張藝霖，張 琛，丁 曼

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130021）

1 項目背景

松花江（三岔河口之上）是吉林省最大的河流，形狀呈現(xiàn)出“S”型，穿越吉林市城內(nèi)流過。在吉林省，吉林市位居第二的大型城市，屬于吉林地區(qū)的文化、經(jīng)濟(jì)、政治中心。在源遠(yuǎn)流長的歷史長河里，松花江區(qū)域水災(zāi)頻繁，洪澇災(zāi)害是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展里遇到的嚴(yán)重情況，其危害日益凸顯。洪水風(fēng)險圖的編制是實踐治水新思路，強(qiáng)化科學(xué)治水，推進(jìn)防汛工作，自“把控洪水”朝著“洪水管理”變化的治水思想，構(gòu)建風(fēng)險監(jiān)管體制，推進(jìn)洪水風(fēng)險監(jiān)管的關(guān)鍵根基支撐。針對提升吉林市防范洪澇災(zāi)害降低災(zāi)情水平、縮減或者防止生命財產(chǎn)受損，顯得相當(dāng)關(guān)鍵及緊迫。

風(fēng)險圖制定范圍是吉林市主城區(qū)（牤牛河河口之上一直到豐滿水庫壩下），面積為227.11 km2，涉及豐滿區(qū)、昌邑區(qū)（不包括九站）、船營區(qū)、龍?zhí)秴^(qū)，區(qū)間有較大支流溫德河匯入。吉林市城區(qū)內(nèi)有10條內(nèi)河，從下游到上游依次為小沙河、龍?zhí)逗?、無名河、建華河、小藍(lán)旗河、大藍(lán)旗河、石井溝河、松江河、青椴河、腰屯河。松花江干流控制站有豐滿水庫站和吉林站，支流控制站有口前水文站。

2 洪水分析模型

2.1 建模思路

吉林市城區(qū)洪水分析模型采用一維河道水動力學(xué)和二維水動力學(xué)模型、一維市政管網(wǎng)模型三者耦合計算，以實現(xiàn)洪水過程的模擬。吉林市城區(qū)洪水分析模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，洪水分析模型的建立步驟如下：

（1）有效建立松花江干流以及支流一維河道水動力學(xué)模型，著重基于松花江的洪水過程加以具體地模擬研究；

（2）構(gòu)建吉林市城區(qū)二維水動力學(xué)模型，分析內(nèi)澇和外洪在吉林市城區(qū)地面的洪水過程；

（3）潰口的計算通過一維水動力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)物計算模塊進(jìn)行概化計算；

（4）構(gòu)建吉林市城區(qū)排水管網(wǎng)模型，重點對城區(qū)地下管網(wǎng)的排水過程進(jìn)行模擬分析；

（5）最后，根據(jù)各個洪水分析方案的要求，將上述模型加以具體耦合，建立耦合洪水研究模型，對模型的計算結(jié)果加以研究。

圖1 吉林城區(qū)洪水分析模型結(jié)構(gòu)圖

采用MIKE FLOOD模塊進(jìn)行一維河道、一維管網(wǎng)和二維地面模型耦合計算。將一維以及二維模型加以動態(tài)耦合，能夠有效彰顯兩類模型的自身特點及優(yōu)點，處理兩類模型分別運(yùn)用的時候時常面臨計算精確度以及空間辨別率等情況。

2.2 模型建立

（1）松花江干流以及支流一維河道水動力模型

這一工程具體應(yīng)用MIKE11水動力模型（HD）建立一維水動力學(xué)模型。MIKE11水動力模型重點用在洪水預(yù)警以及水庫統(tǒng)一調(diào)度、河道灌溉體系的設(shè)計調(diào)度，還有河口風(fēng)暴潮的研究，可以便利靈活地進(jìn)行水泵、繁雜河網(wǎng)水流、模態(tài)閘門等各種水工建筑物的運(yùn)行調(diào)度，特別適應(yīng)運(yùn)用在水工建筑物繁多、控制調(diào)度繁雜的狀況。

MIKE11水動力計算模型是依托動量以及物質(zhì)守恒方程，也就是一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河口或者河流的水流狀況，方程組如下所示：

式中：t、x分別是具體計算點時間以及空間的坐標(biāo)，A是過水?dāng)嗝娴膶嶋H面積，R是水力半徑，Q是過流流量，C是謝才系數(shù)，α是動量校準(zhǔn)系數(shù)，h是水位，g是重力加速度，q是旁端入流流量。

方程組借助Abbott-Ionescu六點隱式有限差分形式具體求得解答，Abbott-Ionescu形式存在穩(wěn)定性優(yōu)良、計算精確度相當(dāng)高的特征。離散后的線形方程組借助追趕法求得解答。

（2）吉林市城區(qū)二維水動力學(xué)模型

本項目二維模型構(gòu)建擬采用MIKE 21軟件進(jìn)行。模型計算網(wǎng)格采用矩形網(wǎng)格，以較好地模擬泛濫洪水在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地表條件下演進(jìn)過程。模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動畫等形式輸出，內(nèi)容包括：洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時。

MIKE 21模態(tài)計算所依托的二維水動力學(xué)的根本方程屬于淺水方程，方程組具體見下面所示：

模型借助的數(shù)值計算方法屬于矩形交錯網(wǎng)格上的ADI法，離散模式借助半隱式，采用追趕法求解。

（3）吉林市城區(qū)一維管網(wǎng)模型

1）MIKE URBAN 水文學(xué)模型

MIKE URBAN CS由DHI進(jìn)行研發(fā)，屬于模擬城市集水區(qū)域以及排水體系的管流、地表徑流、水體質(zhì)量還有泥沙輸送的專業(yè)項目軟件包，能夠運(yùn)用在任一類別的自由水流以及管道之內(nèi)壓力流交互改變的管網(wǎng)里面。MIKE URBAN CS具有友好的應(yīng)用界面，是用于簡單或復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)的分析、設(shè)計、管理和操控的動態(tài)模擬工具。

MIKE URBAN CS降雨徑流模塊供應(yīng)了四類不同的城市水文模型，從而用在城市地表徑流的具體計算，與之同步，供應(yīng)了某一連續(xù)水文模型，從而具體計算降雨入滲狀況。徑流模塊的輸出結(jié)論是降雨出現(xiàn)的每一集水區(qū)域的流量，計算結(jié)論能夠用在管流計算。

2）MIKE URBAN管網(wǎng)水動力模型

MIKEURBAN水動力模塊重點用在計算管網(wǎng)中非恒定流。計算構(gòu)建于一維自主水層流的圣維南方程組即動量方程以及連續(xù)性方程。

模型借助了Abbott-Ionescu六點隱式格式有限差分?jǐn)?shù)值求得解答，這一計算方法能夠自動調(diào)整時間步長，且給環(huán)型或者分支管網(wǎng)供應(yīng)合理而精準(zhǔn)的解法。這一計算措施適用在自由水層的垂向均勻流以及排水管道的有壓流。臨界以及超臨界流均運(yùn)用一樣的數(shù)值解法進(jìn)行處理[1-8]。

3 模型參數(shù)的率定和驗證

3.1 一維河道模型參數(shù)的率定和驗證

一維河道水動力模型的率定工作是指在模型搭建完成后，不斷手動地調(diào)整河床糙率系數(shù)，重點涵蓋灘區(qū)以及主槽糙率系數(shù)，從而讓模型之內(nèi)水文站點處的水位與流量的模擬值與實測值盡量吻合。

（1）參數(shù)率定

借助所搜集的1995年汛期7月26日到8月15日吉林站實測水位以及流量信息，對一維河道水動力模型加以有效地率定。率定的關(guān)鍵調(diào)節(jié)措施是：分別調(diào)節(jié)松花江干流與溫德河的河床主槽以及灘區(qū)的整體糙率曼寧系數(shù)（s/m1/3），從而讓吉林水文站處模擬水位、流量值以及實際監(jiān)測水位、流量值較大可能地疊合。

借助一維河道水動力模型的1995年吉林水文站的水位以及流量率定情況具體見圖2、圖3。

圖2 吉林站水位率定結(jié)果圖

圖3 吉林站流量率定結(jié)果圖

從圖2、圖3能夠發(fā)現(xiàn)，率定情況合乎規(guī)定，漲水以及退水態(tài)勢擬合度非常好，吉林站模態(tài)水位情況跟實際檢測水位散點偏差范圍是0 m～0.20 m，吉林站模擬流量情況跟實際監(jiān)測流量散點偏差范圍是0 m3/s（～300 m3/s（6%之內(nèi)），都合乎有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)則的規(guī)定。河道諸部分的糙率系數(shù)值率定情況具體見表1。

表1 松花江干流模型糙率系數(shù)值率定情況表

（2）模型驗證

有效依托2010年7月29日到8月20日實際監(jiān)測的水文信息，對一維河道模型率定獲得的河道粗糙率系數(shù)以及產(chǎn)匯流系數(shù)率定結(jié)論加以具體檢驗，吉林站的流量以及水位檢驗結(jié)論具體見圖4、圖5。

圖4 吉林站水位驗證結(jié)果圖

圖5 吉林站流量驗證結(jié)果圖

自圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，檢驗結(jié)論大致合乎規(guī)定，漲水以及退水態(tài)勢擬合良好，吉林站模擬水位結(jié)論以及實際監(jiān)測水位散點在常態(tài)現(xiàn)狀下偏差范圍是0 m～0.20 m，吉林站模態(tài)流量結(jié)論跟實際檢測流量散點在常態(tài)現(xiàn)狀下偏差范圍是0 m3/s～600 m3/s（處于12%之內(nèi)），都合乎有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定?？墒牵谝恍r段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日），實際監(jiān)測流量以及水位過程線都發(fā)生了峰值，使得模擬水位值跟實際監(jiān)測水位值間的偏差達(dá)到了0.5 m上下，模擬流量值以及實際監(jiān)測流量值間的偏差到了1000 m3/s。研究口前站洪摘、豐滿水庫流量信息（圖5里面紫紅線以及綠線）可以知道，以上時段里，實際監(jiān)測流量以及水位過程線發(fā)生的峰值是不恰當(dāng)?shù)摹Ｋ?，能夠判斷以上時段里偏差重點是因為口前站洪摘、豐滿水庫信息存在誤差或者洪水來源存在遺漏（如較小的支流匯進(jìn)）所導(dǎo)致的。

由以上研究可知，除去2010年檢驗?zāi)Ｐ偷囊恍r段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日）出現(xiàn)一定的特殊性，松花江干流以及支流一維水動力模型針對分析范圍里的河流水動力學(xué)特點展開了非?？茖W(xué)的概化，對典型歷史洪水展開了有效地模擬，參數(shù)率定以及檢驗結(jié)論合乎規(guī)定。

3.2 城市管網(wǎng)模型參數(shù)的率定和驗證

內(nèi)澇模型搭建完成后，根據(jù)得到的2014年吉林站實測暴雨資料結(jié)合2014年7月23日下午15:30分大雨雨情統(tǒng)計資料（災(zāi)情統(tǒng)計，記錄積水路段及積水深度），對內(nèi)澇模型進(jìn)行了率定。根據(jù)實測暴雨資料2014年7月23日下午15:00～16:00降雨25.1 mm，且根據(jù)了解降雨主要集中在15:30分左右。降雨過程線如圖6所示。該率定對模型模擬的最大積水深度與當(dāng)時災(zāi)情記錄中積水路段和積水深度進(jìn)行了比較。比較結(jié)果如表2所示，可以看到，模擬值與實測值誤差范圍為-5 cm～13 cm。從圖7可以看到基本上災(zāi)情記錄中有記錄的路段其積水深度和模型都較為吻合。率定的主要調(diào)整方法為：調(diào)整管網(wǎng)的糙率曼寧系數(shù)（s/m1/3），率定后的管網(wǎng)曼寧系數(shù)為0.018 s/m1/3。

表2 內(nèi)澇模型模擬值與災(zāi)情記錄值比較

圖6 2014年7月23日降雨過程

4 結(jié)論

（1）依托松花江干流以及支流一維水動力模型，對分析范圍里的河流水動力學(xué)特點展開了非常科學(xué)的概化，對典型歷史洪水加以有效地具體模擬，參數(shù)率定以及檢驗結(jié)論合乎規(guī)定。

（2）內(nèi)澇模型模擬值與實測值誤差范圍為-5 cm～13 cm，災(zāi)情記錄中有記錄的路段其積水深度和模型都較為吻合。

綜上所述，基于MIKE建立的一維河道模型和城市管網(wǎng)模型的參數(shù)率定和驗證結(jié)果均符合要求，模型合理有效。