InfoworksRS在防洪预警中的应用

2012-12-08许拯民许龙宾华北水利水电学院

河南水利与南水北调 2012年1期

□许拯民 □师琨 □许龙宾（华北水利水电学院）

1.前言

防洪预警历来是水利工作中的头等大事。近年来，随着水利研究的不断深入，先进的洪水预警与模拟机制不断推出，为防洪预警工作提供了很大的便利。其中，暴雨预警工作中，应用较多的是洪水风险图。该法可以快速的划定暴雨的淹没范围，时效性较强。然而该法是一种模糊推断，过多参考以往经验，且表现形式单一，精度较为欠缺。为了研究大江大河的流态演进，国家出重金构建了一些重要河流的实体模型。该类模型模拟真实河流的下垫面状况，对于研究不同来水状况下的河道流态具有很大的意义。但是实体模型体积庞大，投入成本高且难于维护，只能在特定的流域展开，适用性较差。InfoworksRS系列河流模拟软件的引入，弥补了以往老方法中精度低、适用性差的问题，已成功建立了比利时丹玛流域实时防汛预报调度决策系统、墨西哥河洪水模拟及我国太湖水量水质预报系统等。其高效的计算引擎、形象的展示界面以及生动的成果展示方式，为防洪预警工作提供了新的思路与方向，是目前应用较为广泛的流域水资源和洪水管理的软件之一。

2.InfoworksRS软件介绍

InfoworksRS系列软件由两大部分组成：河流水动力模拟软件和流域水文模型PDM软件。

2.1 河流水动力模拟软件

2.1.1 主要功能介绍

该软件是InfoworksRS软件的主体部分，承载了该软件的水动力模拟、降雨产汇流模拟等主要功能，软件内嵌先进的ISIS水动力模拟引擎，可以快速的计算复杂河道的水流过程。基础网络部分由河道断面、下垫面地形数据以及上下游边界点构成。软件能够自动读取固定格式的TXT、EXCEL文档，并且整合了GIS端口和ArcViewsharp系列文件，可以快速批量的引入断面数据和下垫面数据。

软件囊括了桥、闸门、泵等多种水工设施和建筑物，并且可以通过引入逻辑关系命令，按照实际的操作规则，编写相关的命令，使得水工建筑物可以按照调控的需要自动运行。

该软件的成果表达形式丰富。首先，已运行成功的模拟，可以通过软件自配的录制功能，在平面或者纵断面视角全过程录制或者截取部分录制下来，自动生成AVI文件供用户调用和阅览。其次，对于河道每一个断面，软件都提供了三大种结果查看方式：第一种是断面视图方式。该方式显示了断面的剖面以及时时的水深状况，可以随模拟的进行不断变化；第二种断面过程线方式。该方式可以显示的内容包括该断面全过程的水位、流量、流速、弗劳德数等，用户可以根据自己的查阅需要选择其中的一个或者两个进行查阅；第三种是断面时刻数据方式。该方式将过程线方式中的所有可显示数据以表格的方式呈现出来，用户可以自由定义数据保存到时间步长。最后，软件可以将视角由二维拉大到三维，立体的呈现全流域的水动力过程。最新版本中加入了水深的影像设置，看起来更加的逼真、生动。除此之外，软件还可以完成断面间的数据对比、模拟成果与实测对比等，并且可以生成相关的成果报告供用户参考。

2.1.2 基本原理介绍

ISIS河道水动力模型囊括了河流、湖泊、外部控制以及内部控制的相互作用，考虑水体的质量守恒和动力守恒等必要条件，以水力学经典公式圣维南方程式为基础来表示质量和动力的守恒。由质量守恒引出的连续方程建立了水位上升率和楔状体以及棱状体储藏量之间的平衡。由动力守恒引出的动力方程，建立了惯性、扩散、地心引力以及摩擦力之间的平衡。

连续方程：

其中，q为旁侧入流（m3/s·m）。

动力方程：

其中：A、Q、H分别为过水面积，流量，断面水位（潮位）；Sf为摩擦比降：

其中K由河道流量因数和相关曼宁数组成的方程得到

其中，R为水力半径；P为润周长度；n为曼宁粗糙系数。

圣维南方程式由Preissmann隐式差分法求解。Preissmann隐式差分，突破了显示格式对时间步长dt要施加限制的缺陷。离散方式是一个四点隐格式，如下：

式中θ为加权系数，0≤θ≤1。

PDM模型中各参数含义表

这是Preissmann格式原始离散的方法，对圣维南方程组进行离散，得到以增量表达的非线性方程组，忽略二阶微量简化为线形代数方程组，可以进行求解。

2.2 流域水文模型PDM软件

2.2.1 主要功能介绍

PDM是英文“ProbabilityDistributedModel”的缩写，即“概率分布式模型”。软件用于完成对指定流域的产流系数确定，进而结合河流水动力模拟软件，完成对指定降雨的产汇流模拟。

软件首先需要对流域的日系列数据（即该流域的日流量数据、日蒸发数据和日降雨数据）进行率定，以确定该流域的基流系数等影响到基流的参数（Cmax、Kb、Kg、Bg、Be），接着利用15min或者1h为步长的时间序列数据率定地表径流以及壤中流参数（K1、rainfac、b、tdly）等。

2.2.2 基本原理介绍

图1.降雨产汇流模型图

流域中任一点的径流量可以概化为单一存储单元体的容量c，该存储体通过降雨P补充水分，通过蒸发E流失水分，直到该存储体充满后溢出产生直接径流q，或由于蒸发流空，停止流失水分。

式中：So为存储单元体的初始水深；P、E、q分别表示降雨深、蒸发以及考虑时段内产生的直接径流。任意点的蓄水能力c可以被看作为是概率密度函数f(c)的一个随机变量，则在深度方向（c，c+dc）上即为f(c)dc。蓄水能力不大于C*的存储体的流域比例为：

式中，函数F（C*）为蓄水能力的分布函数。

因此，对于一个面积为A的流域，时间t时产生径流的流域面积为：

该流域单元面积的瞬时直接径流率为净降雨率π与产生径流的流域比例 F（C*（t）的乘积，即：

第i个降雨时段(t,t+Δt)内，假设降雨和潜在蒸发以恒速Pi和Ei进行，则净雨量π=Pi-Ei。在该时段内，临界蓄水能力 C*（τ）将根据以下公式增长

作用面积将根据式（9）扩大，并且，在该时段内，单位面积产生的流域直接径流为

3.应用实例

3.1 流域概况

福建省位于东南沿海，属亚热带海洋性季风气候，气候较为湿润，七成以上雨量集中在4-9月。此次应用选取闽江下游某河段建立模型。该河段位于山区河流的下游，模拟河段的上游点位于山区与平原河道的接壤处，下游点位于入河口处。河道全长近20km，河道坡降小于千分之一，整体地势平缓。

3.2 率定过程

2005年，福建省遭到一场特大暴雨的袭击，最大1h降雨量超过百年一遇，造成了非常严重的灾害，经济损失严重。此次模拟将结合以往资料完成对该区域的流域产流系数的率定，之后结合RS软件完成此次暴雨的产汇流过程。

首先，对近几十年该流域的暴雨洪水资料进行了收集和查阅，选取了其中7次较为典型的暴雨洪水过程。这些资料涵盖了流域丰水年、中水年和枯水年3种流域来水状态，且洪量较大，影响较为广泛，具有一定的代表性。调取对应7次暴雨的7年日流量、日降雨以及日蒸发资料，率定流域的基流影响因素；摘取7次暴雨洪水过程的时数据，进行短时段水文率定，确定产流因子、降雨延时等参数。通过率定，得到表1参数值。

表1 水文参数表

将以上参数引入RS软件，同时将2005年特大暴雨的实测降雨资料以及对应暴雨时段的下游出口处实测水位资料输入软件，经过计算，得出该场暴雨的产汇流过程。

3.3 模拟结果与分析

通过模拟计算，软件给出的淹没区域主要集中在河道的中上游片区。结合当时的实际情况得知，流域的上游首先遭遇山洪，且河堤较低，淹没较为严重。中下游区域的河道相对规整，河堤相对较高，没有发生满溢。整体模拟情况与实际情况相符。

介于当时暴雨历时短、降雨量大，验证参考资料为河道中上游边滩处的三个洪痕点。对比洪痕点结果为：最大误差0.07m；最小误差0.02m，整体误差较小，模拟结果较为准确。

4.结论与建议

4.1 结论

通过以上模拟可以看出，InfoworksRS系列软件在流域降雨水文模拟中表现较为优秀，结果令人满意。在资料较为充足的流域，应用水文模型软件对往年水文资料进行参数率定，之后结合水动力模拟软件可以快速完成对流域产汇流以及水动力过程的模拟，在精度、效率以及可视化等方面都有着不错的表现，对于流域防洪预警工作具有较好的应用价值。