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        基于MIKE模型的潖江水面線計算分析

        2019-11-14 07:09:16
        中國農(nóng)村水利水電 2019年10期
        關(guān)鍵詞:大廟石角北江

        盧 真 建

        (廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣州 510635)

        1 概 況

        潖江蓄滯洪區(qū)位于廣東省飛來峽水利樞紐下游約10 km的北江左岸,見圖1,涉及清遠市清城區(qū)及佛岡縣,區(qū)內(nèi)地勢低洼,一般地面高程12.00~18.00 m。潖江發(fā)源于佛岡縣水頭鎮(zhèn),向西流與浮良水、四九水、民安水、潖二水、高橋水等支流會合后于江口汛匯入北江。潖江河口位于北江干流飛來峽峽谷進口附近,受飛來峽峽谷的束水頂托,當北江干流流量大于2 000 m3/s 時,北江一部分水流即可倒灌流入,是北江下游天然的洪泛區(qū),對北江洪水有分流和滯蓄作用[1-3]。

        圖1 潖江蓄滯洪區(qū)位置示意圖

        潖江蓄滯洪區(qū)是北江中下游防洪工程體系組成部分,珠江流域防洪工程體系的總體布局將潖江蓄滯洪區(qū)列為一般蓄滯洪區(qū)。潖江蓄滯洪區(qū)蓄滯洪水作用明顯,對防御流域目標洪水具有不可替代的作用。潖江蓄滯洪區(qū)與北江飛來峽水利樞紐聯(lián)合運用,將包括廣州市在內(nèi)的北江大堤保護區(qū)防洪的能力由100 a一遇提高到300 a一遇,同時將北江中下游的清東、清西等堤圍的防洪能力由50 a一遇提高到100 a一遇。

        2 水動力數(shù)學(xué)模型

        2.1 模型構(gòu)建思路及建模范圍

        MIKE軟件在河道水面線計算中應(yīng)用廣泛[4,5],本文潖江蓄滯洪區(qū)洪水分析選用MIKE模型系列進行構(gòu)建,選用MIKE11(一維)水動力學(xué)模型計算潖江水面線,模型上邊界北江以飛來峽(橫石)站控制,潖江以大廟峽站控制,濱江以珠坑站控制,模型下邊界以石角站水位流量關(guān)系控制,模型概化結(jié)果見圖2。河道斷面采用2016年研究區(qū)域內(nèi)干支流河道斷面測量數(shù)據(jù),共410個斷面。蓄滯洪區(qū)圍內(nèi)蓄水采用Dem數(shù)據(jù)(5 m×5 m)提取的蓄水水位~庫容曲線概化。

        圖2 模型概化結(jié)果

        2.2 模型率定和驗證

        建國后潖江發(fā)生較大洪水的有1964、1966、1968、1982、1983、1994、1997、2006、2013、2014年等年份。北江河段1999年飛來峽水利樞紐、2011年清遠水利樞紐相繼建成,一定程度引起北江河道水文條件的改變。為了保證構(gòu)建模型具有實用性,能真實反映現(xiàn)階段的流域洪水特性,為潖江蓄滯洪區(qū)的建設(shè)與管理研究工作提供可靠的數(shù)據(jù),本文模型參數(shù)的確定選取“2013.08”洪水率定,“2014.05”洪水驗證。

        (1)模型的率定。受2013年第11號超強臺風“尤特”和西南季風的共同影響,廣東省普降暴雨到大暴雨,北江干流發(fā)生超20 a一遇洪水,北江石角站洪峰流量達16 700 m3/s。該場洪水過程首先由北江支流連江2013年8月14日起漲,西、北江和珠江三角洲主要控制站分別在8月18-20日達到洪峰。模型率定實測資料則采用北江干流橫石站和大廟峽站的資料,下邊界為石角水文站。率定及驗證站點主要有石角站(流量)、清遠站(水位)、飛來峽站(水位)和江口圩站(水位)。模擬計算過程為8月14-24日,率定結(jié)果見表1及圖3。由結(jié)果可知,模型擬合過程與實測成果基本吻合,表明模型能正確反映該河段水位及流量的空間分布特性。

        表1 “2013.08”洪水模型計算最大值與實測最大值比較

        (2)模型驗證。選取“2014.05”洪水對北江一維數(shù)值模型進行驗證。

        受偏南暖濕氣流與高空槽共同影響,2014年5月21-24日流域東部出現(xiàn)強降雨過程。受強降雨影響,北江出現(xiàn)2014年1號洪水,支流潖江發(fā)生特大洪水,石角水文站24日12時出現(xiàn)10.55 m的洪峰水位,接近警戒水位(11.00 m),相應(yīng)流量14 800 m3/s,為超10 a一遇中等洪水。支流潖江大廟峽水文站23日14時出現(xiàn)洪峰水位51.70 m,相應(yīng)流量1 800 m3/s,重現(xiàn)期超20 a一遇,為1960年建站以來第2大洪水。“2014.05”洪水條件下模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較見圖4及表2。由結(jié)果可知,模型擬合洪水成果較好,清遠站計算最高水位為13.559 m,與實測成果13.588 m相差僅0.03 m,江口圩站、飛來峽站水位與實測值相差0.09 m;石角站模型計算洪峰流量16 030 m3/s,與實測成果16 000 m3/s較吻合,滿足模型驗證要求。

        圖3 “2013.08”洪水率定結(jié)果

        圖4 “2014.05”洪水驗證結(jié)果

        表2 “2014.05”洪水模型計算最大值與實測最大值比較

        2.3 河道地形變化影響分析

        由于未收集到潖江2016年以前河道地形數(shù)據(jù),本次主要分析北江干流飛來峽-石角段河床變化情況,沿北江干流飛來峽-石角段上游至下游,切取69個斷面進行河道演變分析,部分斷面不同年代變化見圖5。通過河床演變分析,1999-2016年,北江干流飛來峽-石角段河寬基本沒有變化,深弘高程和平均河底高程均有所降低、河道過水斷面面積增加、河相系數(shù)大部分斷面減小。主要原因是飛來峽水利樞紐建成運行后,攔蓄一部分砂,壩址下游沖刷及河道采砂影響。未來隨著河道采砂管理不斷加強,北江干流河道演變將向自然演變方向發(fā)展,逐步向穩(wěn)定或恢復(fù)的過程。

        本次模型計算中研究區(qū)域內(nèi)干支流河道斷面已采用2016年新測量數(shù)據(jù),2013年、2014年洪水沖淤情況不會對本次率定和驗證結(jié)果造成影響。

        3 干支流遭遇分析

        北江干流(橫石站)與支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇分為潖江為主、北江相應(yīng)和北江為主、潖江相應(yīng)2種工況:

        (1) 潖江為主、北江相應(yīng)。通過統(tǒng)計1960-2014年歷年潖江最大洪峰與同期北江洪水遭遇情況,擬定潖江為主、北江相應(yīng)工況的遭遇情況,見圖6。經(jīng)典型點趨勢分析計算,潖江20 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現(xiàn)期為5 a,潖江50 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現(xiàn)期為15 a。

        圖5 北江飛來峽-石角部分斷面1999-2016年變化情況

        圖6 潖江為主、北江相應(yīng)歷年洪水遭遇情況

        (2) 北江為主、潖江相應(yīng)。通過統(tǒng)計1960-2014年歷年北江(橫石站)最大洪峰與同期潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況,擬定北江為主、潖江相應(yīng)工況的遭遇情況,見圖7。經(jīng)典型點趨勢分析計算,北江(橫石站)20 a一遇遭遇潖江洪水的重現(xiàn)期為10 a,北江(橫石站)50 a一遇遭遇潖江洪水的重現(xiàn)期為20 a。北江為主、潖江相應(yīng)的遭遇情況與可研階段一致。

        4 模型邊界條件

        4.1 北江干流橫石站設(shè)計洪水

        橫石站是北江干流重要水文站點之一,1953年4月10日設(shè)立,位于北江干流中游,距連江匯入口約25 km,下游約15 km處為飛來峽峽口,控制流域面積為34 013 km2,占北江流域面積的72.9%。1999年隨著飛來峽水利樞紐建成投入運行,橫石站移至飛來峽下游約2.7 km處,改稱飛來峽站,為保持統(tǒng)一,本文仍稱橫石站。根據(jù)《北江飛來峽水利樞紐初步設(shè)計報告》、《珠江流域綜合規(guī)劃(2012-2030年)》和《珠江流域防洪規(guī)劃》成果,北江干流橫石站設(shè)計洪水[1-3]見表3。

        圖7 北江為主、潖江相應(yīng)歷年洪水遭遇情況

        4.2 潖江及各支流設(shè)計洪水

        由于大廟峽以上流域地形較陡,以山區(qū)丘陵為主,大廟峽以下至潖江口地形較為平緩,上下游地形差異較大,為計算潖江口設(shè)計洪水,本次根據(jù)上下游流域特征參數(shù),采用綜合單位線法分別計算大廟峽站和潖江口的洪峰及洪水過程,進而得到潖江出口洪峰、最大3 d洪量與大廟峽站的比例關(guān)系,即縮放系數(shù)。大廟峽和潖江出口以上流域特征參數(shù)見表4,大廟峽站和潖江口縮放系數(shù)成果見表5。

        表3 北江干流橫石站設(shè)計洪水成果

        大廟峽至潖江口區(qū)間各支流設(shè)計洪峰流量分2種方法計算:方法①為集水面積內(nèi)插法,即根據(jù)支流面積和支流匯合口以上干流面積推求匯合口上下的設(shè)計洪水,相減得支流設(shè)計洪水。方法②為按各支流面積比例計算得到,即按各支流面積占大廟峽-潖江口區(qū)間的面積比例,分攤區(qū)間洪水。這里以20 a一遇水面線為例,模型上邊界20 a一遇洪水見表6。

        4.3 模型下邊界

        水利部珠江水利委員會近期對石角站水位流量關(guān)系曲線再次進行復(fù)核,石角站水位流量關(guān)系采用最新復(fù)核成果,見表7。模型下邊界采用石角水位流量關(guān)系曲線上線。根據(jù)廣東省水利廳2002年頒布的《西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道設(shè)計洪潮水面線(試行)》,潖江口(“北江12”)20 a一遇、50 a一遇水位分別為21.30 m、22.36 m[6],本次在模型計算中北江為主潖江相應(yīng)工況潖江口重現(xiàn)期20 a、50 a水位分別以此作為控制。

        表4 設(shè)計參數(shù)(綜合單位線法)

        表5 大廟峽與潖江口縮放系數(shù)成果

        表6 模型上邊界20 a一遇洪水

        表7 石角站水位流量關(guān)系成果

        5 水面線計算結(jié)果

        本次水面線計算中大廟峽至潖江口區(qū)間各支流設(shè)計洪峰流量分別采用集水面積內(nèi)插法和面積比例法進行計算,并比較2種方法水面線差別:2種方法計算結(jié)果非常接近,20 a一遇平均差0.9 cm,最大只差4.0 cm,見表8,本文推薦采用方法②按各支流面積比例計算結(jié)果。據(jù)此計算潖江各級頻率水面線成果,見圖8,其中江口圩10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇分別為20.38、21.40、21.88、22.35 m。

        表8 潖江20 a一遇設(shè)計洪水水面線(2種方法比較) m

        6 結(jié) 語

        潖江水面線可為潖江蓄滯洪區(qū)運行調(diào)度管理,以及水閘、泵站、堤防等工程設(shè)計提供依據(jù)。本文采用MIKE模型構(gòu)建潖江蓄滯洪區(qū)水動力模型,并進行模型的率定和驗證,通過分析北江干流(橫石站)和支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況,分為潖江為主、北江相應(yīng)和北江為主、潖江相應(yīng)2種工況,進而列出模型所需上、下邊界條件,其中潖江各支流設(shè)計洪水采用集水面積內(nèi)插法和面積比例法進行計算比較,2種方法結(jié)果非常接近,20 a一遇平均差0.9 cm,最大只差4.0 cm,推薦采用面積比例法計算成果,依此分別計算潖江其他頻率水面線。

        圖8 潖江各級頻率水面線成果

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