量較小，斷面過寬，導(dǎo)致水深過淺計算易發(fā)散問題。中部寬淺三角形則主要反映洪水由中泓向堤腳運動過程。上部寬淺矩形則反映了洪水淹沒了行洪區(qū)底部、水位到達堤腳后的淹沒情況。圖4(a)是利用壽西湖水位-庫容曲線概化得到的斷面。斷面概化時，需要確定行洪區(qū)中心線長度L、下部三角形最低點高程h1、中部三角形最低點高程h2、上部矩形底部高程h3、頂部高程h4和寬度B等參數(shù)。中心線長度L可由行洪區(qū)形狀結(jié)合區(qū)內(nèi)高程分布估算出。高程h1可由與行洪區(qū)相接處淮干斷面的最低點高程確定。高程h2取庫容關(guān)系曲線中庫容為0時的水位。高程h3和h4由行洪區(qū)堤防堤腳和堤頂高程確定。確定這些參數(shù)后，給定不同寬度B，計算不同水位h對應(yīng)過水?dāng)嗝婷娣eA(h,B)，再利用V=LA(h,B)，計算出被概化成一維河道的行洪區(qū)水位-庫容關(guān)系。以最小化概化后水位-庫容關(guān)系曲線與行洪區(qū)已有水位庫容-關(guān)系曲線的差異為原則，確定寬度B。經(jīng)估算，壽西湖行洪區(qū)概化斷面參數(shù)取值為：B=5 000 m，L=25 000 m，h1=8.0 m，h2=17.0 m，h3=22.0 m，h4=27.0 m。概化斷面的水位庫容關(guān)系與行洪區(qū)實測對比情況如圖4(b)所示。由圖可知，概化斷面水位-庫容關(guān)系曲線與實測曲線的誤差小。進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不同水位下庫容相對誤差絕對值均在5%以內(nèi)，表明該概化方法形成的斷面能準(zhǔn)確保證行洪區(qū)水位-庫容關(guān)系。

圖4 行洪區(qū)斷面概化和水位庫容關(guān)系Fig.4 Generalized cross-section and comparison between water level and capacity

為探究行洪區(qū)斷面2種概化方法對行洪區(qū)分洪和行洪效果影響，針對壽西湖行洪區(qū)，分別以這2種斷面，運用該模型模擬了淮干20年一遇設(shè)計洪水(2003年型)和50年一遇設(shè)計洪水(1954年型)。表2中給出2種斷面下壽西湖行洪區(qū)分洪和行洪效果對比結(jié)果。由表2可知，采用2種斷面時，淮干發(fā)生20年和50年一遇洪水時，行洪區(qū)開始分洪時間相同，最大分洪流量相對誤差分別為3.8%和0.7%，分洪量相對誤差分別為2.36%和6.75%，產(chǎn)生誤差的原因是地形數(shù)據(jù)抽取斷面概化的河道呈現(xiàn)出中間寬兩頭窄的形狀，一定程度上阻礙了水流的運動，可以通過調(diào)整河槽與灘地的糙率值來改善模擬效果，本文為探求由水位-庫容關(guān)系概化斷面的合理性，沒有進行參數(shù)的優(yōu)化?？傮w來說，采用概化斷面與實測斷面的行洪區(qū)分洪和行洪效果差別可以接受，所以本文提出的行洪區(qū)斷面概化方法可以滿足使用需要。

表2 壽西湖行洪區(qū)行洪參數(shù)Tab.2 Flood diversion parameters of Shouxihu flood detention area

根據(jù)上述概化方法將淮干中游6個行洪區(qū)概化為一維河道，各行洪區(qū)概化斷面的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 行洪區(qū)概化斷面參數(shù)Tab.3 Generalized cross-section parameters of flood detention areas

1.3 分洪過程模擬

壽西湖、董峰湖等6個行洪區(qū)進退洪皆由相應(yīng)控制站水位控制，其調(diào)度規(guī)則如表1所示。其中，壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、湯漁湖均采用開口行洪方式。模擬過程中，將各行洪區(qū)上下游口門(形狀為矩形)概化為MIKE11structure中的Dam breaker structure(潰壩)構(gòu)筑物，通過對構(gòu)筑物中參數(shù)的合理設(shè)置，該構(gòu)筑物可以很好地模擬口門扒口的形成過程。其中，壩頂高程為表1中給出的各分洪口門底部高程，壩頂長度為分洪口門寬度，潰口底高程為口門附近行洪區(qū)內(nèi)部地面高程，起潰水位設(shè)定為各行洪區(qū)對應(yīng)控制站的行洪水位。模擬時，當(dāng)各行洪區(qū)對應(yīng)控制站處水位超過行洪區(qū)的行洪水位時，口門處的擋水壩開始潰決，潰口形成并逐漸發(fā)展，洪水開始在行洪區(qū)河道中演進，當(dāng)口門處水位低于潰口底部高程時，行洪區(qū)進洪停止。

潰口過流量的計算式為：

(1)

式中：Q為通過潰口的流量；cv為入流收縮損失的修正系數(shù)；ks為淹沒修正系數(shù)[13]；b為潰口的底寬；h為上游水位；hb為潰口底高程；s為潰口的邊坡；cweir為潰口水平部分的堰系數(shù)，取0.546 430；cslope為潰口邊坡部分的堰系數(shù)，取0.431 856。

如表1所示，荊山湖行洪區(qū)設(shè)有進洪閘和退洪閘，采用開閘方式行洪。下游退洪閘具備反向進洪功能，因此在下游退洪閘處，添加1條虛擬河道，虛擬河道中設(shè)置閘門來模擬退洪閘的反向進洪功能。進洪時，進洪閘和退洪閘同時開閘進洪；當(dāng)行洪區(qū)完全被淹沒，下游退洪閘開始退洪，同時虛擬河道中的閘門關(guān)閉。進退洪閘可采用MIKE11 structure中的Control structure(可控水工建筑物)來模擬?？煽厮そㄖ锸侵改M過程中按照設(shè)定調(diào)度規(guī)則，自動判斷調(diào)整運行方式(例如閘門開啟、過閘流量)的一類建筑物，包括水閘、橡膠壩、水泵等。MIKE11中提供了閘孔出流型、越流型、流量型等多種類型可控水工建筑物，可依據(jù)河道某處的水位或流量、水位差或流量差、蓄水量、時間等數(shù)十種邏輯判斷條件，建立調(diào)度運行規(guī)則。模擬過程中，模型根據(jù)建筑物上下游水文條件自動判斷所處流態(tài)(亞臨界流、臨界流、超臨界流等)，選用相應(yīng)的流體力學(xué)公式進行計算。為模擬退洪閘的進洪和退洪過程，設(shè)置了退洪閘和虛擬退洪閘兩個完全一樣的可控水工建筑物，并都與淮干連接。當(dāng)滿足分洪條件時，進洪閘和虛擬退洪閘開閘進洪，退洪閘關(guān)閉。而當(dāng)滿足退洪條件時，虛擬退洪閘關(guān)閉，退洪閘開啟退洪。依據(jù)表1中給出荊山湖行洪區(qū)啟用條件和閘門最大分洪流量，在MIKE11 中采用基于水位判斷條件，來建立進退洪閘調(diào)度規(guī)則。

1.4 模型率定和驗證

利用2003年7月1日至7月30日的實測資料對模型進行率定。模擬時以正陽關(guān)2003年實測流量過程作為上邊界，淮干茨淮新河河口處水位流量關(guān)系作為下邊界。參數(shù)率定時，通過調(diào)整淮干主槽與漫灘以及行洪區(qū)的糙率值，使鳳臺(峽山)站(距正陽關(guān)36.4 km)和淮南站(距正陽關(guān)83.9 km)模擬與實測水位過程盡可能一致。經(jīng)率定得到淮干主河槽糙率值為0.025，灘地糙率值為0.03，行洪區(qū)糙率值為0.037。圖5中給出了鳳臺站和淮南站模擬與實測水位過程對比結(jié)果。由該圖可知，淮南站洪峰水位絕對誤差小于0.1 m，模擬系列與實測系列也能較好地吻合；鳳臺站模擬系列與實測系列亦能較好地吻合，平均誤差低于0.2 m。造成誤差的主要原因可能是采用的實測地形數(shù)據(jù)(2009年)與洪水發(fā)生時(2003年)的地形差異。

為進一步驗證模型有效性和可靠性，需要對模型進行驗證。2007年是大洪水年，淮河中游上六坊堤、下六坊以及荊山湖行洪區(qū)均啟用，可以用于驗證。因此，本文利用2007年7月5日至9月13日的洪水過程對模型進行驗證。鳳臺和淮南站水位過程模擬與實測值對比如圖6所示。由圖可見，水位過程峰谷相對，洪峰到達時間差小于2 h，最大水位誤差小于0.2 m。率定和驗證結(jié)果均表明該模型可以用于行洪區(qū)調(diào)度運用影響下的淮河干流洪水演進模擬。

圖5 2003年洪水率定結(jié)果Fig.5 Water levels calibration results of Fengtai and Huainan stations in 2003

圖6 2007年洪水驗證結(jié)果Fig.6 Water levels verification results of Huainan and Fengtai stations in 2007

圖7 荊山湖上下游閘門進退洪過程Fig.7 Flood process of upstream and downstream gates of Jingshanhu flood detention areas

文獻[16]中給出了2007年洪水期間上六坊堤和下六坊堤平均行洪流量分別為177和260 m3/s；模型模擬出的平均行洪流量分別為152和248 m3/s，兩者基本吻合。

圖8 董峰湖上下口門進退洪過程Fig.8 Flood process of upstream and downstream gates of Dongfenghu flood detention areas

2 結(jié)果討論與分析

圖7給出了淮河發(fā)生20年一遇設(shè)計洪水時，荊山湖行洪區(qū)上下游進退洪閘流量過程。由圖7可知，當(dāng)淮南站水位達到23.15 m時，荊山湖行洪區(qū)開始進洪，此時湖內(nèi)無水，進洪閘(JSHXH100)和虛擬退洪閘(XUNI650)同時進洪，退洪閘(JSHXH18900)關(guān)閉。由于進洪閘和虛擬退洪閘進洪流量很大，荊山湖很快裝滿，開始退洪。退洪時，進洪閘(JSHXH100)仍在進洪，虛擬退洪閘(XUNI650)關(guān)閉不再進洪，流量變成0；退洪閘(JSHXH18900)開始按照設(shè)計流量3 500 m3/s退洪。該過程線完整反映了荊山湖閘門的進退洪過程以及調(diào)度規(guī)則，這表明采用Control structure建筑物能很好地模擬荊山湖行洪區(qū)的進退洪過程。

圖8給出了董峰湖上下游口門進退洪流量過程?？梢姡?dāng)淮干控制站(焦崗閘下)水位超過24.60 m，相應(yīng)董峰湖上口門(DFHXH100)附近淮干水位恰好超過其底高程24.6 m時，董峰湖行洪上口門潰決進洪，上游口門(DFHXH100)開始進洪；此時，由于下游口門(DFHXH7100)附近淮干水位超過其底高程24.3 m，下游口門(DFHXH7100)也開始進洪。由于上下游口門同時進洪，董峰湖很快蓄滿，下游口門(DFHXH7100)開始退洪，流向發(fā)生改變，其流量變成負值。隨著洪水上漲，上下游口門分洪流量均達到了設(shè)計流量3 000 m3/s。

3 結(jié) 語

與一般河網(wǎng)不同，含有行洪區(qū)的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨著進退洪設(shè)施開啟、行蓄洪區(qū)運用而逐步形成，行蓄洪區(qū)運用顯著影響了河道洪水演進。建立模擬精度與計算效率兼顧、考慮行洪區(qū)調(diào)度運用的洪水演進模型，對于洪水規(guī)劃調(diào)度有重要意義。本文以淮干中游為例，采用MIKE 11水動力模型，建立了含多個行洪區(qū)河網(wǎng)洪水模擬模型。建模過程中，將分洪區(qū)概化為一維河道，提出并驗證了缺乏實測地形資料時行洪區(qū)河道斷面概化方法，該方法所需資料少，能很好地避免模型計算中常見的震蕩問題；利用MIKE 11中構(gòu)筑物模塊，模擬開口行洪和開閘行洪2種分洪方式。采用2003和2007年洪水過程對模型進行了率定與驗證，結(jié)果表明模型能快速準(zhǔn)確地模擬該河段洪水演進過程。本文提出的建模方法以及行洪區(qū)斷面概化方法對于其他類似河網(wǎng)洪水模擬具有重要參考價值。