曹 琨，宋穎玲，馬壯壯，石文凱

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 1300231；2.遼寧省水文水資源勘測局大連分局，遼寧 大連 116000）

1 模型構(gòu)建思路及建模范圍

1.1 模型構(gòu)建思路

洪水分析方法包括水文學(xué)法、水力學(xué)法和實(shí)際水災(zāi)法等。鑒于研究區(qū)域河道斷面資料與防洪保護(hù)區(qū)地形資料比較齊全，且精度較高，這次洪水分析采用能夠反映實(shí)際情況變化影響和預(yù)測分析洪水風(fēng)險(xiǎn)特征的水力學(xué)法。［1］

選用國家防汛抗旱總指揮部辦公室下發(fā)的全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目，可采用的軟件名錄中的DHI MIKE ZERO系列軟件。其中，河道洪水與潰堤洪水模擬采用MIKE 11軟件，淹沒區(qū)洪水模擬采用MIKE 21軟件，三者耦合求解采用MIKE FLOOD軟件控制。［2］

在模型構(gòu)建時(shí)，分前處理過程、數(shù)值計(jì)算過程以及后處理過程。其中，前處理過程主要是處理地形資料、河網(wǎng)資料、上下邊界文件等，供數(shù)值計(jì)算過程使用。數(shù)值模擬過程主要涉及初始條件的設(shè)置、時(shí)間步長的設(shè)置以及參數(shù)率定。后處理過程主要是提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)并展示，分析結(jié)果的可靠性和精確性等。

1.2 建模范圍

吉林省西遼河右岸防洪保護(hù)區(qū)位于平齊鐵路線白沙鐵路橋段以上區(qū)域，白沙鐵路橋段以下為內(nèi)蒙古地區(qū)，潰堤洪水進(jìn)入右岸防洪保護(hù)區(qū)的洪水演進(jìn)至白沙鐵路橋處可通過橋孔流入內(nèi)蒙古地區(qū)。建模范圍見圖1。

圖1 建模范圍圖

2 水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 河道一維模型

2.1.1 河網(wǎng)連接設(shè)置

河網(wǎng)中各個(gè)河道的位置通過河道骨架線控制，再通過地形文件描述各個(gè)斷面的形狀。河網(wǎng)文件描述了一維河道的位置、連接、走向，該研究綜合利用衛(wèi)星遙感影像中河道影像及電子地形圖中的矢量河道中心線作為模型中的河網(wǎng)骨架線。在西遼河干流上潰口選定位置處設(shè)置虛擬河道分水，潰口以標(biāo)準(zhǔn)連接形式設(shè)置在虛擬河道上。

2.1.2 河道斷面設(shè)置

西遼河分析河段從入吉林省處到東遼河、西遼河匯河口處，共長91 km，共布設(shè)64條橫斷面。東遼河分析河段共長111 km，共布設(shè)54條橫斷面。遼河干流分析河段長980 m，共布設(shè)2條橫斷面。平均橫斷面間距2.09 km。

2.2 泛濫區(qū)二維模型

2.2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格生成技術(shù)是計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算水力學(xué)成功實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的關(guān)鍵前提之一，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的收斂及精度。網(wǎng)格生成的實(shí)質(zhì)是物理求解域與計(jì)算求解域的轉(zhuǎn)換，在求解具有復(fù)雜幾何形狀的流場時(shí)，適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格生成是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。

網(wǎng)格布置應(yīng)符合水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、易于建立、比較光滑和規(guī)則、滿足計(jì)算精度和穩(wěn)定性要求、便于組成高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、必要時(shí)可隨時(shí)依解的梯度做適應(yīng)性調(diào)整等原則。無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)性好、局部加密靈活和便于自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，能很好地模擬自然邊界及復(fù)雜的水下地形，提高邊界模擬精度，因此這次洪水風(fēng)險(xiǎn)分析采用三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對洪水淹沒影響區(qū)域進(jìn)行剖分。采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算范圍內(nèi)區(qū)域的網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格剖分過程中，以西遼河右岸防洪保護(hù)區(qū)的計(jì)算范圍作為邊界約束條件，將河流等導(dǎo)水通道以及各類阻水建筑物作為內(nèi)部約束條件，并控制最大網(wǎng)格面積不超過0.1 km2為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于特殊地形地物，如公路、鐵路及地形突變等，進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理。［3］

2.2.2 線狀地物處理

前期已收集防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)影響洪水演進(jìn)的線狀構(gòu)筑物基本參數(shù)，主要包括：阻水建筑物寬度、高程等。模型中，用線狀計(jì)算模塊DIKE來概化方案中各線狀構(gòu)筑物。對各線狀阻水構(gòu)筑物中橋、涵等過水建筑物的概化，采用在地形中相應(yīng)位置不加阻水線狀物高程，直接用大地地形或中斷DIKE、設(shè)置缺口的方法進(jìn)行處理。當(dāng)橋涵跨度較小時(shí)，洪水流場發(fā)生突變，模型計(jì)算會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此這次概化采取將幾個(gè)小跨度橋涵并成一個(gè)大跨度缺口，并適當(dāng)修改地形、加高局部地形網(wǎng)格的方法解決模型不穩(wěn)定的問題。概化后水流總體流路與實(shí)際地形條件基本吻合。

2.3 一、二維耦合模型

河道一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和二維泛濫區(qū)的模型是通過MIKE ZERO里的MIKE FLOOD建立耦合連接的。河道里的水通過潰口所在虛擬支流流出，在MIKE FLOOD里地形的相應(yīng)位置處設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)連接LINK模塊，使水進(jìn)入泛濫區(qū)。當(dāng)二維堤防沿線水位高于堤頂高時(shí)發(fā)生回流時(shí)，在MIKE FLOOD里地形的相應(yīng)位置處設(shè)置側(cè)向連接，使水從二維漫進(jìn)一維河道。

3 模型參數(shù)選取與率定

3.1 河道模型參數(shù)率定

河道一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)是糙率。根據(jù)這次收集的三江口省界堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)推求的本河段設(shè)計(jì)洪水水面線作為參考依據(jù)，結(jié)合鄭家屯水文站實(shí)測洪水資料，調(diào)試率定河段糙率。

分析河段內(nèi)鄭家屯水文站1998年實(shí)測洪水，作為典型推求100年一遇洪水設(shè)計(jì)洪水過程線作為上游邊界條件，推求河段洪水水面線，并據(jù)此與三江口省界堤防工程可研設(shè)計(jì)時(shí)推求的該河段設(shè)計(jì)洪水水面線作為比較，反復(fù)調(diào)試河道糙率，直至這次推求的河段洪水水面線與三江口省界堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)推求的水面線符合較好。

這次水面線模擬成果與堤防可研水面線成果符合較好，模擬值與可研成果比較水位最大相差19 cm。兩者水位相差原因是這次采用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型計(jì)算水面線，而堤防可研設(shè)計(jì)，采用簡化的恒定非均勻流公式計(jì)算水面線，兩種方法計(jì)算成果存在一定差別。調(diào)試參數(shù)率定結(jié)果顯示，西遼河干流河道各河段主槽糙率變化范圍在0.027～0.035之間，灘地糙率變化范圍在0.03～0.06之間。

3.2 二維模型參數(shù)選取

防洪保護(hù)區(qū)下墊面類型及糙率的選取，對洪水分析結(jié)果有較大影響，地表類型及糙率確定的準(zhǔn)確性，取決于對下墊面地物分析的精度和用來率定模型糙率所需的實(shí)際洪水資料的準(zhǔn)確性和全面性。由于防洪保護(hù)區(qū)暫時(shí)無率定模型糙率的實(shí)測或調(diào)查洪水資料，這次收集了的雙遼市土地利用規(guī)劃圖中的西遼河右岸防洪保護(hù)區(qū)土地利用和地物分布情況，同時(shí)，采用ERDAS IMAGINE軟件提取和分析該區(qū)域衛(wèi)星圖片地表信息的方法，來復(fù)核了土地利用規(guī)劃圖中地物分布情況，兩者主要地物分布基本一致。因此，該次根據(jù)土地利用規(guī)劃圖土地利用和地物分布情況，并參考《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》［1］有關(guān)于各類下墊面糙率的數(shù)值選取下墊面糙率。保護(hù)區(qū)內(nèi)主要地物情況為旱田、村莊、林地、樹叢以及道路，其中旱田地區(qū)為保護(hù)區(qū)內(nèi)最基本地物類型，占整個(gè)保護(hù)區(qū)面積的約80%。旱田地區(qū)糙率選取為0.06，村莊地區(qū)糙率選取為0.07，林地地區(qū)糙率選取為0.065，樹叢地區(qū)糙率選取為0.06，道路地區(qū)糙率選取為0.035。

4 模型驗(yàn)證

4.1 一維水動(dòng)力模型驗(yàn)證

這次洪水分析計(jì)算河段內(nèi)以鄭家屯水文站作為模型驗(yàn)證依據(jù)站。以該站實(shí)測洪水過程進(jìn)行模型驗(yàn)證，計(jì)算初始流量給定為上邊界的計(jì)算初始流量，各斷面初始水位值通過對上下邊界計(jì)算初始時(shí)刻水位值線性插值得到。將模型計(jì)算的鄭家屯站斷面流量過程、水位與實(shí)測流量過程、水位進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型計(jì)算成果的合理性、可靠性。鄭家屯站模型計(jì)算成果與實(shí)測成果對比圖，見圖2～圖3。

圖2 計(jì)算流量與實(shí)測流量比較圖

圖3 計(jì)算水位與實(shí)測水位比較圖

從鄭家屯站驗(yàn)證成果來看，模型計(jì)算流量與實(shí)測流量過程符合很好，洪峰出現(xiàn)時(shí)間基本一致，驗(yàn)證計(jì)算流量與實(shí)測流量最大流量相差20 m3/s，最大流量相對誤差僅為1.41%。驗(yàn)證計(jì)算水位與實(shí)測水位過程比較，水位變化過程形狀基本一致。

4.2 二維水動(dòng)力模型驗(yàn)證

該區(qū)域無歷史洪水堤防潰口淹沒調(diào)查資料，西遼河干流上游內(nèi)蒙古境內(nèi)在1954年、1959年、1962年洪水中發(fā)生了堤防決口。本次參考上述決口調(diào)查資料對二維水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證計(jì)算采用的決口入流過程線，分別參考各年決口附近主要控制斷面的典型洪水過程線并結(jié)合調(diào)查的決口入流水量、歷時(shí)、最大流量等資料綜合擬定。計(jì)算驗(yàn)證所需堤防決口時(shí)間、決口入流過程、淹沒范圍、歷時(shí)、水深等參數(shù)多為災(zāi)后調(diào)查，有些會(huì)與實(shí)際有一定出入，其中淹沒范圍分布、淹沒面積等參數(shù)一般認(rèn)為誤差較小，因而驗(yàn)證時(shí)主要考慮使上述參數(shù)趨于吻合。

表1列出了各年的洪水計(jì)算結(jié)果與調(diào)查資料的比較，從表中可以看到各年的洪水計(jì)算的淹沒范圍及分布等與調(diào)查資料基本符合，模型均得到較好的驗(yàn)證。

表1 西遼河洪水淹沒區(qū)二維模型驗(yàn)證計(jì)算資料與調(diào)查資料比較表

5 結(jié)論

1）區(qū)域內(nèi)西遼河干流設(shè)有鄭家屯水文站，控制了西遼河干流及其支流新開河的洪水，這次采用能夠反映實(shí)際情況變化影響和預(yù)測洪水風(fēng)險(xiǎn)特征的水力學(xué)法。選用國家防汛抗旱總指揮部辦公室下發(fā)的全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目，可采用的軟件名錄中的DHI MIKE ZERO系列軟件。

2）這次針對西遼河干流右岸防洪保護(hù)區(qū)，在現(xiàn)場調(diào)查、基礎(chǔ)資料收集和分析處理的基礎(chǔ)上，建立了保護(hù)區(qū)分析范圍內(nèi)的河道一維非恒定流數(shù)學(xué)模型、淹沒區(qū)二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和DAMBREAK潰堤模型，采用三者相互耦合進(jìn)行洪水分析計(jì)算，并利用實(shí)測洪水資料對河道數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

3）通過模型參數(shù)率定和驗(yàn)證計(jì)算，模型參數(shù)設(shè)置合理、驗(yàn)證計(jì)算成果和實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，模型洪水分析計(jì)算成果能較好反映防洪保護(hù)區(qū)的洪水要素，該建模方法合理可行。