基于MIKE11模型的平原感潮河網城市防洪規劃研究

曹宇航，袁文秀，李衛東，欒 慕，周 宏，劉 俊

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2.江蘇水利工程規劃辦公室，南京 210029)

近年來，氣候變化異常，極端降雨天氣頻發，城市防洪標準的偏低導致內澇問題加劇，特別是人口眾多、經濟發達、河道湖泊密布、地勢低洼易澇的平原感潮河網城市[1]。此類區域受季風活動和潮汐作用影響顯著，防洪排澇形勢極為嚴峻。同時近年來城市化的快速發展使城市不透水面積比增大，徑流系數提高，洪量增加，洪峰出現時間提前，洪峰過程變得尖瘦，平原感潮河網地區城市的防洪現狀措施早已不堪重負，進行新的城市防洪規劃迫在眉睫。為了加強城市防洪治澇工作，防御、減輕洪澇災害，本文將結合區域防洪的特征，選用合理的方法，經過計算分析，對研究區域的防洪規劃提出意見。

1 研究方法

平原感潮河網城市防洪的關鍵在于控制市區境內主要河道的水位。對研究區域內河網以及可控水工建筑物通過MIKE11模型進行概化。計算河道現狀工況及規劃工況在100年一遇設計暴雨情況下的水位。對比實施規劃前后區域內主要河道的水位變化，分析實施規劃方案帶來的防洪效果。

丹麥DHI公司開發的是目前世界上領先，經過實際工程驗證最多的，被水資源研究人員廣泛認同的優秀軟件。MIKE11模型是模擬一維水流和水質的國際化工程軟件經過大量工程實踐驗證,被證明適用于包括復雜平原河網在內的一維非恒定流計算[2]。本次研究涉及降雨徑流模塊NAM和水動力模塊HD。

在NAM模塊中，通過植物土壤根區儲水層、地表儲水層等4個相互影響的儲水層的水量模擬產匯流過程[3]。NAM模塊中的參數可先根據區域自然特征選取初值，然后根據計算需要和率定結果調整參數。

水動力模塊中用一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態[4]。質量守恒方程見公式(1)，動量守恒方程見公式(2)。

(2)

式中：x、t分別為計算點空間和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為過流流量；h為水位；q為旁側入流流量；C為謝才系數；R為水力半徑；α為動量校正系數；g為重力加速度。

本次研究中將降雨徑流模塊的計算結果作為水動力模塊的流量輸入條件。在水動力模塊中，對研究區域主要河道進行概化，結合工程的實際情況，對閘、泵站等可控水工建筑物設置合理的調度規則，模型便可通過不同的調度方案和優先級自動控制調整水工建筑物的運行[5]。最終實現降雨徑流模塊和水動力模塊的耦合，極大地提高了模型對實際工程的模擬能力。

2 案例分析

2.1 研究區域概況

海門市位于江蘇省的東南部，東瀕黃海，南倚長江，素有“江海門戶”之稱。海門市屬于感潮平原河網地區，水系發達、地勢平坦、水文條件復雜，根據以往規劃將海門市劃分為5個片區(見圖1)。本文主要研究通啟西片。

圖1 研究區域概況Fig.1 Overview of research area

海門城區河道基本和流域性河道相連。城區地勢較高，排水比較順暢，內澇情況不嚴重。研究區域內包含新江海河、滸通河、海門河、通啟運河等主要河道，研究區域水系圖見圖2。

圖2 研究區域水系圖Fig.2 Generalized graph of research area

2.2 河網概化

本次概化以新江海河、通啟運河、海門河為干流，其他河道為支流形式匯入干流。對研究范圍的河道進行了細化，對雨水防澇中的城市內河進行了加密。人工河道斷面概化為棱柱形，天然河道斷面根據一定的原則概化為棱柱形。河道概化的基本原則為：主要河道不要合并；次要的起輸水作用的小河道，可以把幾條河道合并成一條概化河道；基本上不起輸水作用的河道作為陸域面上的調蓄水面處理[6]。

涉及水工建筑物新江海河閘、立新閘、海門港閘、日新閘、青龍港閘、大洪新閘。均采用MIKE11中的可控水工建筑物概化?，F狀工況下，河網共概化河道30條，河道節點共87個，入江閘站共8座，河道與水工建筑物概化見圖3。

圖3 河道與可控水工建筑物概化圖Fig.3 Generalized graph of rivers and controllable hydraulic structures

區域產流模塊：平原河網錯綜復雜,同時由于人為干預以及河網概化等因素的影響使得降雨徑流在集水區域內部之間的分配變得比較困難[7]。本次研究在綜合考慮河道的流向、所在地的地形特點以及區域下墊面情況等條件下，以各主干河道為基本邊界，根據排水方向進行集水區域的劃分見圖4，劃分為17個分區。

圖4 集水區域劃分圖Fig.4 Division of catchment areas

2.3 設計暴雨計算

為保證降雨資料具有足夠的時間長度，采用海門市鄰近的南通港閘水文站1963-2012年的降雨資料，并找出每年的最大1日、3日、7日降雨量，依此為基礎進行排頻計算，計算結果見表1。利用皮爾遜-Ⅲ型曲線進行適線，使得三線互相配合、結果合理，進而得出30年一遇、50年一遇、100年一遇各不同時段的降雨量見表2。按照“峰高量大峰偏后”的原則，選取1991年6月10日至16日的降雨過程作為典型暴雨。采用同頻率法進行縮放，得出30年一遇、50年一遇、100年一遇的設計暴雨過程，見圖5。

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

表2 各時段設計雨量 mm

圖5 設計暴雨過程Fig.5 Design rainstorm process

2.4 水文邊界分析

感潮河網地區沿江河道洪水要素受到區域暴雨與長江潮位共同影響，必須考慮區域暴雨與長江潮位的頻率組合[8]。海門市沿江潮位主要受海潮影響，受上游洪水、區域暴雨影響相對較小，長江潮位與區域暴雨相關關系較差，且沿江有水閘控制，長江潮位對內河水位影響較小，區域暴雨成為洪水的主要控制因素。因此，當區域發生設計暴雨時，長江潮位需人為確定配合頻率。如果配合頻率取值過大，則計算出的防洪水位過高，造成浪費；配合頻率取值過小，則計算結果偏不安全，降雨潮位組合見圖6。

圖6 降雨潮位組合Fig.6 Rainfall and tidemark combination

根據天生港、青龍港、三條港的歷年實測潮位資料，進行頻率計算，得到2年一遇的高潮位，并根據統計資料得出兩年一遇的潮型見圖7。采用2年一遇潮位過程，用MIKE模型的NAM模塊計算本次設計暴雨的產流過程，洪峰時刻對應當天的最高潮位時刻，以此方式組合對防洪偏不利，計算結果偏安全。通啟運河上游100年一遇流量過程線，以及通啟運河、海門河100年一遇下游水位過程線作為水文邊界。

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

2.5 不同工況計算結果及分析

進行防洪規劃后在現狀河網模型的基礎上在中心城區增加了新建的閘站和排澇泵站等水工建筑物，實施方案見表3。

表3 規劃工況與實施方案Tab.3 Planning conditions and implementation plan

研究區域在現狀工況與規劃工況A情況下遭遇100年一遇降雨時主要河道水位計算結果見表4。

表4 現狀工況與規劃工況A100年一遇計算水位Tab.4 Hundred years water level of current situation conditions and planning conditions A

水位對比分析：在規劃工況A改、擴、新建沿江閘站工程措施下，區域排水能力加大，并阻止長江高潮位的頂托倒灌，河道100年一遇設計水位均有所降低，除新江海河、通啟運河等區域骨干河道外，其余河道降幅為4～6 cm。新江海河水位未有顯著降低是因為其主要承接上游大范圍的洪水，擴建沿江閘站雖加大了排水能力，但對新江海河的大規模洪水并無太大影響。通啟運河水位未顯著降低，主要是因為其離長江較遠，不管是自排長江還是通過其他河道排入長江，排水通道都較長，需要較長的時間才能洪水排出，因而規劃的工程對其影響不明顯。

研究區域在現狀工況與規劃工況B情況下遭遇100一遇降雨時主要河道水位計算結果見表5。

表5 現狀工況與規劃工況B100年一遇計算水位Tab.5 Hundred years water level of Current Situation conditions and planning conditions B

水位對比分析：在規劃工況B下，除新江海河外，河道100年一遇設計水位與現狀比較均有較大降幅：因在通啟運河、海門河與新江海河交界處規劃新建了節制閘，新江海河的洪水無法向通啟運河、海門河排除，因此新江海河水位上升38 cm；通啟運河因新建了閘站阻擋了上游來水，沿江改、擴、新建了主要閘站，與現狀相比，水位降幅較大，為20 cm；海門河也因修建了節制閘及沿江改、擴、新建了主要閘站，水位下降了18 cm；因通啟運河、海門河等骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降，降幅為10～16 cm。

研究區域在規劃工況A與規劃工況B情況下遭遇100年一遇降雨時主要河道水位計算結果見表6。

水位對比分析：在規劃工況B下，除新江海河外，河道100年一遇設計水位與工況A比較又有所降低：因在通啟運河、海門河與新江海河交界處規劃新建了節制閘，新江海河的洪水無法向通啟運河、海門河排除，因此新江海河水位上升40 cm；通啟運河因新建了閘站阻擋了上游來水，與工況A相比，水位降幅較大，為17 cm；海門河也因修建了節制閘水位下降了13 cm；因通啟運河、海門河等骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降，降幅為4～10 cm。

表6 規劃工況A與規劃工況B100年一遇計算水位Tab.6 Hundred years water level of planning conditions A and planning conditions B

3 結 語

本文采用了MIKE11模型的水動力HD和降雨徑流NAM模塊對研究區域水系的河網匯流和洪水過程進行了數值模擬，在對比了現狀工況水位與規劃工況水位以及分析了規劃實施效果后得到主要結論如下。

(1) 感潮河網地區沿江河道洪水要素受到區域暴雨與長江潮位共同影響，必須考慮區域暴雨與長江潮位的頻率組合。當區域發生設計暴雨時，長江潮位需人為確定配合頻率。合理選擇組合頻率，能在避免浪費的同時使規劃結果安全可靠。

(2) 改、擴、新建沿江閘站工程措施下，區域排水能力加大，并阻止長江高潮位的頂托倒灌，河道100年一遇設計水位均有所降低。骨干河道新建了閘站阻擋了上游來水，沿江改、擴、新建了主要閘站。骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降。

(3) 海門市是江海平原區洪水入江的主要通道。治理江海平原區域洪水主要工程是完善海門市骨干河網，在長江低潮期排出江海平原區上游洪水，降低河道水位以保障城市安全。對于低于設計洪水位的建成區，通過規劃建設骨干河道沿線控制工程，建立防洪分片，按高低分片排除洪水。對于一些不能自排的低洼區，可以建立聯圩抵御洪水。

(4) 本文計算的成果較為合理可靠，表明MIKE11模型在平原感潮河網城市防洪規劃中具有一定的應用價值。

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