周潔　董增川　朱振業(yè)　陳序

摘要：基于實(shí)測斷面資料建立了研究區(qū)的一維水動(dòng)力模型，基于高精度DEM以及1：10000地形圖建立了研究區(qū)的二維水動(dòng)力模型，并用MIKE FLOOD將一維模型和二維模型進(jìn)行耦合，構(gòu)建了洪澤湖周邊滯洪區(qū)一、二維耦合的洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。利用2003年歷史洪水資料對模型參數(shù)進(jìn)行了率定，并以2007年歷史洪水資料進(jìn)行了驗(yàn)證。以洪澤湖百年一遇設(shè)計(jì)洪水為模型上邊界，二河閘、三河閘以及高良澗閘的現(xiàn)行調(diào)度方案的水位-流量關(guān)系為模型下邊界，對洪澤湖百年一遇設(shè)計(jì)洪水方案進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)蔣壩水位達(dá)到14 33 m時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)開始滯洪，得到開始滯洪后不同時(shí)段研究區(qū)內(nèi)各類洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的動(dòng)態(tài)分布情況以及最大淹沒水深、淹沒歷時(shí)，驗(yàn)證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區(qū)洪水演算分析。

關(guān)鍵詞：蓄滯洪區(qū)；洪水演算；洪澤湖；風(fēng)險(xiǎn)要素；MIKE FLOOD

中圖分類號：TV 122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672 1683（2017）05-0056-07

蓄滯洪區(qū)是我國防洪減災(zāi)的重點(diǎn)對象，適時(shí)啟用蓄滯洪區(qū)削減洪峰、分蓄洪水是保障下游和防洪重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域安全的有效措施。為做好防洪減災(zāi)工作，我國高度重視防洪規(guī)劃、防洪減災(zāi)工程建設(shè)與非工程措施部署。其中，洪水演進(jìn)模擬是非工程措施的重要組成部分，是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制的重要依據(jù)。洪水演進(jìn)模擬的研究方法主要有差分法、有限元法、有限體積法等。對于洪水?dāng)?shù)值模擬，國內(nèi)外已有不少專家利用有限差分法和矩形網(wǎng)格建立了二維洪水演進(jìn)模型，但是獨(dú)立的二維模型無法計(jì)算獲得河道中某個(gè)斷面、某個(gè)時(shí)刻的水位和流量等水文要素，尤其在研究區(qū)內(nèi)水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況下，更是難以高精度地模擬水庫調(diào)度、潰口等對河道洪水演進(jìn)的影響。

為了更好更精確的反映決堤后洪水演進(jìn)的情況，本文擬采用以一、二維耦合的水力學(xué)方法，依據(jù)水量守恒及水動(dòng)量守恒原理建立洪水?dāng)?shù)值模型，模擬洪水的恒定及非恒定演進(jìn)過程，分為一維水力學(xué)法和二維水力學(xué)法。其中一維水力學(xué)法是指采用一維非恒定流微分方程即圣維南方程組對河道非恒定流的水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬，該方法能夠獲得每個(gè)模擬時(shí)刻河道內(nèi)的水面線、流量等情況，便于檢查和驗(yàn)證，也便于過程控制。二維水力學(xué)方法采用淺水方程來模擬洪水在淹沒區(qū)域內(nèi)耕地、林地、山丘區(qū)、道路等演進(jìn)的情況，與一維數(shù)學(xué)模型相比，二維數(shù)學(xué)模型能夠提供更加詳細(xì)的水情信息，如：淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)等情況。目前世界上最為廣泛應(yīng)用的丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute）研發(fā)的MIKE軟件，包含MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等多個(gè)功能強(qiáng)大的模塊，其中MIKEFLOOD模塊可以模擬一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)以及二維的洪泛區(qū)，實(shí)現(xiàn)一維和二維區(qū)域之間自由的水體交換，適用于宏觀上的流域控制性工程規(guī)模論證分析和流域洪水調(diào)度研究等。本文以洪澤湖地區(qū)為例，利用MIKE FLOOD建立一、二維耦合的洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬研究。

1研究區(qū)概況

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫，地處蘇北平原中部偏西，位于淮河中下游結(jié)合部，承泄淮河上、中游15.8萬km³的來水，總庫容135億m³。地貌上，湖西、湖南為低山崗阜，湖西崗隴和洼地寬窄不等、“三洼四崗”高低相間；湖南區(qū)蔣壩至盱眙縣城是連綿的低山，湖東、湖北由河湖沖刷堆積而成的平原，地勢低下。洪澤湖整體呈西北高東南低的形態(tài)。洪澤湖周邊滯洪區(qū)位于洪澤湖大堤以西，廢黃河以南，泗洪縣西南高地以東，包含盱眙縣的沿湖、沿淮地區(qū)，地面高程在16.83 m（1985國家高程，下同）以下，涉及淮安、宿遷兩市的淮陰區(qū)、洪澤縣、盱眙縣和宿城區(qū)、泗洪縣、泗陽縣六縣區(qū)部分地區(qū)，還有省屬洪澤湖、三河農(nóng)場，滯洪區(qū)面積2132 k m³。

洪澤湖入湖河流主要在湖西部，有淮河、懷洪新河、新老濉河、新老汴河和徐洪河、安東河等，在湖北側(cè)入成子湖的河流有古山河、五河、肖河等，南側(cè)主要入湖河道為維橋河、高橋河，淮河入量占流入總量的70%以上。區(qū)域內(nèi)地勢外高內(nèi)低，唯一排水出路即洪澤湖湖區(qū)，洪澤湖洪水由三河閘、二河閘、高良澗閘分別經(jīng)入江水道、入海水道、分淮入沂、灌溉總渠入江入海。區(qū)域防洪工程包括外圍防洪、內(nèi)部防洪工程，主要為迎湖擋洪堤和河道堤防。入湖控制建筑物主要有團(tuán)結(jié)閘、高松河閘、古山河閘、西民便河閘、安東河閘、濉河閘、老汴河閘等。出湖控制建筑物主要是三河閘、二河閘、高良澗閘；區(qū)域內(nèi)防洪工程主要有滯洪區(qū)間內(nèi)部河道堤防和排澇涵閘、泵站。詳見圖1。

2模型構(gòu)建

2.1模型控制方程

描述一維水流運(yùn)動(dòng)的Saint-Venant方程組是建立在質(zhì)量和能量守恒的基礎(chǔ)上的，以水位和流量為研究對象，其表達(dá)式為：

2.2河道一維模型

一維河網(wǎng)的洪水運(yùn)動(dòng)用Saint-Venant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Saint-Venant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。另外，在天然河道中普遍存在著諸如支流交匯、集中分（入）流、洼地蓄水、斷面突擴(kuò)（縮）、堰、閘等，在這些局部地區(qū)，由于水流受固體邊壁的影響，水流流態(tài)急變，Saint-Venantt方程組不再適用，必須重新根據(jù)守恒定律，補(bǔ)充必要的計(jì)算條件，這類計(jì)算條件是位于域內(nèi)的物理?xiàng)l件，稱之為內(nèi)邊界條件。

洪澤湖周邊滯洪區(qū)內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜，著重提取對洪水分析比較重要的河流溝渠來構(gòu)造河網(wǎng)模型，包括主要通湖河道、出湖通道以及圩內(nèi)河道等。收集了128條主要河道的實(shí)測斷面資料，對圩內(nèi)河道進(jìn)行一定的概化，概化后的一維河網(wǎng)共有500多個(gè)河段，見圖2。模型以淮河、懷洪新河、徐洪河、新汴河、新濉河、老濉河等主要通湖河道的入湖流量作為河道的上邊界，以三河閘、二河閘和高良澗閘的水位或者水位一流量關(guān)系作為下邊界條件。endprint

2.3洪泛區(qū)二維模型

2.3.1線狀地物處理

區(qū)內(nèi)線狀地物處理主要為圩區(qū)堤防與重要道路的處理。由于原始道路節(jié)點(diǎn)間距不規(guī)則，劃分網(wǎng)格時(shí)容易產(chǎn)生小網(wǎng)格，對模型計(jì)算不利，為此，對道路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理。道路抽稀長度控制為200 m一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)道路測量高程點(diǎn)對道路進(jìn)行打斷，并將高程點(diǎn)作為分段道路的高程，之后對交匯點(diǎn)進(jìn)行修正，使所有交匯點(diǎn)都完全擬合，作區(qū)內(nèi)擋水建筑物處理。本次研究將縣道及縣道以上道路均納入模型中，合計(jì)49條，對縣道以下有實(shí)測資料的道路經(jīng)過修正后納入模型，區(qū)域共概化道路1634段。洪澤農(nóng)場是研究區(qū)內(nèi)面積最大的圩區(qū)，其內(nèi)部道路概化情況見圖3。

2.3.2網(wǎng)格剖分

研究區(qū)二維地形采用1：10000地形圖以及5 m×5 m的高精度DEM資料，采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，充分反映計(jì)算區(qū)域的地形特征。對區(qū)域內(nèi)的典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經(jīng)合理概化，并對網(wǎng)格適當(dāng)加密，在二維地形中充分反映其特征。最大網(wǎng)格面積不超過0.1km²，其中湖面網(wǎng)格適當(dāng)放大，最大網(wǎng)格面積不超過1km²。共剖分網(wǎng)格85 894個(gè)，見圖4。

2.4一二維耦合模型

MIKE FLOOD是把一維模型和二維模型連接在一起，進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合的模型系統(tǒng)，耦合模型既利用了一維模型和二維模型的優(yōu)點(diǎn)，又避免采用單一模型時(shí)遇到的網(wǎng)格精度和準(zhǔn)確性方面的問題。將一、二維模型通過MIKE FLOOD進(jìn)行耦合計(jì)算，耦合點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)連接或側(cè)向連接進(jìn)行計(jì)算。其中，標(biāo)準(zhǔn)連接是將連接線映射到一個(gè)或多個(gè)二維網(wǎng)格的耦合線上，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。側(cè)向連接允許二維模型的網(wǎng)格單元從側(cè)面連接到一維模型的部分河段甚至是整個(gè)河段，利用建筑物的流量公式來計(jì)算通過側(cè)向連接的水流。

本次模型的耦合方式主要采用MIKE FLOOD提供的標(biāo)準(zhǔn)連接和側(cè)向連接，其中，通湖河道與洪澤湖湖區(qū)、進(jìn)洪口門與洪泛區(qū)主要采用了標(biāo)準(zhǔn)連接；實(shí)測河道與洪泛區(qū)主要采用了側(cè)向連接。

3模型參數(shù)率定驗(yàn)證

3.1參數(shù)選取

糙率是表征河道底部、岸坡和洪泛區(qū)地表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)，包括一維河道糙率和二維洪泛區(qū)糙率。根據(jù)水普下墊面信息，確定不同區(qū)域的糙率值，將下墊面數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，創(chuàng)建糙率分區(qū)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形、地貌和河道實(shí)際情況確定初始糙率值。

3.2模型率定

2003年淮河流域發(fā)生了1954年以來最大洪水，洪澤湖蔣壩水位最高達(dá)14.20 m，采用2003年6月26日-7月31日的實(shí)測降雨和洪澤湖的出湖水位及蔣壩等四個(gè)水位站的水位資料對模型進(jìn)行率定，模型計(jì)算范圍內(nèi)水位站分布見圖5。將實(shí)測入流過程和洪澤湖出湖水位過程輸入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算的洪澤湖水位過程與實(shí)測水位進(jìn)行對比分析，來率定參數(shù)。糙率率定結(jié)果見表1。

根據(jù)實(shí)測資料和模型計(jì)算值對比可知，計(jì)算的蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴水位及變化過程與2003年實(shí)測水位基本一致，見圖6。

3.3模型驗(yàn)證

根據(jù)之前率定確定的模型參數(shù)，采用2007年的實(shí)測入流和洪澤湖的出湖水位及蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴四個(gè)水位站的水位資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證。選取2007年7月1日-8月3日作為計(jì)算時(shí)段，將計(jì)算的洪澤湖水位過程與實(shí)測水位進(jìn)行對比分析，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性與合理性。

根據(jù)實(shí)測資料和模型計(jì)算值對比可知，計(jì)算的蔣壩、臨淮頭站、香城莊站、尚嘴站水位及變化過程與2007年實(shí)測水位基本一致，見表2。綜合以上率定驗(yàn)證成果可知，所建模型較好地重現(xiàn)了2003年及2007年研究區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)過程。

4滯洪模擬計(jì)算

以現(xiàn)狀工況遇洪澤湖百年一遇入流情況進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，模型的上邊界為1996年淮委規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的入湖設(shè)計(jì)洪水流量過程，下邊界為洪澤湖出口的水位一流量關(guān)系曲線，見表3。根據(jù)相關(guān)調(diào)度規(guī)則，當(dāng)洪澤湖蔣壩水位達(dá)到14.33 m且有上漲趨勢時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)一次性破圩滯洪。利用之前構(gòu)建的一、二維耦合模型對洪澤湖周邊滯洪區(qū)進(jìn)行滯洪模擬，不僅可以得到最終時(shí)刻的淹沒要素，還能得到洪水演進(jìn)過程中，任意網(wǎng)格任意時(shí)刻的洪水淹沒要素，如淹沒水深、流速、流向等。

洪澤湖百年一遇入流情況及模型模擬計(jì)算得到的總?cè)肓?、總出流及蔣壩水位過程見圖7，模型模擬時(shí)長為42 d，最大入湖流量21703 m³/s，最大出湖流量為18 160 m³/s，總計(jì)入湖水量為546 3億m³，總計(jì)出湖為500 9億m³/s，蔣壩初始水位為13.33m，最高水位達(dá)15.16 m；當(dāng)模型運(yùn)行至第7 d時(shí)，蔣壩水位超過14 33 m時(shí)，滯洪區(qū)開始滯洪；當(dāng)模型運(yùn)行至第21 d時(shí)，滯洪區(qū)達(dá)到最大滯洪量，最大滯洪量為17.63億m³。

不同時(shí)刻研究區(qū)內(nèi)淹沒水深圖見圖8。由于研究區(qū)內(nèi)圩區(qū)眾多，每個(gè)圩區(qū)都有獨(dú)立的進(jìn)洪口門，概化的314個(gè)圩區(qū)在達(dá)到滯洪條件，即洪澤湖蔣壩水位達(dá)到14.33 m時(shí)，同時(shí)開始滯洪，在整個(gè)研究區(qū)最初會出現(xiàn)多個(gè)淹沒區(qū)域，隨著時(shí)間的推移，區(qū)內(nèi)被洪水淹沒的面積逐步變大，淹沒水深也逐步上升。當(dāng)t=170h時(shí)，蔣壩水位14.33 m，達(dá)到滯洪條件，開始滯洪。圖8（b）是開始滯洪12 h后的淹沒情況，由于314個(gè)圩區(qū)同時(shí)破圩滯洪，滯洪量迅速增加，蔣壩水位不僅減緩了上升趨勢，還有些許下降，此時(shí)蔣壩水位14.27 m，滯洪量3.27億m³，淹沒面積3.11 km²；圖8（c）是開始滯洪后24 h的淹沒情況，此時(shí)蔣壩水位14.25 m，滯洪量達(dá)到4.80億m³，淹沒面積400.50 km²；隨著入湖流量的持續(xù)增加，滯洪區(qū)水位不斷上升，滯洪量漸漸達(dá)到飽和，削峰效果已不如剛破圩滯洪時(shí)顯著，洪澤湖水位持續(xù)升高。當(dāng)t=504 h時(shí)，蔣壩水位15.08 m，滯洪區(qū)達(dá)到最大滯洪量17.63億m³，淹沒面積940.02 km²。

通過模擬計(jì)算，該區(qū)域最大淹沒面積940.02km³，最大淹沒歷時(shí)35 d。不同淹沒水深對應(yīng)的淹沒面積、不同淹沒歷時(shí)對應(yīng)的淹沒面積見表4、表5。由表可知，隨著淹沒水深、淹沒歷時(shí)的增大，淹沒面積均相應(yīng)增大，淹沒水深、淹沒歷時(shí)在研究區(qū)內(nèi)分布合理。

5結(jié)論

為了更準(zhǔn)確的反映決堤后洪水演進(jìn)的情況，采用一、二維耦合的水力學(xué)方法，建立洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。其中，河道一維模型能夠獲得每個(gè)模擬時(shí)刻河道內(nèi)的水面線、流量等情況，洪泛區(qū)二維模型能夠提供更加詳細(xì)的水情信息。

利用2003年、2007年歷史洪水資料對模型中主要參數(shù)糙率進(jìn)行率定驗(yàn)證，將實(shí)測資料和模型計(jì)算值對比分析合理性，結(jié)果表明，水位變化趨勢、最高洪水位到達(dá)時(shí)間基本一致，具有較高的模擬精度，能夠反映模型模擬的準(zhǔn)確性。

對現(xiàn)狀工況遇洪澤湖百年一遇入流的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得到各風(fēng)險(xiǎn)要素在研究區(qū)內(nèi)的分布情況，驗(yàn)證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區(qū)洪水模擬及風(fēng)險(xiǎn)分析。endprint