西辽河右岸（吉）防洪保护区洪水风险图建模研究

2018-03-06宋颖玲马壮壮石文凯

东北水利水电 2018年2期

关键词：糙率防洪保护区

曹琨，宋颖玲，马壮壮，石文凯

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 1300231；2.辽宁省水文水资源勘测局大连分局，辽宁大连 116000）

1 模型构建思路及建模范围

1.1 模型构建思路

洪水分析方法包括水文学法、水力学法和实际水灾法等。鉴于研究区域河道断面资料与防洪保护区地形资料比较齐全，且精度较高，这次洪水分析采用能够反映实际情况变化影响和预测分析洪水风险特征的水力学法。［1］

选用国家防汛抗旱总指挥部办公室下发的全国重点地区洪水风险图编制项目，可采用的软件名录中的DHI MIKE ZERO系列软件。其中，河道洪水与溃堤洪水模拟采用MIKE 11软件，淹没区洪水模拟采用MIKE 21软件，三者耦合求解采用MIKE FLOOD软件控制。［2］

在模型构建时，分前处理过程、数值计算过程以及后处理过程。其中，前处理过程主要是处理地形资料、河网资料、上下边界文件等，供数值计算过程使用。数值模拟过程主要涉及初始条件的设置、时间步长的设置以及参数率定。后处理过程主要是提取计算结果数据并展示，分析结果的可靠性和精确性等。

1.2 建模范围

吉林省西辽河右岸防洪保护区位于平齐铁路线白沙铁路桥段以上区域，白沙铁路桥段以下为内蒙古地区，溃堤洪水进入右岸防洪保护区的洪水演进至白沙铁路桥处可通过桥孔流入内蒙古地区。建模范围见图1。

图1 建模范围图

2 水动力学模型

2.1 河道一维模型

2.1.1 河网连接设置

河网中各个河道的位置通过河道骨架线控制，再通过地形文件描述各个断面的形状。河网文件描述了一维河道的位置、连接、走向，该研究综合利用卫星遥感影像中河道影像及电子地形图中的矢量河道中心线作为模型中的河网骨架线。在西辽河干流上溃口选定位置处设置虚拟河道分水，溃口以标准连接形式设置在虚拟河道上。

2.1.2 河道断面设置

西辽河分析河段从入吉林省处到东辽河、西辽河汇河口处，共长91 km，共布设64条横断面。东辽河分析河段共长111 km，共布设54条横断面。辽河干流分析河段长980 m，共布设2条横断面。平均横断面间距2.09 km。

2.2 泛滥区二维模型

2.2.1 网格划分

网格生成技术是计算流体力学和计算水力学成功实现数值模拟的关键前提之一，网格质量的好坏将直接影响到计算结果的收敛及精度。网格生成的实质是物理求解域与计算求解域的转换，在求解具有复杂几何形状的流场时，适当的网格生成是一个十分关键的问题。

网格布置应符合水流运动特点、易于建立、比较光滑和规则、满足计算精度和稳定性要求、便于组成高效的数据结构、必要时可随时依解的梯度做适应性调整等原则。无结构网格具有复杂区域适应性好、局部加密灵活和便于自适应的优点，能很好地模拟自然边界及复杂的水下地形，提高边界模拟精度，因此这次洪水风险分析采用三角形无结构网格对洪水淹没影响区域进行剖分。采用三角形网格进行计算范围内区域的网格划分。在网格剖分过程中，以西辽河右岸防洪保护区的计算范围作为边界约束条件，将河流等导水通道以及各类阻水建筑物作为内部约束条件，并控制最大网格面积不超过0.1 km2为标准进行网格划分，对于特殊地形地物，如公路、铁路及地形突变等，进行网格局部加密处理。［3］

2.2.2 线状地物处理

前期已收集防洪保护区内影响洪水演进的线状构筑物基本参数，主要包括：阻水建筑物宽度、高程等。模型中，用线状计算模块DIKE来概化方案中各线状构筑物。对各线状阻水构筑物中桥、涵等过水建筑物的概化，采用在地形中相应位置不加阻水线状物高程，直接用大地地形或中断DIKE、设置缺口的方法进行处理。当桥涵跨度较小时，洪水流场发生突变，模型计算会出现不稳定的情况，因此这次概化采取将几个小跨度桥涵并成一个大跨度缺口，并适当修改地形、加高局部地形网格的方法解决模型不稳定的问题。概化后水流总体流路与实际地形条件基本吻合。

2.3 一、二维耦合模型

河道一维水动力数学模型和二维泛滥区的模型是通过MIKE ZERO里的MIKE FLOOD建立耦合连接的。河道里的水通过溃口所在虚拟支流流出，在MIKE FLOOD里地形的相应位置处设置标准连接LINK模块，使水进入泛滥区。当二维堤防沿线水位高于堤顶高时发生回流时，在MIKE FLOOD里地形的相应位置处设置侧向连接，使水从二维漫进一维河道。

3 模型参数选取与率定

3.1 河道模型参数率定

河道一维水动力数学模型的主要参数是糙率。根据这次收集的三江口省界堤防工程设计时推求的本河段设计洪水水面线作为参考依据，结合郑家屯水文站实测洪水资料，调试率定河段糙率。

分析河段内郑家屯水文站1998年实测洪水，作为典型推求100年一遇洪水设计洪水过程线作为上游边界条件，推求河段洪水水面线，并据此与三江口省界堤防工程可研设计时推求的该河段设计洪水水面线作为比较，反复调试河道糙率，直至这次推求的河段洪水水面线与三江口省界堤防工程设计时推求的水面线符合较好。

这次水面线模拟成果与堤防可研水面线成果符合较好，模拟值与可研成果比较水位最大相差19 cm。两者水位相差原因是这次采用一维非恒定流数学模型计算水面线，而堤防可研设计，采用简化的恒定非均匀流公式计算水面线，两种方法计算成果存在一定差别。调试参数率定结果显示，西辽河干流河道各河段主槽糙率变化范围在0.027～0.035之间，滩地糙率变化范围在0.03～0.06之间。

3.2 二维模型参数选取

防洪保护区下垫面类型及糙率的选取，对洪水分析结果有较大影响，地表类型及糙率确定的准确性，取决于对下垫面地物分析的精度和用来率定模型糙率所需的实际洪水资料的准确性和全面性。由于防洪保护区暂时无率定模型糙率的实测或调查洪水资料，这次收集了的双辽市土地利用规划图中的西辽河右岸防洪保护区土地利用和地物分布情况，同时，采用ERDAS IMAGINE软件提取和分析该区域卫星图片地表信息的方法，来复核了土地利用规划图中地物分布情况，两者主要地物分布基本一致。因此，该次根据土地利用规划图土地利用和地物分布情况，并参考《洪水风险图编制导则》［1］有关于各类下垫面糙率的数值选取下垫面糙率。保护区内主要地物情况为旱田、村庄、林地、树丛以及道路，其中旱田地区为保护区内最基本地物类型，占整个保护区面积的约80%。旱田地区糙率选取为0.06，村庄地区糙率选取为0.07，林地地区糙率选取为0.065，树丛地区糙率选取为0.06，道路地区糙率选取为0.035。

4 模型验证

4.1 一维水动力模型验证

这次洪水分析计算河段内以郑家屯水文站作为模型验证依据站。以该站实测洪水过程进行模型验证，计算初始流量给定为上边界的计算初始流量，各断面初始水位值通过对上下边界计算初始时刻水位值线性插值得到。将模型计算的郑家屯站断面流量过程、水位与实测流量过程、水位进行比较，验证模型计算成果的合理性、可靠性。郑家屯站模型计算成果与实测成果对比图，见图2～图3。

图2 计算流量与实测流量比较图

图3 计算水位与实测水位比较图

从郑家屯站验证成果来看，模型计算流量与实测流量过程符合很好，洪峰出现时间基本一致，验证计算流量与实测流量最大流量相差20 m3/s，最大流量相对误差仅为1.41%。验证计算水位与实测水位过程比较，水位变化过程形状基本一致。

4.2 二维水动力模型验证

该区域无历史洪水堤防溃口淹没调查资料，西辽河干流上游内蒙古境内在1954年、1959年、1962年洪水中发生了堤防决口。本次参考上述决口调查资料对二维水动力模型进行验证。

验证计算采用的决口入流过程线，分别参考各年决口附近主要控制断面的典型洪水过程线并结合调查的决口入流水量、历时、最大流量等资料综合拟定。计算验证所需堤防决口时间、决口入流过程、淹没范围、历时、水深等参数多为灾后调查，有些会与实际有一定出入，其中淹没范围分布、淹没面积等参数一般认为误差较小，因而验证时主要考虑使上述参数趋于吻合。

表1列出了各年的洪水计算结果与调查资料的比较，从表中可以看到各年的洪水计算的淹没范围及分布等与调查资料基本符合，模型均得到较好的验证。