河道治理工程洪水設(shè)計(jì)模擬研究

李盼盼

(遼寧遼河水利工程有限公司,沈陽(yáng) 110000)

關(guān)于大中型流域的相關(guān)研究,大多根據(jù)暴雨資料或?qū)崪y(cè)流量來(lái)推導(dǎo)出設(shè)計(jì)洪水或計(jì)算洪峰,而對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)的小流域,通常會(huì)使用經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)計(jì)算洪峰[1-4]。然而,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,分布式水文模型在洪峰計(jì)算等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用,該模型通過(guò)利用雷達(dá)、RS(遙感技術(shù))、GIS(地理信息系統(tǒng))等技術(shù)獲取的信息作為數(shù)據(jù)源,將研究區(qū)分成不規(guī)則三角網(wǎng)和柵格網(wǎng)等基本單元,從空間上探究響應(yīng)因素的分布特征。一般地,將這種模型分為基于物理過(guò)程和概念性的兩類,其中概念式模型假設(shè)子單元或流域相互獨(dú)立,通過(guò)疊加計(jì)算得到整個(gè)流域的水文響應(yīng),SWAT模型是常見(jiàn)的概念式模型?；谖锢磉^(guò)程的模型通過(guò)一定的求解條件和一組微分方程來(lái)分析流域的產(chǎn)匯流規(guī)律,該模型結(jié)構(gòu)緊密耦合,其中MIKE SHE和TOPMODEL是該類的典型代表。分布式水文模型的發(fā)展與RS、GIS、DEM等技術(shù)的快速發(fā)展密切相關(guān),這些技術(shù)為分布式水文模型提供了重要的支撐,使其能夠更好地模擬和分析流域內(nèi)各種水文響應(yīng)因素,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的洪峰計(jì)算[5]。因此,本研究利用MIKE SHE模型模擬了不同工況及現(xiàn)狀條件下法庫(kù)縣遼河段的暴雨洪水過(guò)程,通過(guò)對(duì)比工程水文成果與模擬洪水過(guò)程,可為流域防洪治理及其水利設(shè)施、堤防維修養(yǎng)護(hù)提供一定指導(dǎo)。

1 河流概況

遼河上游分成西、東兩支,東、西遼河于遼寧省昌圖縣長(zhǎng)發(fā)鎮(zhèn)王子村福德店匯流后形成遼河干流。遼河法庫(kù)縣境內(nèi)河道長(zhǎng)度49.2km,流域面積736.31km2,堤防長(zhǎng)36.7km,無(wú)堤段3km,允許最大泄洪量2600-5500m3/s,流經(jīng)法庫(kù)縣東、南兩段,4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),13個(gè)村屯,保護(hù)人口8.59萬(wàn)人,耕地9800hm2,現(xiàn)有險(xiǎn)工6處,穿堤建筑物6處,攔河橡膠壩2座,跨河橋梁2座。

據(jù)調(diào)查,遼河法庫(kù)縣段堤防兩側(cè)為土坡兩側(cè)堤坡草生長(zhǎng)茂盛對(duì)堤防存在安全隱患,部分堤防段存在雨淋溝,危及堤防安全。另外,由于水土流失境內(nèi)大部分河流均有不同程度的淤積,部分河段淤塞,防洪能力普遍下降,洪水災(zāi)害日益頻繁,急需實(shí)施防洪治理,河道設(shè)計(jì)洪水的準(zhǔn)確合理計(jì)算是實(shí)施防洪治理工程的關(guān)鍵,有必要利用合適的方法準(zhǔn)確模擬分析不同工況及現(xiàn)狀暴雨洪水過(guò)程。

2 MIKE SHE模型模擬

本研究充分考慮流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)、土壤植被、水文氣象和地形地貌,應(yīng)用MIKE SHE水文水動(dòng)力模型計(jì)算分析法庫(kù)縣遼河產(chǎn)匯流特點(diǎn)[6]。對(duì)法庫(kù)縣遼河段歷年的大洪水和大暴雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,重點(diǎn)關(guān)注近期出現(xiàn)暴雨洪水時(shí)段,例如選擇2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨數(shù)據(jù),使用這些數(shù)據(jù)來(lái)率定MIKE SHE參數(shù)。在率定參數(shù)后固定這些數(shù)值,然后對(duì)地表初始水深等實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行微調(diào),以應(yīng)對(duì)可能因場(chǎng)次洪水而發(fā)生改變的情況。根據(jù)2019年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的實(shí)測(cè)暴雨過(guò)程,模擬現(xiàn)狀工況以驗(yàn)證分析模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1 模型分析

MIKE SHE模型對(duì)于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)蓄滿產(chǎn)流地區(qū)具有較好的適用性,并具備較好的物理意義。對(duì)于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的法庫(kù)縣遼河段,可以利用MIKE SHE模型進(jìn)行汛期降雨洪水過(guò)程的模擬分析[7]。一般來(lái)說(shuō),洪水形成之前會(huì)發(fā)生多場(chǎng)次小量級(jí)降水,這會(huì)增加土壤含水量使其達(dá)到飽水狀態(tài),加快產(chǎn)流速度。因此,在模擬暴雨過(guò)程時(shí),需要考慮到蓄滿產(chǎn)流的情況,這也是應(yīng)用MIKE SHE模型模擬的必要條件。

MIKE SHE模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊由6個(gè)相互聯(lián)系且彼此獨(dú)立的子模塊構(gòu)成,包括融雪 SM、飽和帶 SZ、不飽和帶 UZ 、明渠流 OC 、坡面流 OL 和氣候ET模塊,各水文過(guò)程都對(duì)應(yīng)一個(gè)子模塊。對(duì)于法庫(kù)縣遼河段汛期洪水,在模擬分析過(guò)程匯總不需要考慮融雪和飽和帶模塊[8]。

MIKE SHE模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊主要是由6個(gè)相互聯(lián)系且彼此獨(dú)立的子模塊構(gòu)成,這種模塊化結(jié)構(gòu)包括融雪SM模塊、飽和帶SZ模塊、不飽和帶UZ模塊、明渠流OC模塊、坡面流OL模塊和ET氣候模塊[9]。對(duì)于每個(gè)水文過(guò)程都存在與之對(duì)應(yīng)的子模塊,汛期大洪水過(guò)程中法庫(kù)縣遼河段地下飽和帶水流較為穩(wěn)定,不涉及融雪,故不考慮融雪模塊和飽和帶模塊的模擬分析。

2.2 數(shù)據(jù)資料

1)地形數(shù)據(jù)。采用地形尺度5m、分辨率1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù),在CGCS2000系統(tǒng)中建立地圖坐標(biāo)系。由于研究區(qū)涉及范圍較廣,以50m精度柵格進(jìn)一步轉(zhuǎn)換DEM數(shù)據(jù),經(jīng)填挖等操作處理后,將地形數(shù)據(jù)輸入MIKE SHE模型。

2)水文數(shù)據(jù)。研究河段蒸發(fā)量取5mm/s,統(tǒng)計(jì)分析法庫(kù)縣遼河段歷年前10場(chǎng)大洪水及大暴雨數(shù)據(jù),重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)大暴雨洪水近期發(fā)生的時(shí)間,研究選用2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證及率定模型參數(shù),將雨量站實(shí)測(cè)雨量時(shí)間序列及流域內(nèi)場(chǎng)次洪水輸入泰森多邊形內(nèi),以此完成對(duì)降雨量的處理。

3)河道斷面數(shù)據(jù)。河網(wǎng)文件中包含55條二、三級(jí)和23條一級(jí)支流,并考慮實(shí)測(cè)斷面資料和概化模型提取支流及其它河段數(shù)據(jù)。

4)用地類型數(shù)據(jù)。法庫(kù)縣土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家土壤數(shù)據(jù)共享平臺(tái),通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及用戶手冊(cè)確定各用地類型的坡面糙率值[10]。

5)邊界條件。本研究統(tǒng)一將上游邊界條件設(shè)為0m3/s,結(jié)合潮位觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定南遼河三面船段邊界水位,并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE SHE模型。

2.3 參數(shù)率定

根據(jù)法庫(kù)縣遼河段歷年實(shí)測(cè)大洪水及大暴雨數(shù)據(jù),并選用2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證及率定模型參數(shù),其中2007年、2012年實(shí)測(cè)洪峰流量為330m3/s和336m3/s。模型控制條件取最大3d洪量。通過(guò)“試錯(cuò)法”逐步調(diào)整模型參數(shù),經(jīng)多次試錯(cuò)最終保證最大3d洪量級(jí)模擬洪峰誤差不超過(guò)5%,經(jīng)率定確定模型的最終參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 法庫(kù)縣遼河流域模型參數(shù)值

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)洪水模擬

根據(jù)工程最不利的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成原則計(jì)算法庫(kù)縣遼河段歷次設(shè)計(jì)洪水,通過(guò)上、下段同頻率控制推求相應(yīng)區(qū)間的設(shè)計(jì)暴雨[11-14]?？紤]到研究河段內(nèi)分洪控制點(diǎn)、滯洪區(qū)、水庫(kù)節(jié)點(diǎn)較多且地形差異較大的情況,研究將5個(gè)控制段進(jìn)一步細(xì)分成40個(gè)單元。研究選用降雨徑流關(guān)系法,即利用歷史降雨和徑流數(shù)據(jù)建立降雨與徑流關(guān)系的方程或曲線,以估計(jì)產(chǎn)流和水流量,并利用瞬時(shí)單位線法,通過(guò)單位線與實(shí)際降雨流量曲線進(jìn)行卷積運(yùn)算計(jì)算產(chǎn)流過(guò)程。

在洪水組合計(jì)算中,考慮分洪控制工程包括各種堤壩、堰閘和泄洪設(shè)施,滯洪區(qū)以及水庫(kù)調(diào)度等因素。使用率定好的MIKE SHE模型,通過(guò)輸入50a一遇的設(shè)計(jì)暴雨來(lái)模擬洪水過(guò)程,通過(guò)對(duì)比降雨徑流關(guān)系法、瞬時(shí)單位線法和MIKE SHE模型計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水如表2所示,評(píng)估該方法的準(zhǔn)確性和適用性。

表2 不同方法模擬的設(shè)計(jì)洪水量

由表2可知,采用工程水文學(xué)法和MIKE SHE模型計(jì)算的南遼河三面船段設(shè)計(jì)洪水總量為118000m3/s、114400m3/s,兩者之間的誤差只有3.15%。根據(jù)工程水文學(xué)法和MIKE SHE模型模擬計(jì)算的河道洪水總量及流域內(nèi)坡面水存儲(chǔ)總量相對(duì)差均不超過(guò)5%,研究表明扣除下滲、蒸散發(fā)等損失后,兩種方法計(jì)算的水量基本平衡。

對(duì)于各個(gè)斷面,采用工程水文學(xué)法計(jì)算的洪水過(guò)程與MIKE SHE模型模擬的洪水過(guò)程線變化趨勢(shì)基本一致,以南遼河三面船段為例,兩種方法計(jì)算的洪水過(guò)程線如圖1所示。

圖1 南遼河三面船段流量過(guò)程線

由圖1可以看出,MIKE SHE模型相較于工程水文學(xué)法模擬的峰現(xiàn)時(shí)間有所推移,這是因?yàn)槭芎恿魉c坡面水交互作用、地形條件等因素影響使得峰現(xiàn)時(shí)間推遲,而洪峰流量水文計(jì)算成果是河道治理工程重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容,MIKE SHE模型相比于工程水文學(xué)法模擬結(jié)果略有減小,研究成果可以為河道整治特別是防洪治理提供科學(xué)參考依據(jù)。

3.2 不同工況模擬

對(duì)法庫(kù)縣遼河段2021年現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況下的暴雨洪水過(guò)程利用上述率定好的模型進(jìn)行模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及模擬結(jié)果,可以為洪澇嚴(yán)重河段的防洪治理規(guī)劃提供一定指導(dǎo),通過(guò)對(duì)比規(guī)劃和現(xiàn)狀工況下的模擬結(jié)果能夠?yàn)楹拥婪篮橹卫硇Чu(píng)價(jià)提供參考。

在率定好的MIKE SHE模型中輸入2021年8月法庫(kù)縣遼河段6個(gè)雨量站實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù),然后向Arc GIS系統(tǒng)中導(dǎo)入以上模擬成果,研究分析淹沒(méi)水深及范圍。結(jié)合模擬成果,法庫(kù)縣遼河段規(guī)劃整治工程主要有新建排澇泵站、干支流堤防及水利設(shè)施維修養(yǎng)護(hù)等。研究模擬規(guī)劃工程時(shí),以現(xiàn)狀工況為基礎(chǔ)按照點(diǎn)源的方式,通過(guò)合理布設(shè)泵站和替換現(xiàn)狀斷面,將支流洪水匯入干流模擬規(guī)劃工況下的洪水過(guò)程,成果如表3所示。

表3 最大澇水時(shí)刻

由表3可知,在模擬至8月12日3:00時(shí),兩種工況均出現(xiàn)了坡面最大澇水,在模擬至8月13日20:00時(shí),規(guī)劃工況下大量積水已經(jīng)退去,但部分低洼區(qū)仍然存在澇水;現(xiàn)狀工況下坡面仍存在約15cm深的積水,模擬至8月15日4:00時(shí),所有坡面積水基本已經(jīng)退去。由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩種工況對(duì)坡面積水分布特征的影響較小,規(guī)劃與現(xiàn)狀工況相比,其坡面退水時(shí)間提前28h,排水效果較為明顯。通過(guò)模擬現(xiàn)狀和規(guī)劃工況下法庫(kù)縣遼河段澇水分布情況,可以為改善流域的澇情以及河道防洪整治工程提供實(shí)時(shí)定量分析的參考,有利于決策者了解不同工況下的澇水情況,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)改善流域內(nèi)的澇情和防洪能力。

4 結(jié) 論

文章以法庫(kù)縣遼河段為例,采用歷年實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)率定MIKE SHE模型參數(shù),并采用率定后的模型研究分析暴雨洪水過(guò)程,研究成果可以為覆蓋范圍大、地形條件復(fù)雜的河流洪水設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)狀及規(guī)劃工況下的暴雨洪水模擬結(jié)果,可以為河道防洪整治工程的實(shí)施及其改善流域澇情作用效果定量評(píng)價(jià)提供一種新的途徑?，F(xiàn)有研究主要側(cè)重于設(shè)計(jì)洪水及大洪水分析,模擬實(shí)時(shí)洪水及暴雨的研究還較少,未來(lái)仍需考慮水文條件、降水等因素不斷改善模型,進(jìn)一步提升模擬結(jié)果可靠性與有效性。