基于MIKE模型的潖江水面线计算分析

卢 真 建

(广东省水利电力规划勘测设计研究院，广州 510635)

1 概 况

潖江蓄滞洪区位于广东省飞来峡水利枢纽下游约10 km的北江左岸，见图1，涉及清远市清城区及佛冈县，区内地势低洼，一般地面高程12.00～18.00 m。潖江发源于佛冈县水头镇，向西流与浮良水、四九水、民安水、潖二水、高桥水等支流会合后于江口汛汇入北江。潖江河口位于北江干流飞来峡峡谷进口附近，受飞来峡峡谷的束水顶托，当北江干流流量大于2 000 m3/s 时，北江一部分水流即可倒灌流入，是北江下游天然的洪泛区，对北江洪水有分流和滞蓄作用[1-3]。

图1 潖江蓄滞洪区位置示意图

潖江蓄滞洪区是北江中下游防洪工程体系组成部分，珠江流域防洪工程体系的总体布局将潖江蓄滞洪区列为一般蓄滞洪区。潖江蓄滞洪区蓄滞洪水作用明显，对防御流域目标洪水具有不可替代的作用。潖江蓄滞洪区与北江飞来峡水利枢纽联合运用，将包括广州市在内的北江大堤保护区防洪的能力由100 a一遇提高到300 a一遇，同时将北江中下游的清东、清西等堤围的防洪能力由50 a一遇提高到100 a一遇。

2 水动力数学模型

2.1 模型构建思路及建模范围

MIKE软件在河道水面线计算中应用广泛[4,5]，本文潖江蓄滞洪区洪水分析选用MIKE模型系列进行构建，选用MIKE11(一维)水动力学模型计算潖江水面线，模型上边界北江以飞来峡(横石)站控制，潖江以大庙峡站控制，滨江以珠坑站控制，模型下边界以石角站水位流量关系控制，模型概化结果见图2。河道断面采用2016年研究区域内干支流河道断面测量数据，共410个断面。蓄滞洪区围内蓄水采用Dem数据(5 m×5 m)提取的蓄水水位～库容曲线概化。

图2 模型概化结果

2.2 模型率定和验证

建国后潖江发生较大洪水的有1964、1966、1968、1982、1983、1994、1997、2006、2013、2014年等年份。北江河段1999年飞来峡水利枢纽、2011年清远水利枢纽相继建成，一定程度引起北江河道水文条件的改变。为了保证构建模型具有实用性，能真实反映现阶段的流域洪水特性，为潖江蓄滞洪区的建设与管理研究工作提供可靠的数据，本文模型参数的确定选取“2013.08”洪水率定，“2014.05”洪水验证。

(1)模型的率定。受2013年第11号超强台风“尤特”和西南季风的共同影响，广东省普降暴雨到大暴雨，北江干流发生超20 a一遇洪水，北江石角站洪峰流量达16 700 m3/s。该场洪水过程首先由北江支流连江2013年8月14日起涨，西、北江和珠江三角洲主要控制站分别在8月18-20日达到洪峰。模型率定实测资料则采用北江干流横石站和大庙峡站的资料，下边界为石角水文站。率定及验证站点主要有石角站(流量)、清远站(水位)、飞来峡站(水位)和江口圩站(水位)。模拟计算过程为8月14-24日，率定结果见表1及图3。由结果可知，模型拟合过程与实测成果基本吻合，表明模型能正确反映该河段水位及流量的空间分布特性。

表1 “2013.08”洪水模型计算最大值与实测最大值比较

(2)模型验证。选取“2014.05”洪水对北江一维数值模型进行验证。

受偏南暖湿气流与高空槽共同影响，2014年5月21-24日流域东部出现强降雨过程。受强降雨影响，北江出现2014年1号洪水，支流潖江发生特大洪水，石角水文站24日12时出现10.55 m的洪峰水位，接近警戒水位(11.00 m)，相应流量14 800 m3/s，为超10 a一遇中等洪水。支流潖江大庙峡水文站23日14时出现洪峰水位51.70 m，相应流量1 800 m3/s，重现期超20 a一遇，为1960年建站以来第2大洪水。“2014.05”洪水条件下模型计算结果与实测数据的比较见图4及表2。由结果可知，模型拟合洪水成果较好，清远站计算最高水位为13.559 m，与实测成果13.588 m相差仅0.03 m，江口圩站、飞来峡站水位与实测值相差0.09 m；石角站模型计算洪峰流量16 030 m3/s，与实测成果16 000 m3/s较吻合，满足模型验证要求。

图3 “2013.08”洪水率定结果

图4 “2014.05”洪水验证结果

表2 “2014.05”洪水模型计算最大值与实测最大值比较

2.3 河道地形变化影响分析

由于未收集到潖江2016年以前河道地形数据，本次主要分析北江干流飞来峡-石角段河床变化情况，沿北江干流飞来峡-石角段上游至下游，切取69个断面进行河道演变分析，部分断面不同年代变化见图5。通过河床演变分析，1999-2016年，北江干流飞来峡-石角段河宽基本没有变化，深弘高程和平均河底高程均有所降低、河道过水断面面积增加、河相系数大部分断面减小。主要原因是飞来峡水利枢纽建成运行后，拦蓄一部分砂，坝址下游冲刷及河道采砂影响。未来随着河道采砂管理不断加强，北江干流河道演变将向自然演变方向发展，逐步向稳定或恢复的过程。

本次模型计算中研究区域内干支流河道断面已采用2016年新测量数据，2013年、2014年洪水冲淤情况不会对本次率定和验证结果造成影响。

3 干支流遭遇分析

北江干流(横石站)与支流潖江(大庙峡站)洪水遭遇分为潖江为主、北江相应和北江为主、潖江相应2种工况：

(1) 潖江为主、北江相应。通过统计1960-2014年历年潖江最大洪峰与同期北江洪水遭遇情况，拟定潖江为主、北江相应工况的遭遇情况，见图6。经典型点趋势分析计算，潖江20 a一遇遭遇北江(横石站)洪水的重现期为5 a，潖江50 a一遇遭遇北江(横石站)洪水的重现期为15 a。

图5 北江飞来峡-石角部分断面1999-2016年变化情况

图6 潖江为主、北江相应历年洪水遭遇情况

(2) 北江为主、潖江相应。通过统计1960-2014年历年北江(横石站)最大洪峰与同期潖江(大庙峡站)洪水遭遇情况，拟定北江为主、潖江相应工况的遭遇情况，见图7。经典型点趋势分析计算，北江(横石站)20 a一遇遭遇潖江洪水的重现期为10 a，北江(横石站)50 a一遇遭遇潖江洪水的重现期为20 a。北江为主、潖江相应的遭遇情况与可研阶段一致。

4 模型边界条件

4.1 北江干流横石站设计洪水

横石站是北江干流重要水文站点之一，1953年4月10日设立，位于北江干流中游，距连江汇入口约25 km，下游约15 km处为飞来峡峡口，控制流域面积为34 013 km2，占北江流域面积的72.9%。1999年随着飞来峡水利枢纽建成投入运行，横石站移至飞来峡下游约2.7 km处，改称飞来峡站，为保持统一，本文仍称横石站。根据《北江飞来峡水利枢纽初步设计报告》、《珠江流域综合规划(2012-2030年)》和《珠江流域防洪规划》成果，北江干流横石站设计洪水[1-3]见表3。

图7 北江为主、潖江相应历年洪水遭遇情况

4.2 潖江及各支流设计洪水

由于大庙峡以上流域地形较陡，以山区丘陵为主，大庙峡以下至潖江口地形较为平缓，上下游地形差异较大，为计算潖江口设计洪水，本次根据上下游流域特征参数，采用综合单位线法分别计算大庙峡站和潖江口的洪峰及洪水过程，进而得到潖江出口洪峰、最大3 d洪量与大庙峡站的比例关系，即缩放系数。大庙峡和潖江出口以上流域特征参数见表4，大庙峡站和潖江口缩放系数成果见表5。

表3 北江干流横石站设计洪水成果

大庙峡至潖江口区间各支流设计洪峰流量分2种方法计算：方法①为集水面积内插法，即根据支流面积和支流汇合口以上干流面积推求汇合口上下的设计洪水，相减得支流设计洪水。方法②为按各支流面积比例计算得到，即按各支流面积占大庙峡-潖江口区间的面积比例，分摊区间洪水。这里以20 a一遇水面线为例，模型上边界20 a一遇洪水见表6。

4.3 模型下边界

水利部珠江水利委员会近期对石角站水位流量关系曲线再次进行复核，石角站水位流量关系采用最新复核成果，见表7。模型下边界采用石角水位流量关系曲线上线。根据广东省水利厅2002年颁布的《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线(试行)》，潖江口(“北江12”)20 a一遇、50 a一遇水位分别为21.30 m、22.36 m[6]，本次在模型计算中北江为主潖江相应工况潖江口重现期20 a、50 a水位分别以此作为控制。

表4 设计参数(综合单位线法)

表5 大庙峡与潖江口缩放系数成果

表6 模型上边界20 a一遇洪水

表7 石角站水位流量关系成果

5 水面线计算结果

本次水面线计算中大庙峡至潖江口区间各支流设计洪峰流量分别采用集水面积内插法和面积比例法进行计算，并比较2种方法水面线差别：2种方法计算结果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，见表8，本文推荐采用方法②按各支流面积比例计算结果。据此计算潖江各级频率水面线成果，见图8，其中江口圩10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇分别为20.38、21.40、21.88、22.35 m。

表8 潖江20 a一遇设计洪水水面线(2种方法比较) m

6 结 语

潖江水面线可为潖江蓄滞洪区运行调度管理，以及水闸、泵站、堤防等工程设计提供依据。本文采用MIKE模型构建潖江蓄滞洪区水动力模型，并进行模型的率定和验证，通过分析北江干流(横石站)和支流潖江(大庙峡站)洪水遭遇情况，分为潖江为主、北江相应和北江为主、潖江相应2种工况，进而列出模型所需上、下边界条件，其中潖江各支流设计洪水采用集水面积内插法和面积比例法进行计算比较，2种方法结果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，推荐采用面积比例法计算成果，依此分别计算潖江其他频率水面线。

图8 潖江各级频率水面线成果

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