基于MIKE11模型的平原感潮河网城市防洪规划研究

曹宇航，袁文秀，李卫东，栾 慕，周 宏，刘 俊

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.江苏水利工程规划办公室，南京 210029)

近年来，气候变化异常，极端降雨天气频发，城市防洪标准的偏低导致内涝问题加剧，特别是人口众多、经济发达、河道湖泊密布、地势低洼易涝的平原感潮河网城市[1]。此类区域受季风活动和潮汐作用影响显著，防洪排涝形势极为严峻。同时近年来城市化的快速发展使城市不透水面积比增大，径流系数提高，洪量增加，洪峰出现时间提前，洪峰过程变得尖瘦，平原感潮河网地区城市的防洪现状措施早已不堪重负，进行新的城市防洪规划迫在眉睫。为了加强城市防洪治涝工作，防御、减轻洪涝灾害，本文将结合区域防洪的特征，选用合理的方法，经过计算分析，对研究区域的防洪规划提出意见。

1 研究方法

平原感潮河网城市防洪的关键在于控制市区境内主要河道的水位。对研究区域内河网以及可控水工建筑物通过MIKE11模型进行概化。计算河道现状工况及规划工况在100年一遇设计暴雨情况下的水位。对比实施规划前后区域内主要河道的水位变化，分析实施规划方案带来的防洪效果。

丹麦DHI公司开发的是目前世界上领先，经过实际工程验证最多的，被水资源研究人员广泛认同的优秀软件。MIKE11模型是模拟一维水流和水质的国际化工程软件经过大量工程实践验证,被证明适用于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算[2]。本次研究涉及降雨径流模块NAM和水动力模块HD。

在NAM模块中，通过植物土壤根区储水层、地表储水层等4个相互影响的储水层的水量模拟产汇流过程[3]。NAM模块中的参数可先根据区域自然特征选取初值，然后根据计算需要和率定结果调整参数。

水动力模块中用一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态[4]。质量守恒方程见公式(1)，动量守恒方程见公式(2)。

(2)

式中：x、t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为过流流量；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

本次研究中将降雨径流模块的计算结果作为水动力模块的流量输入条件。在水动力模块中，对研究区域主要河道进行概化，结合工程的实际情况，对闸、泵站等可控水工建筑物设置合理的调度规则，模型便可通过不同的调度方案和优先级自动控制调整水工建筑物的运行[5]。最终实现降雨径流模块和水动力模块的耦合，极大地提高了模型对实际工程的模拟能力。

2 案例分析

2.1 研究区域概况

海门市位于江苏省的东南部，东濒黄海，南倚长江，素有“江海门户”之称。海门市属于感潮平原河网地区，水系发达、地势平坦、水文条件复杂，根据以往规划将海门市划分为5个片区(见图1)。本文主要研究通启西片。

图1 研究区域概况Fig.1 Overview of research area

海门城区河道基本和流域性河道相连。城区地势较高，排水比较顺畅，内涝情况不严重。研究区域内包含新江海河、浒通河、海门河、通启运河等主要河道，研究区域水系图见图2。

图2 研究区域水系图Fig.2 Generalized graph of research area

2.2 河网概化

本次概化以新江海河、通启运河、海门河为干流，其他河道为支流形式汇入干流。对研究范围的河道进行了细化，对雨水防涝中的城市内河进行了加密。人工河道断面概化为棱柱形，天然河道断面根据一定的原则概化为棱柱形。河道概化的基本原则为：主要河道不要合并；次要的起输水作用的小河道，可以把几条河道合并成一条概化河道；基本上不起输水作用的河道作为陆域面上的调蓄水面处理[6]。

涉及水工建筑物新江海河闸、立新闸、海门港闸、日新闸、青龙港闸、大洪新闸。均采用MIKE11中的可控水工建筑物概化。现状工况下，河网共概化河道30条，河道节点共87个，入江闸站共8座，河道与水工建筑物概化见图3。

图3 河道与可控水工建筑物概化图Fig.3 Generalized graph of rivers and controllable hydraulic structures

区域产流模块：平原河网错综复杂,同时由于人为干预以及河网概化等因素的影响使得降雨径流在集水区域内部之间的分配变得比较困难[7]。本次研究在综合考虑河道的流向、所在地的地形特点以及区域下垫面情况等条件下，以各主干河道为基本边界，根据排水方向进行集水区域的划分见图4，划分为17个分区。

图4 集水区域划分图Fig.4 Division of catchment areas

2.3 设计暴雨计算

为保证降雨资料具有足够的时间长度，采用海门市邻近的南通港闸水文站1963-2012年的降雨资料，并找出每年的最大1日、3日、7日降雨量，依此为基础进行排频计算，计算结果见表1。利用皮尔逊-Ⅲ型曲线进行适线，使得三线互相配合、结果合理，进而得出30年一遇、50年一遇、100年一遇各不同时段的降雨量见表2。按照“峰高量大峰偏后”的原则，选取1991年6月10日至16日的降雨过程作为典型暴雨。采用同频率法进行缩放，得出30年一遇、50年一遇、100年一遇的设计暴雨过程，见图5。

表1 不同时段雨量均值及Cv、Cs值Tab.1 Average rainfall and Cv Cs in different periods

表2 各时段设计雨量 mm

图5 设计暴雨过程Fig.5 Design rainstorm process

2.4 水文边界分析

感潮河网地区沿江河道洪水要素受到区域暴雨与长江潮位共同影响，必须考虑区域暴雨与长江潮位的频率组合[8]。海门市沿江潮位主要受海潮影响，受上游洪水、区域暴雨影响相对较小，长江潮位与区域暴雨相关关系较差，且沿江有水闸控制，长江潮位对内河水位影响较小，区域暴雨成为洪水的主要控制因素。因此，当区域发生设计暴雨时，长江潮位需人为确定配合频率。如果配合频率取值过大，则计算出的防洪水位过高，造成浪费；配合频率取值过小，则计算结果偏不安全，降雨潮位组合见图6。

图6 降雨潮位组合Fig.6 Rainfall and tidemark combination

根据天生港、青龙港、三条港的历年实测潮位资料，进行频率计算，得到2年一遇的高潮位，并根据统计资料得出两年一遇的潮型见图7。采用2年一遇潮位过程，用MIKE模型的NAM模块计算本次设计暴雨的产流过程，洪峰时刻对应当天的最高潮位时刻，以此方式组合对防洪偏不利，计算结果偏安全。通启运河上游100年一遇流量过程线，以及通启运河、海门河100年一遇下游水位过程线作为水文边界。

图7 2年一遇潮型Fig.7 Once Type of tide in two years

2.5 不同工况计算结果及分析

进行防洪规划后在现状河网模型的基础上在中心城区增加了新建的闸站和排涝泵站等水工建筑物，实施方案见表3。

表3 规划工况与实施方案Tab.3 Planning conditions and implementation plan

研究区域在现状工况与规划工况A情况下遭遇100年一遇降雨时主要河道水位计算结果见表4。

表4 现状工况与规划工况A100年一遇计算水位Tab.4 Hundred years water level of current situation conditions and planning conditions A

水位对比分析：在规划工况A改、扩、新建沿江闸站工程措施下，区域排水能力加大，并阻止长江高潮位的顶托倒灌，河道100年一遇设计水位均有所降低，除新江海河、通启运河等区域骨干河道外，其余河道降幅为4～6 cm。新江海河水位未有显著降低是因为其主要承接上游大范围的洪水，扩建沿江闸站虽加大了排水能力，但对新江海河的大规模洪水并无太大影响。通启运河水位未显著降低，主要是因为其离长江较远，不管是自排长江还是通过其他河道排入长江，排水通道都较长，需要较长的时间才能洪水排出，因而规划的工程对其影响不明显。

研究区域在现状工况与规划工况B情况下遭遇100一遇降雨时主要河道水位计算结果见表5。

表5 现状工况与规划工况B100年一遇计算水位Tab.5 Hundred years water level of Current Situation conditions and planning conditions B

水位对比分析：在规划工况B下，除新江海河外，河道100年一遇设计水位与现状比较均有较大降幅：因在通启运河、海门河与新江海河交界处规划新建了节制闸，新江海河的洪水无法向通启运河、海门河排除，因此新江海河水位上升38 cm；通启运河因新建了闸站阻挡了上游来水，沿江改、扩、新建了主要闸站，与现状相比，水位降幅较大，为20 cm；海门河也因修建了节制闸及沿江改、扩、新建了主要闸站，水位下降了18 cm；因通启运河、海门河等骨干河道水位降低，减少了洪水向其余河道的流动及顶托作用，因此，其余河道水位也有较大下降，降幅为10～16 cm。

研究区域在规划工况A与规划工况B情况下遭遇100年一遇降雨时主要河道水位计算结果见表6。

水位对比分析：在规划工况B下，除新江海河外，河道100年一遇设计水位与工况A比较又有所降低：因在通启运河、海门河与新江海河交界处规划新建了节制闸，新江海河的洪水无法向通启运河、海门河排除，因此新江海河水位上升40 cm；通启运河因新建了闸站阻挡了上游来水，与工况A相比，水位降幅较大，为17 cm；海门河也因修建了节制闸水位下降了13 cm；因通启运河、海门河等骨干河道水位降低，减少了洪水向其余河道的流动及顶托作用，因此，其余河道水位也有较大下降，降幅为4～10 cm。

表6 规划工况A与规划工况B100年一遇计算水位Tab.6 Hundred years water level of planning conditions A and planning conditions B

3 结 语

本文采用了MIKE11模型的水动力HD和降雨径流NAM模块对研究区域水系的河网汇流和洪水过程进行了数值模拟，在对比了现状工况水位与规划工况水位以及分析了规划实施效果后得到主要结论如下。

(1) 感潮河网地区沿江河道洪水要素受到区域暴雨与长江潮位共同影响，必须考虑区域暴雨与长江潮位的频率组合。当区域发生设计暴雨时，长江潮位需人为确定配合频率。合理选择组合频率，能在避免浪费的同时使规划结果安全可靠。

(2) 改、扩、新建沿江闸站工程措施下，区域排水能力加大，并阻止长江高潮位的顶托倒灌，河道100年一遇设计水位均有所降低。骨干河道新建了闸站阻挡了上游来水，沿江改、扩、新建了主要闸站。骨干河道水位降低，减少了洪水向其余河道的流动及顶托作用，因此，其余河道水位也有较大下降。

(3) 海门市是江海平原区洪水入江的主要通道。治理江海平原区域洪水主要工程是完善海门市骨干河网，在长江低潮期排出江海平原区上游洪水，降低河道水位以保障城市安全。对于低于设计洪水位的建成区，通过规划建设骨干河道沿线控制工程，建立防洪分片，按高低分片排除洪水。对于一些不能自排的低洼区，可以建立联圩抵御洪水。

(4) 本文计算的成果较为合理可靠，表明MIKE11模型在平原感潮河网城市防洪规划中具有一定的应用价值。

□

[1] 罗福亮, 元 媛, 范剑斌. SWMM和MIKE11耦合模型在城市感潮河网中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2013,(3):98-102.

[2] Panda R K, Pramanik N, Bala B. Simulation of river stage using artificial neural network and MIKE 11 hydrodynamic model[J]. Computers & Geosciences, 2010,36(6):735-745.

[3] 长江水利委员会水文局二队. NAM模型及其应用[J]. 水文, 1999,(S1):66-71.

[4] 王领元. 丹麦MIKE11水动力模块在河网模拟计算中的应用研究[J]. 中国水运(学术版), 2007,7(2):108-109.

[5] 李 泉, 唐清华, 孟庆强,等. 基于MIKE11的强人工干预平原感潮河网水动力模型的构建及初步应用[C]∥ 2014中国水管理、水处理及再生水利用技术论坛论文集,2014.

[6] 杨松彬, 董志勇. 河网概化密度对平原河网水动力模型的影响研究[J]. 浙江工业大学学报,2007,35(5):567-570.

[7] 周 宏, 刘 俊, 刘 鑫,等. MIKE11模型在望虞河西控工程排涝计算中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2016,(1):39-43.

[8] 武传号, 黄国如, 吴思远. 基于Copula函数的广州市短历时暴雨与潮位组合风险分析[J]. 水力发电学报, 2014,33(2):33-40.