基于MIKE模型的潖江水面線計(jì)算分析

盧 真 建

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510635)

1 概 況

潖江蓄滯洪區(qū)位于廣東省飛來峽水利樞紐下游約10 km的北江左岸，見圖1，涉及清遠(yuǎn)市清城區(qū)及佛岡縣，區(qū)內(nèi)地勢(shì)低洼，一般地面高程12.00～18.00 m。潖江發(fā)源于佛岡縣水頭鎮(zhèn)，向西流與浮良水、四九水、民安水、潖二水、高橋水等支流會(huì)合后于江口汛匯入北江。潖江河口位于北江干流飛來峽峽谷進(jìn)口附近，受飛來峽峽谷的束水頂托，當(dāng)北江干流流量大于2 000 m3/s 時(shí)，北江一部分水流即可倒灌流入，是北江下游天然的洪泛區(qū)，對(duì)北江洪水有分流和滯蓄作用[1-3]。

圖1 潖江蓄滯洪區(qū)位置示意圖

潖江蓄滯洪區(qū)是北江中下游防洪工程體系組成部分，珠江流域防洪工程體系的總體布局將潖江蓄滯洪區(qū)列為一般蓄滯洪區(qū)。潖江蓄滯洪區(qū)蓄滯洪水作用明顯，對(duì)防御流域目標(biāo)洪水具有不可替代的作用。潖江蓄滯洪區(qū)與北江飛來峽水利樞紐聯(lián)合運(yùn)用，將包括廣州市在內(nèi)的北江大堤保護(hù)區(qū)防洪的能力由100 a一遇提高到300 a一遇，同時(shí)將北江中下游的清東、清西等堤圍的防洪能力由50 a一遇提高到100 a一遇。

2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

2.1 模型構(gòu)建思路及建模范圍

MIKE軟件在河道水面線計(jì)算中應(yīng)用廣泛[4,5]，本文潖江蓄滯洪區(qū)洪水分析選用MIKE模型系列進(jìn)行構(gòu)建，選用MIKE11(一維)水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算潖江水面線，模型上邊界北江以飛來峽(橫石)站控制，潖江以大廟峽站控制，濱江以珠坑站控制，模型下邊界以石角站水位流量關(guān)系控制，模型概化結(jié)果見圖2。河道斷面采用2016年研究區(qū)域內(nèi)干支流河道斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，共410個(gè)斷面。蓄滯洪區(qū)圍內(nèi)蓄水采用Dem數(shù)據(jù)(5 m×5 m)提取的蓄水水位～庫(kù)容曲線概化。

圖2 模型概化結(jié)果

2.2 模型率定和驗(yàn)證

建國(guó)后潖江發(fā)生較大洪水的有1964、1966、1968、1982、1983、1994、1997、2006、2013、2014年等年份。北江河段1999年飛來峽水利樞紐、2011年清遠(yuǎn)水利樞紐相繼建成，一定程度引起北江河道水文條件的改變。為了保證構(gòu)建模型具有實(shí)用性，能真實(shí)反映現(xiàn)階段的流域洪水特性，為潖江蓄滯洪區(qū)的建設(shè)與管理研究工作提供可靠的數(shù)據(jù)，本文模型參數(shù)的確定選取“2013.08”洪水率定，“2014.05”洪水驗(yàn)證。

(1)模型的率定。受2013年第11號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”和西南季風(fēng)的共同影響，廣東省普降暴雨到大暴雨，北江干流發(fā)生超20 a一遇洪水，北江石角站洪峰流量達(dá)16 700 m3/s。該場(chǎng)洪水過程首先由北江支流連江2013年8月14日起漲，西、北江和珠江三角洲主要控制站分別在8月18-20日達(dá)到洪峰。模型率定實(shí)測(cè)資料則采用北江干流橫石站和大廟峽站的資料，下邊界為石角水文站。率定及驗(yàn)證站點(diǎn)主要有石角站(流量)、清遠(yuǎn)站(水位)、飛來峽站(水位)和江口圩站(水位)。模擬計(jì)算過程為8月14-24日，率定結(jié)果見表1及圖3。由結(jié)果可知，模型擬合過程與實(shí)測(cè)成果基本吻合，表明模型能正確反映該河段水位及流量的空間分布特性。

表1 “2013.08”洪水模型計(jì)算最大值與實(shí)測(cè)最大值比較

(2)模型驗(yàn)證。選取“2014.05”洪水對(duì)北江一維數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。

受偏南暖濕氣流與高空槽共同影響，2014年5月21-24日流域東部出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程。受強(qiáng)降雨影響，北江出現(xiàn)2014年1號(hào)洪水，支流潖江發(fā)生特大洪水，石角水文站24日12時(shí)出現(xiàn)10.55 m的洪峰水位，接近警戒水位(11.00 m)，相應(yīng)流量14 800 m3/s，為超10 a一遇中等洪水。支流潖江大廟峽水文站23日14時(shí)出現(xiàn)洪峰水位51.70 m，相應(yīng)流量1 800 m3/s，重現(xiàn)期超20 a一遇，為1960年建站以來第2大洪水?！?014.05”洪水條件下模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較見圖4及表2。由結(jié)果可知，模型擬合洪水成果較好，清遠(yuǎn)站計(jì)算最高水位為13.559 m，與實(shí)測(cè)成果13.588 m相差僅0.03 m，江口圩站、飛來峽站水位與實(shí)測(cè)值相差0.09 m；石角站模型計(jì)算洪峰流量16 030 m3/s，與實(shí)測(cè)成果16 000 m3/s較吻合，滿足模型驗(yàn)證要求。

圖3 “2013.08”洪水率定結(jié)果

圖4 “2014.05”洪水驗(yàn)證結(jié)果

表2 “2014.05”洪水模型計(jì)算最大值與實(shí)測(cè)最大值比較

2.3 河道地形變化影響分析

由于未收集到潖江2016年以前河道地形數(shù)據(jù)，本次主要分析北江干流飛來峽-石角段河床變化情況，沿北江干流飛來峽-石角段上游至下游，切取69個(gè)斷面進(jìn)行河道演變分析，部分?jǐn)嗝娌煌甏兓妶D5。通過河床演變分析，1999-2016年，北江干流飛來峽-石角段河寬基本沒有變化，深弘高程和平均河底高程均有所降低、河道過水?dāng)嗝婷娣e增加、河相系數(shù)大部分?jǐn)嗝鏈p小。主要原因是飛來峽水利樞紐建成運(yùn)行后，攔蓄一部分砂，壩址下游沖刷及河道采砂影響。未來隨著河道采砂管理不斷加強(qiáng)，北江干流河道演變將向自然演變方向發(fā)展，逐步向穩(wěn)定或恢復(fù)的過程。

本次模型計(jì)算中研究區(qū)域內(nèi)干支流河道斷面已采用2016年新測(cè)量數(shù)據(jù)，2013年、2014年洪水沖淤情況不會(huì)對(duì)本次率定和驗(yàn)證結(jié)果造成影響。

3 干支流遭遇分析

北江干流(橫石站)與支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇分為潖江為主、北江相應(yīng)和北江為主、潖江相應(yīng)2種工況：

(1) 潖江為主、北江相應(yīng)。通過統(tǒng)計(jì)1960-2014年歷年潖江最大洪峰與同期北江洪水遭遇情況，擬定潖江為主、北江相應(yīng)工況的遭遇情況，見圖6。經(jīng)典型點(diǎn)趨勢(shì)分析計(jì)算，潖江20 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現(xiàn)期為5 a，潖江50 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現(xiàn)期為15 a。

圖5 北江飛來峽-石角部分?jǐn)嗝?999-2016年變化情況

圖6 潖江為主、北江相應(yīng)歷年洪水遭遇情況

(2) 北江為主、潖江相應(yīng)。通過統(tǒng)計(jì)1960-2014年歷年北江(橫石站)最大洪峰與同期潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況，擬定北江為主、潖江相應(yīng)工況的遭遇情況，見圖7。經(jīng)典型點(diǎn)趨勢(shì)分析計(jì)算，北江(橫石站)20 a一遇遭遇潖江洪水的重現(xiàn)期為10 a，北江(橫石站)50 a一遇遭遇潖江洪水的重現(xiàn)期為20 a。北江為主、潖江相應(yīng)的遭遇情況與可研階段一致。

4 模型邊界條件

4.1 北江干流橫石站設(shè)計(jì)洪水

橫石站是北江干流重要水文站點(diǎn)之一，1953年4月10日設(shè)立，位于北江干流中游，距連江匯入口約25 km，下游約15 km處為飛來峽峽口，控制流域面積為34 013 km2，占北江流域面積的72.9%。1999年隨著飛來峽水利樞紐建成投入運(yùn)行，橫石站移至飛來峽下游約2.7 km處，改稱飛來峽站，為保持統(tǒng)一，本文仍稱橫石站。根據(jù)《北江飛來峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》、《珠江流域綜合規(guī)劃(2012-2030年)》和《珠江流域防洪規(guī)劃》成果，北江干流橫石站設(shè)計(jì)洪水[1-3]見表3。

圖7 北江為主、潖江相應(yīng)歷年洪水遭遇情況

4.2 潖江及各支流設(shè)計(jì)洪水

由于大廟峽以上流域地形較陡，以山區(qū)丘陵為主，大廟峽以下至潖江口地形較為平緩，上下游地形差異較大，為計(jì)算潖江口設(shè)計(jì)洪水，本次根據(jù)上下游流域特征參數(shù)，采用綜合單位線法分別計(jì)算大廟峽站和潖江口的洪峰及洪水過程，進(jìn)而得到潖江出口洪峰、最大3 d洪量與大廟峽站的比例關(guān)系，即縮放系數(shù)。大廟峽和潖江出口以上流域特征參數(shù)見表4，大廟峽站和潖江口縮放系數(shù)成果見表5。

表3 北江干流橫石站設(shè)計(jì)洪水成果

大廟峽至潖江口區(qū)間各支流設(shè)計(jì)洪峰流量分2種方法計(jì)算：方法①為集水面積內(nèi)插法，即根據(jù)支流面積和支流匯合口以上干流面積推求匯合口上下的設(shè)計(jì)洪水，相減得支流設(shè)計(jì)洪水。方法②為按各支流面積比例計(jì)算得到，即按各支流面積占大廟峽-潖江口區(qū)間的面積比例，分?jǐn)倕^(qū)間洪水。這里以20 a一遇水面線為例，模型上邊界20 a一遇洪水見表6。

4.3 模型下邊界

水利部珠江水利委員會(huì)近期對(duì)石角站水位流量關(guān)系曲線再次進(jìn)行復(fù)核，石角站水位流量關(guān)系采用最新復(fù)核成果，見表7。模型下邊界采用石角水位流量關(guān)系曲線上線。根據(jù)廣東省水利廳2002年頒布的《西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道設(shè)計(jì)洪潮水面線(試行)》，潖江口(“北江12”)20 a一遇、50 a一遇水位分別為21.30 m、22.36 m[6]，本次在模型計(jì)算中北江為主潖江相應(yīng)工況潖江口重現(xiàn)期20 a、50 a水位分別以此作為控制。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)(綜合單位線法)

表5 大廟峽與潖江口縮放系數(shù)成果

表6 模型上邊界20 a一遇洪水

表7 石角站水位流量關(guān)系成果

5 水面線計(jì)算結(jié)果

本次水面線計(jì)算中大廟峽至潖江口區(qū)間各支流設(shè)計(jì)洪峰流量分別采用集水面積內(nèi)插法和面積比例法進(jìn)行計(jì)算，并比較2種方法水面線差別：2種方法計(jì)算結(jié)果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，見表8，本文推薦采用方法②按各支流面積比例計(jì)算結(jié)果。據(jù)此計(jì)算潖江各級(jí)頻率水面線成果，見圖8，其中江口圩10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇分別為20.38、21.40、21.88、22.35 m。

表8 潖江20 a一遇設(shè)計(jì)洪水水面線(2種方法比較) m

6 結(jié) 語

潖江水面線可為潖江蓄滯洪區(qū)運(yùn)行調(diào)度管理，以及水閘、泵站、堤防等工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文采用MIKE模型構(gòu)建潖江蓄滯洪區(qū)水動(dòng)力模型，并進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證，通過分析北江干流(橫石站)和支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況，分為潖江為主、北江相應(yīng)和北江為主、潖江相應(yīng)2種工況，進(jìn)而列出模型所需上、下邊界條件，其中潖江各支流設(shè)計(jì)洪水采用集水面積內(nèi)插法和面積比例法進(jìn)行計(jì)算比較，2種方法結(jié)果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，推薦采用面積比例法計(jì)算成果，依此分別計(jì)算潖江其他頻率水面線。

圖8 潖江各級(jí)頻率水面線成果

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