基于InfoWorks RS的蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)洪水演算

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(1.江西省水利科學(xué)研究院 信息與自動(dòng)化研究所，南昌 330029；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院 水工水力學(xué)研究所，南京 210029)

1 研究背景

洪水演算模擬不僅是洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水損失評估的基礎(chǔ)，也是洪水管理的重要科學(xué)依據(jù)[1]。目前，用于洪水演算模擬較為成熟的商業(yè)軟件主要有：荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的Delft 3D 模型、丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE模型、美國的SMS模型、英國Wallingford軟件公司開發(fā)的InfoWorks RS模型等[2]。其中InfoWorks RS模型主要用于河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型建模和計(jì)算，其采用分布式結(jié)構(gòu)體系，具有強(qiáng)大的可視化效果及友好的操作界面，可方便用戶建立河網(wǎng)模型[3-5]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者利用InfoWorks RS在洪水模擬方面進(jìn)行了相關(guān)研究，如魏凱等[6]采用InfoWorks RS河流模擬軟件，構(gòu)建了淮河中游魯臺子—淮南區(qū)間河道和行蓄洪區(qū)的水力學(xué)模型；林國勇等[7]利用InfoWorks RS建立水力學(xué)模型，對福州溪源江流域“龍王”臺風(fēng)洪水淹沒進(jìn)行了一維模擬；王學(xué)超等[8]應(yīng)用InfoWorks RS進(jìn)行了河流系統(tǒng)洪水演進(jìn)模擬，并對校核標(biāo)準(zhǔn)下的洪水下泄過程進(jìn)行了演進(jìn)模擬；肖魁等[9]詳細(xì)介紹了利用InfoWorks RS建立鄱陽湖二維水動(dòng)力學(xué)模型的思路和步驟，并模擬了鄱陽湖湖區(qū)水位變化的全過程；許拯民等[10]以福建省某流域?yàn)槔肐nfoWorks RS模擬了在防洪預(yù)警中的作用。

上述研究均利用InfoWorks RS對一維河道或二維洪泛區(qū)單獨(dú)建立模型，但未能將兩者結(jié)合分析。本文則采用InfoWorks RS建立贛江一維河道模型及蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)二維模型，探討圩區(qū)內(nèi)的洪水演算過程，分析最不利工況下圩區(qū)內(nèi)的潰口潰決過程、洪水演進(jìn)過程及淹沒水深要素等。

2 區(qū)域概況

蔣巷聯(lián)圩是江西省鄱陽湖區(qū)重點(diǎn)堤防之一，地處贛江尾閭，位于贛江南支和中支之間，東臨鄱陽湖，西傍南昌市，是一個(gè)四面環(huán)水、地勢低洼的獨(dú)圩島鄉(xiāng),如圖1所示。

圩內(nèi)面積149.86 km2(含黃湖蓄滯洪區(qū)面積為49.28 km2)。東西長39 km，南北寬4～6 km，防洪堤線總長94.355 km，分為蔣巷聯(lián)圩內(nèi)圩與黃湖蓄滯洪區(qū)，其中蔣巷聯(lián)圩外洪堤線長85.81 km，黃湖蓄滯洪區(qū)分洪隔堤長8.545 km。蔣巷聯(lián)圩堤頂高程22.70～23.32 m，頂寬7～10 m；黃湖堤頂高程18.0 m。由于蔣巷防洪保護(hù)區(qū)與黃湖蓄滯洪區(qū)之間隔堤高程達(dá)到22 m，與外圍堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)一致，因此，兩者可分別獨(dú)立進(jìn)行洪水演算。除特別注明外，高程系統(tǒng)均采用黃海高程基準(zhǔn)，黃海高程=吳淞高程-1.91 m。

圖1 蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)示意圖Fig.1 Sketch of Jiangxiang dike

3 模型構(gòu)建及率定

針對本防洪保護(hù)區(qū)，建立一維、二維耦合的水力學(xué)模型。其中，對河道建立一維水動(dòng)力學(xué)模型，對防洪保護(hù)區(qū)建立二維水動(dòng)力學(xué)模型，一維、二維模型之間采用“溢流單元”進(jìn)行耦合連接，采用OpenMI異構(gòu)模型接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)一維、二維模型間的數(shù)據(jù)交互。鑒于區(qū)域內(nèi)部河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜的特點(diǎn)，為提高模型計(jì)算效率，對設(shè)置的外洪、內(nèi)澇2種不同類型的方案，分別采用2種不同的思路，本文只探討防洪保護(hù)區(qū)受外來河水的影響，即只討論外洪模型。

3.1 模型原理

3.1.1 河道一維模型原理

一維河道(河網(wǎng))的洪水運(yùn)動(dòng)用St.Vennant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量-水位關(guān)系控制等形式。由基本方程St.Vennant方程、邊界條件和初始條件共同組成一維洪水運(yùn)動(dòng)的定解問題。在InfoWorks RS中，數(shù)值計(jì)算方法采用的是水動(dòng)力學(xué)方法中的有限差分法。

3.1.2 洪泛區(qū)二維模型原理

二維洪泛區(qū)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，如洪水在口門處向四周擴(kuò)散，且優(yōu)先沿河槽縱向泄流、在河槽蓄滿溢流或決堤后又與槽外水體進(jìn)行橫向水量交換。這些局部的水流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)各不相同，如河槽內(nèi)水流具有一維性，河槽外水流具有二維性，決口處水流則具有三維性質(zhì)。一般情況下，洪水是在兩岸設(shè)有堤防的河道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一維St.Vennant方程組可以解決河道過流能力和水位升降的變化，而洪水到達(dá)時(shí)間、洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)等，需要進(jìn)行二維洪水模擬計(jì)算，采用守恒型式的淺水波方程作為二維洪水運(yùn)動(dòng)的控制方程。在InfoWorks RS中，求解淺水流方程組使用的是二維有限體積法。

3.1.3 一維、二維耦合模型

一維、二維耦合水力學(xué)模型中一維河網(wǎng)模型與二維洪泛區(qū)模型通過“溢流單元”上的連接條件來實(shí)現(xiàn)模型耦合，“溢流單元”是河道堤防所在的位置，潰口也設(shè)置于此處。河道潰口上下游水流信息的交互示意圖見圖2所示。

圖2 潰口上下游水流信息交互示意圖 Fig.2 Sketch of the interactions at the breachbetween upstream flow and downstream flow

選定側(cè)堰流公式來實(shí)現(xiàn)潰口下上游水流信息的交互,在潰口處二維計(jì)算單元一般通過多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)與一維計(jì)算單元連接。由于一維模型計(jì)算結(jié)果中的水力參數(shù)是物理量的斷面平均值，二維模型計(jì)算出變量的是各網(wǎng)格中心處的節(jié)點(diǎn)值，因此在潰口連接處需要對一維、二維模型的交換數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和銜接。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，d1—d7表示堤防分為7段。一維、二維耦合模型的關(guān)聯(lián)模式如圖3所示。

圖3 一維、二維耦合模型示意圖Fig.3 Sketch of 1D and 2D coupling model

3.2 模型構(gòu)建

模型主要考慮潰堤洪水對保護(hù)區(qū)的影響，構(gòu)建的是二維模型，對贛江河道構(gòu)建的一維模型，而區(qū)域內(nèi)部的河道則概化其河道堤防、下挖河底地形，采用加密的二維網(wǎng)格處理。不考慮區(qū)域內(nèi)圩區(qū)、閘門和泵站。模型采用的是2013年1∶10 000的數(shù)字線劃底圖(Digital Line Graphic，DLG)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)基礎(chǔ)地形資料，共計(jì)68圖幅，包括整個(gè)防洪保護(hù)區(qū)、贛江南支、中支、北支。

3.2.1 網(wǎng)格剖分

采用非結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格設(shè)計(jì)成大小不等的三角形、四邊形，使網(wǎng)格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網(wǎng)格邊界，充分反映計(jì)算域的特征。必要時(shí)對保護(hù)區(qū)內(nèi)一些典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經(jīng)合理概化，適當(dāng)加密網(wǎng)格，在二維地形中充分反映其特征。對于不規(guī)則三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積不超過0.8 km2，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計(jì)算網(wǎng)格適當(dāng)加密。模型研究范圍和網(wǎng)格劃分以1∶10 000地形圖散點(diǎn)高程為基礎(chǔ)。

3.2.1.1 網(wǎng)格細(xì)化

對于河道和湖蕩區(qū)域，創(chuàng)建網(wǎng)格多邊形對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，共創(chuàng)建網(wǎng)格多邊形8類，部分網(wǎng)格剖分概化示意如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格多邊形概化示意圖Fig.4 Generalization of the grid polygon

3.2.1.2 網(wǎng)格劃分

采用二維區(qū)間概化二維模擬區(qū)域，二維區(qū)間以面狀對象概化，每個(gè)二維區(qū)間的最大網(wǎng)格面積為0.8 km2，最小網(wǎng)格面積為0.2 km2。糙率則根據(jù)下墊面條件的不同分別確定。網(wǎng)格劃分時(shí)以計(jì)算域外邊界、區(qū)域內(nèi)堤防、阻水建筑物、較大河渠、主要公路、鐵路作為依據(jù)，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格，共生成計(jì)算網(wǎng)格數(shù)37 056個(gè)。

3.2.2 邊界條件

3.2.2.1 一維模型邊界條件

上邊界取外洲水文站2010年設(shè)計(jì)洪水流量過程；下邊界贛江各分支水位取湖口20.59 m高洪水位時(shí)相應(yīng)的水位過程，在湖口20.59 m高洪水位情況下，鄱陽湖區(qū)比降很小，贛江中支取樓前水位站的水位過程，南支取滁槎水位站的水位過程。

3.2.2.2 二維模型邊界條件

對于堤防潰決，首先確定各個(gè)潰決口門位置后，設(shè)置口門初始、最終尺寸(底高程、底寬等)，設(shè)定潰口發(fā)展過程，將其作為內(nèi)部邊界條件，計(jì)算潰口洪水過程。對于保護(hù)區(qū)內(nèi)高于地面0.5 m以上的堤防、道路等線狀構(gòu)筑物，當(dāng)泛濫洪水達(dá)到其頂高程時(shí)，選擇漫溢方式進(jìn)行洪水分析計(jì)算。

3.3 參數(shù)率定

3.3.1 一維模型率定

一維水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)主要為河道糙率。糙率是表征河道底部、岸坡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)。首先在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用InfoWorks RS河網(wǎng)模型中對河道糙率進(jìn)行初步設(shè)置，選取2010年6月17日—8月31日昌邑、樓前、滁槎3個(gè)站計(jì)算水位與實(shí)測水位的對比結(jié)果，對河道糙率進(jìn)行人工率定，率定結(jié)果見圖5。

圖5 2010年贛江糙率率定結(jié)果Fig.5 Calibrated result of roughness of Ganjiang river in 2010

根據(jù)實(shí)測資料和模型計(jì)算值對比可知，在2010年次洪過程中，昌邑、樓前、滁槎3個(gè)站計(jì)算的水位及變化過程與2010相應(yīng)站點(diǎn)實(shí)測水位基本一致，水位變化趨勢、最高洪水位到達(dá)時(shí)間基本一致，所以采用此次調(diào)試的參數(shù)作為一維水動(dòng)力學(xué)模型最后率定的參數(shù)。經(jīng)過調(diào)算，確定蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)贛江一維河道模型糙率取值范圍為0.018～0.05，平均糙率為0.032。

3.3.2 一維模型驗(yàn)證

采用1998年贛江實(shí)測洪水資料對河道模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。與率定期相應(yīng)，將1998年6月22日—8月31日昌邑、樓前、滁槎3個(gè)站的計(jì)算水位過程與實(shí)測水位進(jìn)行對比，如圖6所示。從圖中可以看出，在典型年次降雨過程中，計(jì)算的昌邑、樓前、滁槎3個(gè)站的水位變化趨勢、最高洪水位到達(dá)時(shí)間與實(shí)測水位基本一致，3個(gè)站點(diǎn)的最大水位誤差分別為0.085，0.198，0.172 m。

圖6 1998年贛江糙率驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Validated result of roughness of Ganjiang river in 1998

根據(jù)圖6可知昌邑等站模擬水位與實(shí)際水位吻合程度很高，由此說明外洪模型的合理性、準(zhǔn)確性，可以對保護(hù)區(qū)的外洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.3.3 保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率

二維水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)主要為二維洪泛區(qū)的糙率。由于缺乏實(shí)測資料，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形、地貌的實(shí)際情況，結(jié)合以往規(guī)劃設(shè)計(jì)資料和經(jīng)驗(yàn)值分析確定蔣巷聯(lián)圩地區(qū)二維洪泛區(qū)糙率采用值。文中洪泛區(qū)地表采用不同下墊面的糙率分區(qū)，具體數(shù)值詳見表1。

表1 洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域糙率Table 1 Roughness of flood risk area

4 結(jié)果分析

利用InfoWorks RS構(gòu)建了蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)一維、二維耦合模型，模擬保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)洪水為50 a一遇的洪水演進(jìn)過程，計(jì)算了保護(hù)區(qū)內(nèi)不同位置的淹沒水深、水位等洪水演進(jìn)指標(biāo)。綜合考慮保護(hù)區(qū)全部洪水模擬計(jì)算方案及保護(hù)區(qū)內(nèi)受外洪影響最大工況，選取贛江洪水量級為50 a一遇的設(shè)計(jì)洪水(2010年型)，湖口水位為20.59 m恒定水位，贛江中支段高焰山(樁號7+450—7+950)發(fā)生潰決，口門寬度307 m，底高程22.9 m，潰口歷時(shí)8 h，瞬潰，不考慮區(qū)間降雨，模擬時(shí)間序列為2010年6月10日—7月9日，共計(jì)29 d。此種工況下，保護(hù)區(qū)內(nèi)的淹沒面積分別為68.73 km2(去除區(qū)內(nèi)水域面積共計(jì)41.75 km2)。淹沒范圍內(nèi)最大水深為8.39 m，淹沒水深3 m以上的淹沒面積為66.79 km2，占總淹沒面積的97.2%。

4.1 潰口潰決過程

贛江50 a一遇(2010年型)設(shè)計(jì)洪水，同時(shí)鄱陽湖遭遇20.59 m恒定水位，贛江中支段高焰山潰口潰決，不考慮區(qū)間降雨。從圖7的潰口流量變化曲線可知，潰口最大流量為4 295.06 m3/s。當(dāng)保護(hù)區(qū)發(fā)生潰堤時(shí)，潰口流量很快達(dá)峰值，隨后因進(jìn)入圩區(qū)內(nèi)的外河水位下降而下降，由于外洲水文站2010年型設(shè)計(jì)洪水呈現(xiàn)2個(gè)波峰形態(tài)，因此保護(hù)區(qū)在潰堤360 h左右，潰口流量開始形成第2個(gè)小波峰形態(tài)，最終至保護(hù)區(qū)內(nèi)水位低于潰口底高程。

圖7 贛江50 a一遇設(shè)計(jì)洪水+湖口20.59 m恒定水位高焰山潰口流量變化曲線Fig.7 Discharge process at Gaoyanshan breach in the presence of combinatorial condition of 50-year event flood in Ganjiang River and constant flood level 20.59 m at Hukou

4.2 洪水演進(jìn)過程

選取上述工況下高焰山潰口潰決后4，8，11，26，36，39 h洪水演進(jìn)過程(圖8)進(jìn)行分析。從圖8可見：當(dāng)潰口潰決時(shí)，圩區(qū)內(nèi)潰口附近的低洼地區(qū)迅速被洪水淹沒；潰決后11 h，洪水淹沒到圩區(qū)內(nèi)部的小溝渠并向東北方向演進(jìn)；潰決后26 h，洪水到達(dá)蔣巷聯(lián)圩內(nèi)部的太子河堤；潰決后36 h，洪水漫過蔣巷聯(lián)圩內(nèi)部的太子河堤，并通過太子河漫過到蔣巷東部區(qū)域；到39 h后，蔣巷整個(gè)區(qū)域幾乎全被淹沒。

圖8 高焰山潰口洪水演進(jìn)過程Fig.8 Flood routing process at Gaoyanshan breach

5 結(jié) 論

以蔣巷聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)為實(shí)例，利用InfoWorks RS構(gòu)建了一維河道和二維洪泛區(qū)模型，快速準(zhǔn)確地模擬了圩區(qū)潰堤后洪水演進(jìn)過程。結(jié)果表明，InfoWorks RS在洪水模擬方面具有很強(qiáng)的可視化效果，且結(jié)果合理可靠。隨著我國水利信息化的飛速發(fā)展，InfoWorks RS必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。