基于MIKE11模型與GIS的平原感潮城市洪澇災(zāi)害研究

諸葛緒霞，呂 軍，任錦亮

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鹽城 224002)

洪澇災(zāi)害是我國(guó)影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，感潮地區(qū)由于受潮水位的頂托，常常發(fā)生更嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，嚴(yán)重影響地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近年來(lái)，氣候變化異常，極端降雨天氣頻發(fā)，城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的偏低導(dǎo)致內(nèi)澇問(wèn)題加劇，特別是人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、河道湖泊密布、地勢(shì)低洼易澇的平原感潮河網(wǎng)城市[1]。

洪澇災(zāi)害研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但針對(duì)沿海感潮城市洪澇災(zāi)害的研究相對(duì)較少[2]。城市排澇標(biāo)準(zhǔn)一般是以城市發(fā)生一定重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨不受淹為準(zhǔn)，而對(duì)于感潮城市，設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程與設(shè)計(jì)潮水位過(guò)程的時(shí)間組合對(duì)城市洪澇災(zāi)害的影響很大。因此，只用設(shè)計(jì)暴雨或設(shè)計(jì)潮位的重現(xiàn)期來(lái)描述感潮城市的治澇標(biāo)準(zhǔn)不能真正衡量感潮城市應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的能力。

目前用于分析城市暴雨洪澇災(zāi)害的水力學(xué)模型有丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列模型，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的SWMM模型，歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心開發(fā)的LISFLOOD模型等。其中，DHI的MIKE系列模型由于其界面友好，功能全面，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外城市洪澇災(zāi)害研究中[3，6-7]。文章以響水縣城為例，構(gòu)建MIKE11水動(dòng)力河網(wǎng)模型，模擬分析設(shè)計(jì)暴雨及設(shè)計(jì)潮位的組合對(duì)城市洪澇災(zāi)害程度的影響，分析不同的防洪排澇工程措施對(duì)降低城市洪澇災(zāi)害的效果，從而為城市防洪排澇工程的規(guī)劃和建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究方法

平原感潮城市一般通過(guò)沿海擋潮閘自排或通過(guò)排澇泵站抽排排除城市區(qū)域澇水，沿海擋潮閘的排澇能力取決于上游水位及下游潮位，采用傳統(tǒng)的水量平衡法無(wú)法準(zhǔn)確地反應(yīng)城市排澇過(guò)程。

丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE11模型是模擬一維水流和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件，經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證，被證明適用于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算[4]。文章采用MIKE11模型對(duì)城市河網(wǎng)、擋潮閘、排澇泵站等建筑物進(jìn)行概化，模擬不同排澇工程、設(shè)計(jì)暴雨及設(shè)計(jì)潮型的組合工況下城市主要河道的水位過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)GIS風(fēng)險(xiǎn)分析繪制不同工況下區(qū)域的淹沒(méi)范圍，從而分析暴雨、潮位及排澇工程對(duì)城市洪澇災(zāi)害的影響。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域概況

響水縣位于江蘇省東北部，地處淮河下游，響水縣城屬于平原感潮河網(wǎng)城市，位于北部灌河沿岸，S326以北，沈海高速以西，地勢(shì)較低。以運(yùn)響河為界，分為城東片、城中片兩個(gè)主要片區(qū)。響水縣城澇水主要通過(guò)灌河沿線擋潮閘及排澇泵站直接排入灌河，灌河是江蘇省唯一無(wú)控制的一條天然入海潮汐河道。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 河網(wǎng)及建筑物概化

采用MIKE11一維非恒定水動(dòng)力學(xué)模型，建立響水縣城排水范圍內(nèi)河網(wǎng)水利計(jì)算模型。響水縣城南北向主要匯水河道有三洪河、宣圩河、老小黃河、新小黃河等，東西向主要匯水河道有一排河～八排河，其他無(wú)輸水功能的河道、湖泊等作為調(diào)蓄水面處理。灌河沿線主要排澇擋潮閘有三洪閘、宣圩閘、小黃河閘等，采用MIKE11河網(wǎng)文件中CONTROLSTR概化，沿線主要排澇泵站有宣圩泵站、城區(qū)排澇二閘站、城區(qū)排澇一閘站、幸福閘站等，采用MIKE11河網(wǎng)文件中PUMP概化，如圖1所示。

2.2.2 模型控制參數(shù)

(1)徑流系數(shù)

根據(jù)GB/T 50805—2012《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，城市防洪綜合徑流系數(shù)的大小與城市建筑密度相關(guān)，城市綜合徑流系數(shù)見表1。

表1 城市綜合徑流系數(shù)表

結(jié)合響水縣城城市發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，根據(jù)地物分類統(tǒng)計(jì)計(jì)算響水縣城中片、城東片綜合徑流系數(shù)分別為0.61，0.54。

(2)初始水位

響水縣城警戒水位為2.0m，當(dāng)天氣預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、暴雨、高潮可能并發(fā)時(shí)，沿海涵閘要提前開閘排水。根據(jù)響水縣防汛抗旱要求，汛期排澇期，沿灌河邊排水涵閘應(yīng)適當(dāng)降低閘上水位，根據(jù)各閘的排水能力和排水面積控制在1.2～1.5m，如預(yù)報(bào)有特大暴雨，須將閘上水位預(yù)降至1.0m以下。

(3)建筑物調(diào)度規(guī)則

根據(jù)響水縣防汛抗旱要求，制定沿線排澇擋潮閘調(diào)度規(guī)則：預(yù)報(bào)有大暴雨時(shí)，當(dāng)閘上水位超過(guò)欲降控制水位且高于閘下潮位時(shí)，閘門開啟；當(dāng)閘上水位超過(guò)預(yù)降控制水位且低于閘下潮位時(shí)，閘門關(guān)閉；當(dāng)閘上水位低于欲降控制水位時(shí)，閘門關(guān)閉。排澇泵站調(diào)度規(guī)則：當(dāng)閘上水位超過(guò)預(yù)降控制水位且閘門關(guān)閉時(shí)，開啟泵站；當(dāng)閘門開啟，但閘上水位超過(guò)預(yù)降控制水位以上20cm且繼續(xù)上升時(shí)，開啟泵站。

圖1 響水縣城MIKE11河網(wǎng)文件概化示意圖

2.3 設(shè)計(jì)暴雨

由于響水縣城面積較小，對(duì)響水縣城排澇影響最大的以短歷時(shí)暴雨為主，一般不超過(guò)24h。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，響水縣設(shè)計(jì)暴雨選用24h暴雨，設(shè)計(jì)雨型根據(jù)《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984)按1h進(jìn)行分配。

(1)最大1h暴雨

最大1h暴雨采用鹽城市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。公式如下：

式中，i—暴雨強(qiáng)度，mm/min；P—重現(xiàn)期，年；t—降雨歷時(shí)，min。

表2 響水縣城最大1h暴雨計(jì)算成果表

(2)最大24h、12h、6h暴雨

采用響水口站1965—2014年最大24h、最大12h、最大6h暴雨資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

2.4 設(shè)計(jì)潮型

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)于承泄區(qū)為海域或感潮河段，設(shè)計(jì)潮水位過(guò)程線，可采用實(shí)測(cè)潮水位作為典型或平均偏不利的潮水位過(guò)程分析計(jì)算確定。

根據(jù)1951—2014年最高潮位頻率分析成果，響水口50%最大1日高潮潮位為3.5m，從歷年的實(shí)測(cè)潮位資料中，選取高潮位與P=50%時(shí)的設(shè)計(jì)高潮位接近的完整自然潮位過(guò)程中若干個(gè)太陽(yáng)日全潮作為參照潮型。將選取的各參照潮型的漲(落)潮的潮位、歷時(shí)進(jìn)行概化平均，得到50%排澇潮型過(guò)程線。

2.5 暴雨發(fā)生時(shí)間對(duì)區(qū)域洪澇災(zāi)害的影響分析

根據(jù)GB/T 50805—2012，結(jié)合響水縣城人口規(guī)模、防洪對(duì)象等確定響水縣城規(guī)劃排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。通過(guò)模型計(jì)算響水縣城發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，得出設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)潮型不同時(shí)間組合工況下的排澇過(guò)程。設(shè)計(jì)暴雨工況以小時(shí)為單位逐時(shí)段平移(如圖2所示)，模型計(jì)算從暴雨峰值對(duì)應(yīng)0點(diǎn)潮位至暴雨峰值對(duì)應(yīng)23點(diǎn)潮位共24個(gè)工況的區(qū)域最高水位(工況0為暴雨峰值對(duì)應(yīng)0點(diǎn)潮位，以此類推)。各工況最高水位與暴雨峰值對(duì)應(yīng)的潮位關(guān)系、最高水位之間的變化規(guī)律見表4，如圖3所示，利用GIS風(fēng)險(xiǎn)分析繪制幾種典型工況下響水縣城最大淹沒(méi)范圍，如圖4所示。

表3 響水縣城最大6h、12h、24h降雨頻率分析成果表

圖2 設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)潮型遭遇工況示例圖(圖中只標(biāo)注了8種典型工況)

圖3 各工況區(qū)域最高水位及相鄰工況區(qū)域最高水位變化率

圖4 最安全工況、平均工況、最不利工況洪水淹沒(méi)范圍圖

根據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果圖表分析，暴雨發(fā)生時(shí)間對(duì)響水縣城區(qū)域排澇能力的影響較大。暴雨峰值遭遇高潮位時(shí)，最不利工況5區(qū)域最高水位為3.19m，比最有利工況區(qū)域最高水位高33cm。暴雨峰值遭遇漲潮時(shí)，暴雨峰值發(fā)生的時(shí)間對(duì)區(qū)域排澇能力的影響非常大，工況16比工況15暴雨過(guò)程僅滯后1h，最高水位比工況15高21cm；工況3比工況2暴雨過(guò)程滯后1h，最高水位比工況2高17cm。當(dāng)峰值遭遇落潮時(shí)，暴雨峰值發(fā)生的時(shí)間對(duì)區(qū)域排澇能力的影響很小，工況0～工況2、工況12～工況14、工況22～工況23區(qū)域最高水位基本相同。根據(jù)各工況水位計(jì)算結(jié)果，通過(guò)GIS風(fēng)險(xiǎn)分析繪制工況2(最安全工況)、工況5(最不利工況)、工況8(平均工況)3種典型工況下的洪水淹沒(méi)范圍圖，如圖5所示。三種典型工況洪水淹沒(méi)面積占總面積的比例分別為：最安全工況29%，平均工況47%，最不利工況82%。

2.6 工程措施對(duì)區(qū)域洪澇災(zāi)害的影響分析

沿海感潮城市提高排澇能力的主要工程措施有兩個(gè)方面，一是擴(kuò)大自排能力，二是新增抽排動(dòng)力。選擇暴雨過(guò)程對(duì)應(yīng)潮位平均偏不利工況，計(jì)算20年、50年一遇設(shè)計(jì)暴雨不同工程措施對(duì)區(qū)域排澇能力的影響。

2.6.1 排澇閘擴(kuò)建規(guī)模對(duì)排澇能力的影響

以城中片為例，城中片主要自排出口為三洪閘(現(xiàn)狀閘孔凈寬5m，底高程-1m)。分別計(jì)算20年、50年一遇設(shè)計(jì)暴雨不同閘孔規(guī)模城中片最高水位，計(jì)算結(jié)果見表5。

根據(jù)表5，三洪閘閘孔凈寬從現(xiàn)狀5m擴(kuò)大到6m時(shí)，區(qū)域最高水位可降低8～11cm，繼續(xù)增加閘孔凈寬區(qū)域最高水位僅減小1～2cm；三洪閘底板面高程從現(xiàn)狀-1.0m降低到-1.5m時(shí)，區(qū)域最高水位減小3cm；閘底板面高程降低到-2.0m時(shí)，區(qū)域最高水位降低5cm；繼續(xù)降低閘底板面高程對(duì)區(qū)域排澇能力沒(méi)有影響。經(jīng)分析，由于三洪閘上游河道規(guī)模河底寬度為6m、河底高程為-1.0m，當(dāng)閘孔凈寬增加到6m、閘底板面高程降低到-1.0m時(shí)，河道標(biāo)準(zhǔn)成為限制區(qū)域排澇能力的主要因素，因此繼續(xù)增加閘規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益較小。

表4 各工況暴雨峰值對(duì)應(yīng)潮位及區(qū)域最高水位

表5 三洪閘規(guī)模對(duì)區(qū)域排澇能力的影響

2.6.2 新增抽排動(dòng)力對(duì)排澇能力的影響

城中片現(xiàn)狀抽排流量為9m3/s，在自排能力不變的情況下(三洪閘規(guī)模統(tǒng)一設(shè)置為閘孔凈寬6.0m，閘底板面高程-1.0m)，計(jì)算20年、50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下增加抽排流量區(qū)域最高水位的變化，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 增加抽排流量對(duì)區(qū)域排澇能力的影響

根據(jù)表6，20年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況，每增加5m3/s抽排動(dòng)力，區(qū)域最高水位降低約4～5cm；50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況，每增加5m3/s抽排動(dòng)力，區(qū)域最高水位降低約2～3cm。與增加閘規(guī)模相比，增加抽排動(dòng)力對(duì)區(qū)域排澇能力的影響較小，且暴雨越大，效果越不明顯。

3 結(jié)論

文章采用MIKE11模型結(jié)合GIS風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)研究區(qū)域不同工況洪水過(guò)程及淹沒(méi)范圍進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

(1)暴雨峰值與潮位遭遇時(shí)間是影響平原感潮城市洪澇災(zāi)害的主要因素，對(duì)區(qū)域暴雨峰值與潮位的遭遇概率進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)尤為重要，但對(duì)統(tǒng)計(jì)資料的長(zhǎng)期性要求較高。在暴雨潮位資料比較完整的地區(qū)，建議將感潮城市防洪排澇規(guī)劃的重現(xiàn)期定義為設(shè)計(jì)暴雨峰值與潮位的組合重現(xiàn)期。

(2)平原感潮城市排澇能力受沿海排澇擋潮閘的自排能力影響較大，在進(jìn)行感潮城市防洪排澇規(guī)劃及建設(shè)時(shí)，建議優(yōu)先考慮增加自排動(dòng)力及河道調(diào)蓄能力等方面的工程措施。