數(shù)字孿生賈魯河流域洪水預(yù)報模型與應(yīng)用

高英, 王鵬, 屈志剛, 葛均建

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司,河南 鄭州 450016; 2.河南賈魯河環(huán)境綜合治理有限公司,河南 鄭州 450016)

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求構(gòu)建智慧水利體系,以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力。國家“十四五”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃也明確提出,要推動大江大河大湖數(shù)字孿生、智慧化模擬和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。數(shù)字孿生流域是智慧水利建設(shè)的核心內(nèi)容,以物理流域為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識為驅(qū)動對物理流域全要素和水利治理管理全過程進行數(shù)字化映射、智能化模擬,實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化[1]。水利部把建設(shè)數(shù)字孿生流域作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑,全面開展水利行業(yè)數(shù)字孿生流域建設(shè)。

2021年7月受臺風(fēng)“煙花”的影響,河南發(fā)生了特大暴雨,降雨呈現(xiàn)出強度大、范圍廣、洪水量級大、持續(xù)時間長等特點。賈魯河流域沿線部分水庫出現(xiàn)嚴(yán)重險情,干支流河道損毀嚴(yán)重;鄭州市域內(nèi)城區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇,造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。鑒于此,河南省委、省政府部署實施賈魯河綜合治理工程,并依托此工程開展省內(nèi)數(shù)字孿生流域先行先試。

構(gòu)建具有“四預(yù)”(預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)功能的數(shù)字孿生流域,科學(xué)開展流域防洪調(diào)度,其基礎(chǔ)是流域洪水預(yù)報模型。國內(nèi)外眾多學(xué)者就此開展了很多探索研究。如劉志雨等[2]的研究表明,基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)能夠滿足中小河流洪水自動預(yù)警預(yù)報的生產(chǎn)需要。陳會峰[3]基于分布式水文預(yù)報模型研制了山丘區(qū)小流域洪水預(yù)報系統(tǒng),在豫西山區(qū)暴雨洪水災(zāi)害防御中發(fā)揮了重要作用。張良艷等[4]建立了玉符河流域分布式洪水預(yù)報模型,模型在72 h預(yù)見期內(nèi)具有較高精度。陳心池等[5]的研究表明,融雪徑流模型、逐步多元回歸模型和最近鄰抽樣模型均能很好地模擬中小流域的徑流過程。胡昊等[6]利用時空變源混合產(chǎn)流模型對白河上游流域進行洪水模擬,運用GLUE法和Sobol法對參數(shù)敏感性進行分析,判定流域以蓄滿產(chǎn)流為主。徐冬梅等[7]利用TS評分、BS評分、Brier評分以及Tala-grand分布圖對ECMWF和UKMO兩個預(yù)報中心的集合平均降雨預(yù)報信息在洪安澗河流域的適用性進行了評估。糜佳偉等[8]以梅溪流域為例,探究了天氣雷達定量降水估計和定量降水預(yù)報在中小流域洪水預(yù)報中的適用性。李整等[9]基于廣東省綜合單位線法和影響線理論,提出了三角形綜合單位線洪峰實時預(yù)報法。楊洵等[10]利用MIKE11構(gòu)建了太子河流域水文水動力模型,模擬效果良好。王猛等[11]以大伙房模型為例,利用粒子群算法對模型進行了參數(shù)優(yōu)選。胡文才等[12]基于率定后的分布式新安江模型建立了南四湖流域洪水預(yù)報模型,并耦合一維、二維水力學(xué)模型開展洪水演進模擬。郭延祥等[13]耦合一維水動力學(xué)模型和水文預(yù)報結(jié)果模擬了三峽、葛洲壩兩庫的洪水演進過程。杜獻梅等[14]對圣維南方程組進行離散,建立了改進的洪水演進一維數(shù)值模型,模型的模擬結(jié)果可提供給二維計算并作為堤防防洪能力預(yù)測的依據(jù)?；粑牟┑萚15]比較了支持向量機模型與新安江模型在浙江省昌化流域,瓶窯流域和陜西省陳河流域、大河壩流域的洪水預(yù)報精度,發(fā)現(xiàn)支持向量機模型在短預(yù)見期實時預(yù)報中更具優(yōu)勢。張珂等[16]采用決策樹、多層感知器、隨機森林和支持向量機4種模型,研究了不同預(yù)報期下半干旱半濕潤流域?qū)Σ煌樗A(yù)報智能模型的適用性。孫嘉輝等[17]將降雨徑流模型(Nedb?r-Afstr?mnings-Model,NAM)與水動力模型耦合后對青獅潭入庫洪水進行模擬驗證,效果較好。趙然杭等[18]對降雨徑流模型(NAM)的參數(shù)全局敏感性進行了分析,并指出NAM在國內(nèi)外流域降雨徑流模擬中得到了廣泛應(yīng)用。陳鑫等[19]對比分析了城市室外排水公式和排水模數(shù)公式的適用條件,為鄭州市防洪規(guī)劃編制提供了依據(jù)。王國安等[20]討論了洪峰流量推理公式的基本原理和適用條件,指出推理公式只適用于山區(qū)丘陵區(qū)小流域的設(shè)計洪水計算。黃國如[21]等討論了綜合單位線、推理公式、城市水文學(xué)和室外排水公式等方案的基本原理,指出采用綜合單位線法所得結(jié)果可滿足城市防洪安全需求。

綜上所述,當(dāng)前廣泛應(yīng)用的洪水預(yù)報方法有適用于南方地區(qū)的三水源新安江模型、普適性更強的NAM分布式水文模型、一維和二維水動力學(xué)模型、工程規(guī)劃設(shè)計有關(guān)規(guī)范推薦的推理公式法、綜合單位線法、排水模數(shù)法等。上述方法應(yīng)用于中小流域時,若流域內(nèi)存在諸多擋水、泄水等建筑物,如小的蓄水坑塘以及用于攔蓄雨水的小型水壩等,相當(dāng)于將流域分割成許多串聯(lián)的小水庫,則不管是采用推理公式法、綜合單位線法、平原區(qū)排水公式法等理論方法,還是采用新安江、NAM等分布式產(chǎn)匯流模型,都不能很好地擬合不同降雨量級下的洪水匯聚過程,從而影響洪水預(yù)報的準(zhǔn)確性。

賈魯河數(shù)字孿生流域建設(shè)不僅要保證流域的防洪安全,還要考慮流域沿線農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水涉及重要水閘的運用方式以及防洪保護區(qū)分洪閘在汛期的啟用方式,既要從宏觀的角度考慮降雨、植被截留、入滲、水庫和行滯洪區(qū)的調(diào)蓄,又要滿足河道演進和淹沒變化過程的計算效率和準(zhǔn)確性需求。綜合考慮各種模型方法的優(yōu)勢和適用性后,結(jié)合賈魯河各子流域的特點,選用水文學(xué)與水動力學(xué)松耦合的建模方式:即對于山丘區(qū),同時采用NAM、新安江模型構(gòu)建子流域洪水預(yù)報模型以方便對比;對于平原區(qū)的城市地區(qū),采用城市排水模數(shù)法、徑流系數(shù)法結(jié)合二維水動力學(xué)模型計算洪水;對于平原區(qū)的農(nóng)村地區(qū),采用NAM、平原區(qū)排水模數(shù)結(jié)合二維水動力學(xué)模型計算洪水,并利用流域水文站點與氣象站點的實測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),基于高精度流域數(shù)字地形模型和局部建筑信息模型(Building Information Model,BIM)構(gòu)建賈魯河流域洪水預(yù)報模型,為賈魯河流域防洪決策和在建賈魯河綜合治理工程施工度汛提供支撐。

1 流域概況及數(shù)字建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 流域概況

賈魯河發(fā)源于鄭州市新密市圣水峪村,是沙潁河的主要支流,也是河南省中部地區(qū)的一條骨干排水河道,流域面積6 137 km2,全長264 km。流域涉及鄭州、開封、許昌、周口4個省轄市,17個縣(區(qū)),總?cè)丝诩s1 580萬人,耕地面積約3 467 km2。流域內(nèi)有鄭州國家中心城市和京廣鐵路、京廣高鐵、鄭杭高鐵、京港澳高速等重要交通設(shè)施,也是國家糧食核心區(qū)之一。賈魯河流域示意圖如圖1所示。雙洎河是賈魯河的最大支流,發(fā)源于新密市趙廟溝,流經(jīng)新密市、新鄭市、長葛市、尉氏縣、鄢陵縣、扶溝縣,流域面積1 785 km2,全長182.3 km。賈魯河干流河道淤積嚴(yán)重,整體排澇能力不足3年一遇除澇流量的30%;無堤段較多,中小洪水大范圍漫灘行洪;上游鄭州段以50～100年防洪標(biāo)準(zhǔn)治理,下游整體防洪標(biāo)準(zhǔn)不足20年一遇。

1.2 綜合治理工程概況

正在實施的災(zāi)后賈魯河綜合治理工程目的是解決賈魯河流域河道防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河道泄洪排澇能力不足、支流倒灌等問題和排除工程隱患。主要建設(shè)內(nèi)容包括:新建賈魯河干流堤防91.31 km,加固堤防199.72 km;疏浚河槽147.44 km;修建攔河閘4座、排水閘121座、引水閘14座、分洪堰1座;修建橋梁25座,防汛道路295.07 km。新建支流雙洎河堤防12.00 km,加固堤防73.62 km,疏浚河槽8.32 km,修建橋梁22座,修建攔河閘2座,穿堤涵閘(過路)10座,排水閘(涵)50座,引水閘1座,防汛道路133.21 km。實施賈魯河綜合治理工程使后曹閘以上經(jīng)聯(lián)合提標(biāo)措施后防洪標(biāo)準(zhǔn)達到100年一遇、縣城段防洪標(biāo)準(zhǔn)達50年一遇、沿線村鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)達20年一遇、全線除澇標(biāo)準(zhǔn)達3年一遇,配合鄭州市排澇、分洪設(shè)施的建設(shè),可保證鄭州國家中心城市和流域沿線城市的防洪安全。

1.3 流域數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

1.3.1 雨水情監(jiān)測及防洪現(xiàn)狀

賈魯河流域現(xiàn)有已建雨量監(jiān)測站132處,水文站19處(水庫水文站9處,河道水文站10處),河道水位站6處,流域內(nèi)水庫、重要閘站、關(guān)鍵節(jié)點已建視頻監(jiān)控點72個,已建成與水利部淮河水利委員會、河南省互聯(lián)互通的通信網(wǎng)絡(luò)。目前,賈魯河流域的數(shù)據(jù)資源中尚無針對全流域的防洪業(yè)務(wù)系統(tǒng),不能對汛期洪水風(fēng)險進行預(yù)報調(diào)度和綜合研判。

1.3.2 流域數(shù)字模型建設(shè)現(xiàn)狀

目前依托數(shù)字孿生賈魯河流域建設(shè)項目,通過共享河南省“水利一張圖”的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)以及無人機傾斜攝影獲取的高精度實景模型數(shù)據(jù)和流域內(nèi)河道、堤防、攔河閘等重點工程建筑物建立的BIM數(shù)據(jù)已搭建了賈魯河數(shù)字孿生流域L1—L3級以及局部L4級數(shù)字模型,能支撐精準(zhǔn)洪水預(yù)報模型構(gòu)建和模擬預(yù)演對數(shù)字化場景的需要,如圖2所示。

2 賈魯河流域洪水預(yù)報模型構(gòu)建

賈魯河數(shù)字孿生流域建設(shè)范圍包含賈魯河干流(尖崗水庫至入沙潁河口)、雙洎河干流(李灣水庫至入賈魯河口)、索須河等41條一級支流、重要二級支流、重要中型水庫和小型水庫等。賈魯河流域洪水預(yù)報模型范圍及概化圖如圖3所示。

2.1 原理與方法

針對不同子流域的特點,采用不同的洪水預(yù)報方法和模型。具體方法和模型原理如下。

2.1.1 徑流系數(shù)法

徑流系數(shù)是描述降雨和徑流關(guān)系的重要參數(shù),綜合反映流域內(nèi)自然地理要素對降水-徑流關(guān)系的影響,在流域或區(qū)域雨水徑流總量、徑流峰流量、流量過程線等規(guī)劃設(shè)計的計算中應(yīng)用廣泛[22]。本文所用的徑流系數(shù)是指在同一子流域面積、同一時段內(nèi)徑流量與降水量的比值。受不同子流域條件及實測數(shù)據(jù)資料的影響,通常需要采用一些特殊的方法對徑流資料或降雨量資料系列進行插補或延展以滿足項目需求。

2.1.2 排水模數(shù)法

排水模數(shù)是指在一定頻率的設(shè)計暴雨下,每平方公里的地面所產(chǎn)生的徑流量。其影響因素主要有設(shè)計暴雨、排澇面積的大小和形狀、地面坡度、植被情況和作物組成、土壤性質(zhì)、地下水埋深、排水溝網(wǎng)分布、河湖調(diào)蓄能力等。由于影響因素很多,難以精確分析,在實踐中一般采用經(jīng)驗公式法和平均排除法來確定排水模數(shù)[23]。然而這兩種方法在應(yīng)用時均受所研究區(qū)域特性的約束,因此在不同地區(qū)應(yīng)用時,需對其進行分析比較,選擇最為合理的方法。

2.1.3 三水源新安江模型

新安江模型是趙人俊等經(jīng)過對濕潤地區(qū)暴雨徑流關(guān)系的長期研究提出,建立了P-W0-R關(guān)系,用以計算凈雨過程,推導(dǎo)求解穩(wěn)定下滲率和劃分地面地下凈雨[24]。目前,常用的是三水源新安江模型,即將水源劃分為地表徑流、壤中流、地下徑流3部分,模型主要由蒸散發(fā)、產(chǎn)流、水源劃分、匯流計算4個模塊組成,模型結(jié)構(gòu)如圖4所示[24]。其中:蒸散發(fā)計算采用3層蒸散發(fā)模式;產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流模型,但增加流域不透水面積占全流域面積之比(IMP參數(shù)),此參數(shù)在半濕潤地區(qū)有必要采用;匯流計算分為坡面、河網(wǎng)匯流兩個階段,坡面匯流可采用滯后演算法或單位線法,河道匯流采用馬斯京根河道匯流演算模型。

圖4 三水源新安江模型結(jié)構(gòu)

2.1.4 降雨徑流模型(NAM)

NAM由丹麥理工大學(xué)水力動力工程學(xué)院的Nielsen和Hansen首次提出。NAM屬于分布式水文預(yù)報模型中的降雨徑流模型,通過連續(xù)計算4個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產(chǎn)匯流過程[25]。模型的徑流形成過程和結(jié)構(gòu)圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 NAM徑流形成過程

圖6 NAM結(jié)構(gòu)圖

儲水層代表了流域內(nèi)不同的物理單元,分別為積雪儲水層、地表儲水層、土壤或植物根區(qū)儲水層和地下儲水層。NAM可以單獨使用,也可以將模擬的徑流作為旁側(cè)入流與水動力學(xué)模型耦合使用,也允許模擬人工干預(yù)措施,如灌溉和抽取地下水等。

2.1.5 二維水動力學(xué)模型

基于高精度的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、詳細(xì)的流域地類劃分以及面降雨過程,通過構(gòu)建高精度的水動力學(xué)模型,將降雨時空變化過程作為邊界條件開展數(shù)值模擬。每一時刻下的降雨過程均根據(jù)不同地類選取不同的徑流系數(shù)計算得到凈雨過程,地面糙率根據(jù)地類進行細(xì)分。

根據(jù)賈魯河流域特性,在對多種產(chǎn)匯流模型和水動力模型耦合模擬計算和對比分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)采用二維水動力學(xué)模型計算洪水精度高、適用性好,而且通過三維地形數(shù)字模型的構(gòu)建還考慮了坑塘調(diào)蓄、填方道路阻水等各種影響匯流的因素,與實際更為匹配。模型的上邊界條件為隨徑流系數(shù)變化的凈雨過程,如圖7所示。二維水動力學(xué)模型計算洪水的過程和必要條件如圖8所示。

圖7 水動力學(xué)模型中隨徑流系數(shù)變化的凈降雨量分布

2.2 子流域劃分

賈魯河流域跨越山丘區(qū)、山前坡地區(qū)、平原區(qū)多種特征地形,且包含了完整的鄭州市區(qū)以及開封、許昌、周口等部分市區(qū)以及農(nóng)村地區(qū),下墊面情況復(fù)雜多樣。為準(zhǔn)確進行洪水預(yù)報,需要根據(jù)流域界、水庫、下墊面情況對賈魯河流域進行詳細(xì)的子流域劃分。具體劃分原則如下:

1)賈魯河干流及雙洎河干流的主要一級支流均單獨劃分為一個計算分區(qū),干流上兩個支流入河口之間的區(qū)域劃分為一個分區(qū)。

2)存在中型水庫的河流,均需要以中型水庫壩址為界,將分區(qū)進一步細(xì)分為水庫以上和水庫以下。

3)以賈魯河干流及雙洎河干流上的攔河閘為界,將分區(qū)進一步細(xì)分。

4)鄭州市主城區(qū)范圍內(nèi)各主要排水河道均單獨劃分分區(qū)。

根據(jù)以上原則,基于全流域高精度DEM數(shù)據(jù),利用GIS空間地理分析工具對各流域進行自動細(xì)分,并根據(jù)水利工程、道路工程、地表地物實際情況對各個子流域范圍進行人工檢查和修正。賈魯河流域擺渡口閘以上為主要流域范圍,擺渡口閘以下除雙狼溝小流域外,其他均為河道行洪通道。最終將賈魯河流域劃分為89個子流域分區(qū),如圖9所示。

圖9 賈魯河流域洪水預(yù)報子流域劃分

2.3 降雨預(yù)測和分析

2.3.1 降雨預(yù)測方法

以賈魯河流域現(xiàn)有雨量站的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),構(gòu)建多種降雨預(yù)測和時空分析模型,并在實際應(yīng)用中根據(jù)降雨情況對模型實時修正。常用方法如下:

1)根據(jù)特定雨型預(yù)測未來降雨過程。將賈魯河流域同時期歷史典型降雨過程概化為雨型,以已發(fā)生的降雨過程和預(yù)報的未來一段時間的總降雨量為基礎(chǔ),進行同比縮放,推導(dǎo)出后續(xù)的降雨過程。

2)以公共天氣預(yù)報降雨過程為基礎(chǔ)進行預(yù)測。以賈魯河流域公共天氣預(yù)報降雨過程和未來一段時間的總降雨量為基礎(chǔ),根據(jù)預(yù)報的未來各小時降雨概率修正降雨過程,從而預(yù)測后續(xù)降雨過程。

根據(jù)鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)和2022年河南省氣象部門發(fā)布的淮北地區(qū)降雨量較往年平均降雨量偏多2～4成的預(yù)測降雨信息進行典型降雨的模擬:即結(jié)合歷史降雨和本次預(yù)測來確定場次降雨總量,并擬定兩種情景的雨型和降雨過程。

2.3.2 降雨時空分析

根據(jù)賈魯河流域現(xiàn)有205個雨量站點(含流域范圍線周邊)提供的實時降雨過程數(shù)據(jù),通過泰森多邊形法計算各子流域面降雨過程,確定降雨量級,并進行降雨時空分析。

以賈魯河流域2021年“7·20”暴雨為例,對7月18—21日雨量站點的降雨過程進行分析,得到該場降雨的降雨特征值。7月20日17:00降雨峰值時刻雨強等值面如圖10所示。

圖10 賈魯河流域“7·20”暴雨峰值時刻雨強等值面圖

2.4 模型參數(shù)和邊界條件

1)模型參數(shù)。對于NAM、新安江模型等分布式產(chǎn)匯流模型,模型參數(shù)包括地表儲水層最大含水量、土壤層最大含水量、坡面流系數(shù)、壤中流臨界值、坡面流和壤中流時間常量等。各項參數(shù)首先采用初始默認(rèn)值,并根據(jù)模型參數(shù)率定最終確定,各子流域均有自己的一套參數(shù),以康溝河西黃莊以上流域為例,率定后的NAM參數(shù)見表1。對于二維水動力學(xué)模型,模型參數(shù)主要為下墊面糙率和徑流系數(shù),其初始值按當(dāng)前流域下墊面情況根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值。

表1 康溝河西黃莊以上流域NAM率定后的參數(shù)

2)模型參數(shù)率定。對于NAM、新安江模型分布式產(chǎn)匯流模型參數(shù),通過選取具有實測洪水?dāng)?shù)據(jù)的典型子流域進行參數(shù)率定,其他地形相似子流域均采用該率定后的參數(shù)。本次對康溝河西黃莊以上流域,根據(jù)西黃莊水文站實測洪水過程對模型參數(shù)進行率定,率定后流量峰值、總徑流量以及過程線的形狀與實測數(shù)據(jù)吻合,如圖11所示。對于二維水動力學(xué)模型,通過對河道重要節(jié)點處實測水位、流量進行模型參數(shù)率定,在上游給定與實測相同的流量過程邊界條件下,中下游重要節(jié)點均具有與實測相同的流量和水位變化過程。

圖11 康溝河西黃莊以上流域子流域產(chǎn)匯流參數(shù)率定

3)模型耦合方式及邊界條件。水文模型與水動力學(xué)模型采用基本控制方程求解過程分開的松耦合方式進行,相互之間僅通過節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。首先,進行流域產(chǎn)匯流模擬,將洪水流量過程及水庫泄流過程作為水動力學(xué)模型的邊界條件;然后,采用水動力學(xué)模型進行河道內(nèi)、防洪保留區(qū)以及河道外和潰堤的洪水演進和模擬。對于兩類模型時間步長不一致問題,除盡可能使兩者的時間步長接近外,還采用線性內(nèi)插法獲取水文模型某個時段的輸出流量。

本次水文模型邊界條件采用隨時空分布的降雨過程。對于二維水動力學(xué)模型,賈魯河上邊界為中牟站洪水入流過程,雙洎河上邊界為新鄭站洪水入流過程,堤里小清河、丈八溝等各支流匯入口按各自的推算流量過程作為入流邊界條件;模型下邊界采用周口閘水位過程。

2.5 洪水預(yù)報模型

劃分好各子流域范圍并得到各子流域面降雨過程后,對不同子流域采用不同的產(chǎn)匯流模型,預(yù)報各子流域出口洪水過程;再將其與河道二維水動力學(xué)模型耦合,進行洪水調(diào)蓄、河道洪水演進、河道閘站調(diào)度后,即可預(yù)報賈魯河、雙洎河干流河道不同特征斷面位置的流量和水位過程,如圖12所示。

圖12 各子流域洪水預(yù)報結(jié)果

3 鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)及典型降雨模擬

基于構(gòu)建的賈魯河流域洪水預(yù)報模型,對賈魯河綜合治理工程建設(shè)現(xiàn)狀條件下鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn),以及對20年一遇和50年一遇兩場典型降雨進行模擬。

3.1 條件設(shè)置和網(wǎng)格劃分

1)2022年汛前賈魯河現(xiàn)狀條件。①賈魯河、雙洎河主河槽已按設(shè)計完成疏浚,但尚未護砌;②河道左右岸防洪堤已基本完成填筑,邊坡尚未護砌,部分橋梁公路處存在缺口;③各攔河閘完成閘室底板澆筑,兩側(cè)完成土方填筑但未護砌,上下游圍堰已拆除,具備過洪條件,但后曹閘、彭店閘不具備控泄能力,導(dǎo)流明渠汛期過洪;④各支流防洪閘和沿線排水涵閘尚未修建;⑤沿線部分橋梁尚未施工,部分橋梁引道阻水,形成過流瓶頸;⑥后曹閘下游施工營地保留。

2)鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)邊界條件。中牟、新鄭以上3日降雨610 mm;中牟、新鄭以下降雨量比主城區(qū)明顯減少,7月18日18:00至21日18:00累計降雨304 mm,降雨量級超過100年一遇。圖13為賈魯河流域“7·20”暴雨重現(xiàn)3日降雨量分布。

圖13 賈魯河流域“7·20”暴雨重現(xiàn)3日降雨量分布

賈魯河采用中牟站實測洪水過程,洪峰流量610 m3/s,相當(dāng)于5～10年一遇;雙洎河采用新鄭站實測洪水過程,洪峰流量1 470 m3/s,相當(dāng)于10～20年一遇。兩個水文站“7·20”實測流量過程如圖14所示。

圖14 中牟站和新鄭站“7·20”實測流量過程

3)網(wǎng)格剖分。二維水動力學(xué)模型構(gòu)建范圍從隴海鐵路起至入沙潁河口止,包括賈魯河主河道及兩側(cè)500 m左右的區(qū)域,總面積約196 km2。網(wǎng)格剖分尺寸一般取10 m,但為了更加精準(zhǔn)模擬主河道洪水演進及在關(guān)鍵位置的洪水變化過程,對主河槽、攔河建筑物、支流匯入口等關(guān)鍵位置進行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格剖分尺寸取5～10 m不等,并設(shè)置控制線來保證重點區(qū)域網(wǎng)格剖分精度,最終各區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)達到485萬。典型區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖15所示。

圖15 模型關(guān)鍵位置網(wǎng)格加密示意圖

3.2 模型驗證

為檢驗網(wǎng)格剖分及模擬精度并實現(xiàn)工程防洪效益對比分析,模型在相同地形條件下(賈魯河綜合治理工程實施前),對鄭州“7·20”暴雨洪水全過程進行了復(fù)演模擬,并將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果顯示,模型能較為準(zhǔn)確地反映河道內(nèi)洪水演進、閘站調(diào)度和河道兩側(cè)無堤區(qū)淹沒的全過程,并達到較高的計算精度。通過選取下游特征斷面扶溝水文站位置的洪水過程進行對比,模擬洪峰流量為332 m3/s,實測洪峰流量為312 m3/s,洪峰流量誤差在10%以內(nèi);最高水位模擬值為59.02 m,實測值為59.13 m,誤差在0.20 m以內(nèi);洪峰出現(xiàn)的時間模擬值為2021年7月25日5:05,與實測值2021年7月25日7:20相差在3 h以內(nèi)。各區(qū)域河道、灘地及無堤段兩岸淹沒區(qū)域面積與根據(jù)衛(wèi)星遙感影像分析和現(xiàn)場洪痕調(diào)查的結(jié)果也基本吻合。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)模擬結(jié)果

基于本次構(gòu)建的流域洪水預(yù)報模型和可視化場景,對正在施工建設(shè)的綜合治理工程進行鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)模擬,根據(jù)模擬的水位、流量、流速、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等結(jié)果與各類風(fēng)險的關(guān)鍵控制因子結(jié)合,共分析各類風(fēng)險6類,約129處風(fēng)險點;與2022年“7·20”暴雨期間的遙感影像對比后,淹沒趨勢比較一致,后曹閘施工營地處被淹,雙洎河出現(xiàn)漫堤,擺渡口閘水位安全超高余量很小,需要以底線思維采取防范措施。

鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)模擬的特征斷面洪峰流量和流量過程見圖16和表2,重點部位和重要建筑物模擬結(jié)果示意如圖17和圖18所示。

表2 特征斷面洪峰流量

3.3.2 典型降雨模擬結(jié)果

根據(jù)2022年氣象預(yù)測信息和水利廳防汛預(yù)案,預(yù)測淮北地區(qū)較往年平均降雨量偏多2～4成。依據(jù)此推斷流域內(nèi)控制站點的洪水過程,分析對應(yīng)的降雨和洪水標(biāo)準(zhǔn),確定了不同頻次的兩場模擬情景。

情景一:按淮北地區(qū)較往年平均降雨量偏多4成,相當(dāng)于鄭州“7·20”降雨和洪水的70%。降雨標(biāo)準(zhǔn):中牟、新鄭以下3日降雨210 mm,降雨量級約50年一遇。洪水標(biāo)準(zhǔn):賈魯河洪水約5年一遇;雙洎河洪水約10年一遇。

情景二:淮北地區(qū)較往年平均降雨量偏多2成,相當(dāng)于鄭州“7·20”降雨和洪水的50%。降雨標(biāo)準(zhǔn):中牟、新鄭以下3日降雨150 mm,降雨量級約20年一遇。洪水標(biāo)準(zhǔn):賈魯河洪水約3～5年一遇;雙洎河洪水約5～10年一遇。

采用同樣方法對兩種典型降雨情景進行了模擬,根據(jù)提取的洪水要素,包含重點斷面的水位、堤防彎道處的流速、洪水積水深度和滯留時間等,判別可能發(fā)生洪水淹沒風(fēng)險、洪水沖刷風(fēng)險、洪水倒灌風(fēng)險、橋梁阻水風(fēng)險、堤外積水風(fēng)險等5類風(fēng)險約61處風(fēng)險點。這表明賈魯河綜合治理工程在建期間初步發(fā)揮了一定的防洪減災(zāi)效益。

4 討論

將水文學(xué)與水動力學(xué)模型進行松耦合構(gòu)建了賈魯河洪水預(yù)報模型,并以鄭州“7·20”暴雨重現(xiàn)和典型降雨為輸入條件,將模型應(yīng)用于在建賈魯河流域綜合治理工程防洪度汛的精準(zhǔn)模擬和施工度汛方案的精準(zhǔn)制定。

1)根據(jù)地形特征將賈魯河流域劃分為89個子流域,分別構(gòu)建了新安江模型、NAM等分布式水文模型,動態(tài)模擬山區(qū)、平原、城市等不同地形特征子流域的降雨-產(chǎn)流-匯流過程,計算不同降雨條件下子流域出口的洪水過程。通過對有實測水情數(shù)據(jù)的典型子流域模型參數(shù)進行率定后,相同條件下模擬得到的流量峰值、總徑流量以及洪水過程均與實測數(shù)據(jù)吻合,達到較高的模擬精度,可見實現(xiàn)支流匯水過程模擬的方法是可行的。

2)基于二維非恒定流方程構(gòu)建的賈魯河流域二維河道水力學(xué)模型,范圍覆蓋賈魯河干流以及雙洎河、索須河等24條重要支流。利用該模型模擬了干支流洪水組合后從上游到下游的河道洪水演進過程,將提取的各河道斷面流量、水位、流速過程等在搭建的精細(xì)數(shù)字模型場景中演示,與各類風(fēng)險因子關(guān)鍵要素結(jié)合,可量化分析河道局部沖刷、堤防缺口漫溢、支流倒灌等風(fēng)險的準(zhǔn)確范圍。

3)基于二維非恒定流淺水方程構(gòu)建的多種類型的賈魯河流域河道外二維地表洪水演進模型,用于模擬河道外內(nèi)澇積水、水庫潰壩洪水和河道潰堤洪水在周邊的淹沒演進,分洪后洪水在保留區(qū)內(nèi)的淹沒演進等,可精準(zhǔn)劃分不同頻次降雨對在建工程造成的風(fēng)險影響范圍。

4)基于寬頂堰流等多種經(jīng)驗公式構(gòu)建的各種單體水工建筑水力模型,包括攔河閘、橡膠壩、溢洪道、倒虹吸、管涵、橋涵等,可用于模擬河道上重要水工建筑物控水、阻水、泄水情況,可對各種閘站調(diào)度規(guī)則、調(diào)度方案進行深入研究。

5)構(gòu)建的賈魯河流域各中型水庫調(diào)度模型和水庫群聯(lián)合調(diào)度模型,以入庫洪水為邊界條件,以水庫泄洪洞、溢洪道等泄水建筑物為調(diào)度對象,可以實現(xiàn)后曹閘以上實施聯(lián)合提標(biāo)措施后防洪標(biāo)準(zhǔn)達到100年一遇。

6)基于數(shù)字孿生賈魯河項目構(gòu)建的流域防洪調(diào)度模型和可視化場景,對正在施工建設(shè)的賈魯河綜合治理工程進行不同頻率典型洪水的模擬后,將高精度洪水模擬結(jié)果與各類風(fēng)險因子關(guān)鍵指標(biāo)結(jié)合進行風(fēng)險量化分析,用于在建水利工程編制精準(zhǔn)度汛預(yù)案和實施精準(zhǔn)管理的理念及相關(guān)技術(shù),可為同類河道治理工程施工度汛的精準(zhǔn)指導(dǎo)提供借鑒。

5 結(jié)語

賈魯河數(shù)字孿生流域建設(shè),以“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為目標(biāo),將水文學(xué)模型與水動力學(xué)模型進行松耦合的洪水預(yù)報模型建模方法,能綜合考慮降雨、產(chǎn)流、洪水入庫以及防洪保護區(qū)分洪和河道內(nèi)的閘門調(diào)度、河道演進和淹沒變化的過程,實現(xiàn)了河道、閘站、防洪保護區(qū)的聯(lián)合調(diào)度和洪水全過程仿真模擬,為洪水預(yù)報、洪水預(yù)演、洪水風(fēng)險分析、應(yīng)急處置和避險轉(zhuǎn)移等提供支持。

依據(jù)模擬結(jié)果提取的洪水要素與各類風(fēng)險因子關(guān)鍵指標(biāo)進行量化分析,實現(xiàn)各類風(fēng)險類型、風(fēng)險影響范圍的準(zhǔn)確劃定,并據(jù)此進行防洪度汛應(yīng)急預(yù)案的精準(zhǔn)制定,解決了在建工程在施工期復(fù)雜環(huán)境條件下的精準(zhǔn)洪水風(fēng)險分析、預(yù)警和防汛預(yù)案精準(zhǔn)制定的難題,對于中小流域級別的在建工程依托流域洪水預(yù)報模型進行防洪度汛“四預(yù)”應(yīng)用具有借鑒意義。