基于MIKE11模型與GIS的平原感潮城市洪澇災害研究

諸葛緒霞，呂 軍，任錦亮

(鹽城市水利勘測設計研究院，江蘇 鹽城 224002)

洪澇災害是我國影響最嚴重的自然災害之一，感潮地區(qū)由于受潮水位的頂托，常常發(fā)生更嚴重的洪澇災害，嚴重影響地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。近年來，氣候變化異常，極端降雨天氣頻發(fā)，城市防洪標準的偏低導致內(nèi)澇問題加劇，特別是人口眾多、經(jīng)濟發(fā)達、河道湖泊密布、地勢低洼易澇的平原感潮河網(wǎng)城市[1]。

洪澇災害研究一直是國內(nèi)外研究的熱點，但針對沿海感潮城市洪澇災害的研究相對較少[2]。城市排澇標準一般是以城市發(fā)生一定重現(xiàn)期的設計暴雨不受淹為準，而對于感潮城市，設計暴雨過程與設計潮水位過程的時間組合對城市洪澇災害的影響很大。因此，只用設計暴雨或設計潮位的重現(xiàn)期來描述感潮城市的治澇標準不能真正衡量感潮城市應對洪澇災害的能力。

目前用于分析城市暴雨洪澇災害的水力學模型有丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列模型，美國環(huán)境保護署開發(fā)的SWMM模型，歐洲委員會聯(lián)合研究中心開發(fā)的LISFLOOD模型等。其中，DHI的MIKE系列模型由于其界面友好，功能全面，廣泛應用在國內(nèi)外城市洪澇災害研究中[3，6-7]。文章以響水縣城為例，構建MIKE11水動力河網(wǎng)模型，模擬分析設計暴雨及設計潮位的組合對城市洪澇災害程度的影響，分析不同的防洪排澇工程措施對降低城市洪澇災害的效果，從而為城市防洪排澇工程的規(guī)劃和建設提供依據(jù)。

1 研究方法

平原感潮城市一般通過沿海擋潮閘自排或通過排澇泵站抽排排除城市區(qū)域澇水，沿海擋潮閘的排澇能力取決于上游水位及下游潮位，采用傳統(tǒng)的水量平衡法無法準確地反應城市排澇過程。

丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE11模型是模擬一維水流和水質(zhì)的國際化工程軟件，經(jīng)過大量工程實踐驗證，被證明適用于包括復雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計算[4]。文章采用MIKE11模型對城市河網(wǎng)、擋潮閘、排澇泵站等建筑物進行概化，模擬不同排澇工程、設計暴雨及設計潮型的組合工況下城市主要河道的水位過程。同時，通過GIS風險分析繪制不同工況下區(qū)域的淹沒范圍，從而分析暴雨、潮位及排澇工程對城市洪澇災害的影響。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域概況

響水縣位于江蘇省東北部，地處淮河下游，響水縣城屬于平原感潮河網(wǎng)城市，位于北部灌河沿岸，S326以北，沈海高速以西，地勢較低。以運響河為界，分為城東片、城中片兩個主要片區(qū)。響水縣城澇水主要通過灌河沿線擋潮閘及排澇泵站直接排入灌河，灌河是江蘇省唯一無控制的一條天然入海潮汐河道。

2.2 模型構建

2.2.1 河網(wǎng)及建筑物概化

采用MIKE11一維非恒定水動力學模型，建立響水縣城排水范圍內(nèi)河網(wǎng)水利計算模型。響水縣城南北向主要匯水河道有三洪河、宣圩河、老小黃河、新小黃河等，東西向主要匯水河道有一排河～八排河，其他無輸水功能的河道、湖泊等作為調(diào)蓄水面處理。灌河沿線主要排澇擋潮閘有三洪閘、宣圩閘、小黃河閘等，采用MIKE11河網(wǎng)文件中CONTROLSTR概化，沿線主要排澇泵站有宣圩泵站、城區(qū)排澇二閘站、城區(qū)排澇一閘站、幸福閘站等，采用MIKE11河網(wǎng)文件中PUMP概化，如圖1所示。

2.2.2 模型控制參數(shù)

(1)徑流系數(shù)

根據(jù)GB/T 50805—2012《城市防洪工程設計規(guī)范》，城市防洪綜合徑流系數(shù)的大小與城市建筑密度相關，城市綜合徑流系數(shù)見表1。

表1 城市綜合徑流系數(shù)表

結合響水縣城城市發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，根據(jù)地物分類統(tǒng)計計算響水縣城中片、城東片綜合徑流系數(shù)分別為0.61，0.54。

(2)初始水位

響水縣城警戒水位為2.0m，當天氣預報臺風、暴雨、高潮可能并發(fā)時，沿海涵閘要提前開閘排水。根據(jù)響水縣防汛抗旱要求，汛期排澇期，沿灌河邊排水涵閘應適當降低閘上水位，根據(jù)各閘的排水能力和排水面積控制在1.2～1.5m，如預報有特大暴雨，須將閘上水位預降至1.0m以下。

(3)建筑物調(diào)度規(guī)則

根據(jù)響水縣防汛抗旱要求，制定沿線排澇擋潮閘調(diào)度規(guī)則：預報有大暴雨時，當閘上水位超過欲降控制水位且高于閘下潮位時，閘門開啟；當閘上水位超過預降控制水位且低于閘下潮位時，閘門關閉；當閘上水位低于欲降控制水位時，閘門關閉。排澇泵站調(diào)度規(guī)則：當閘上水位超過預降控制水位且閘門關閉時，開啟泵站；當閘門開啟，但閘上水位超過預降控制水位以上20cm且繼續(xù)上升時，開啟泵站。

圖1 響水縣城MIKE11河網(wǎng)文件概化示意圖

2.3 設計暴雨

由于響水縣城面積較小，對響水縣城排澇影響最大的以短歷時暴雨為主，一般不超過24h。根據(jù)相關規(guī)范，響水縣設計暴雨選用24h暴雨，設計雨型根據(jù)《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984)按1h進行分配。

(1)最大1h暴雨

最大1h暴雨采用鹽城市暴雨強度公式計算，計算結果見表2。公式如下：

式中，i—暴雨強度，mm/min；P—重現(xiàn)期，年；t—降雨歷時，min。

表2 響水縣城最大1h暴雨計算成果表

(2)最大24h、12h、6h暴雨

采用響水口站1965—2014年最大24h、最大12h、最大6h暴雨資料進行頻率分析計算，計算結果見表3。

2.4 設計潮型

根據(jù)相關規(guī)范，對于承泄區(qū)為海域或感潮河段，設計潮水位過程線，可采用實測潮水位作為典型或平均偏不利的潮水位過程分析計算確定。

根據(jù)1951—2014年最高潮位頻率分析成果，響水口50%最大1日高潮潮位為3.5m，從歷年的實測潮位資料中，選取高潮位與P=50%時的設計高潮位接近的完整自然潮位過程中若干個太陽日全潮作為參照潮型。將選取的各參照潮型的漲(落)潮的潮位、歷時進行概化平均，得到50%排澇潮型過程線。

2.5 暴雨發(fā)生時間對區(qū)域洪澇災害的影響分析

根據(jù)GB/T 50805—2012，結合響水縣城人口規(guī)模、防洪對象等確定響水縣城規(guī)劃排澇標準為20年一遇。通過模型計算響水縣城發(fā)生20年一遇設計暴雨時，得出設計暴雨與設計潮型不同時間組合工況下的排澇過程。設計暴雨工況以小時為單位逐時段平移(如圖2所示)，模型計算從暴雨峰值對應0點潮位至暴雨峰值對應23點潮位共24個工況的區(qū)域最高水位(工況0為暴雨峰值對應0點潮位，以此類推)。各工況最高水位與暴雨峰值對應的潮位關系、最高水位之間的變化規(guī)律見表4，如圖3所示，利用GIS風險分析繪制幾種典型工況下響水縣城最大淹沒范圍，如圖4所示。

表3 響水縣城最大6h、12h、24h降雨頻率分析成果表

圖2 設計暴雨與設計潮型遭遇工況示例圖(圖中只標注了8種典型工況)

圖3 各工況區(qū)域最高水位及相鄰工況區(qū)域最高水位變化率

圖4 最安全工況、平均工況、最不利工況洪水淹沒范圍圖

根據(jù)不同工況計算結果圖表分析，暴雨發(fā)生時間對響水縣城區(qū)域排澇能力的影響較大。暴雨峰值遭遇高潮位時，最不利工況5區(qū)域最高水位為3.19m，比最有利工況區(qū)域最高水位高33cm。暴雨峰值遭遇漲潮時，暴雨峰值發(fā)生的時間對區(qū)域排澇能力的影響非常大，工況16比工況15暴雨過程僅滯后1h，最高水位比工況15高21cm；工況3比工況2暴雨過程滯后1h，最高水位比工況2高17cm。當峰值遭遇落潮時，暴雨峰值發(fā)生的時間對區(qū)域排澇能力的影響很小，工況0～工況2、工況12～工況14、工況22～工況23區(qū)域最高水位基本相同。根據(jù)各工況水位計算結果，通過GIS風險分析繪制工況2(最安全工況)、工況5(最不利工況)、工況8(平均工況)3種典型工況下的洪水淹沒范圍圖，如圖5所示。三種典型工況洪水淹沒面積占總面積的比例分別為：最安全工況29%，平均工況47%，最不利工況82%。

2.6 工程措施對區(qū)域洪澇災害的影響分析

沿海感潮城市提高排澇能力的主要工程措施有兩個方面，一是擴大自排能力，二是新增抽排動力。選擇暴雨過程對應潮位平均偏不利工況，計算20年、50年一遇設計暴雨不同工程措施對區(qū)域排澇能力的影響。

2.6.1 排澇閘擴建規(guī)模對排澇能力的影響

以城中片為例，城中片主要自排出口為三洪閘(現(xiàn)狀閘孔凈寬5m，底高程-1m)。分別計算20年、50年一遇設計暴雨不同閘孔規(guī)模城中片最高水位，計算結果見表5。

根據(jù)表5，三洪閘閘孔凈寬從現(xiàn)狀5m擴大到6m時，區(qū)域最高水位可降低8～11cm，繼續(xù)增加閘孔凈寬區(qū)域最高水位僅減小1～2cm；三洪閘底板面高程從現(xiàn)狀-1.0m降低到-1.5m時，區(qū)域最高水位減小3cm；閘底板面高程降低到-2.0m時，區(qū)域最高水位降低5cm；繼續(xù)降低閘底板面高程對區(qū)域排澇能力沒有影響。經(jīng)分析，由于三洪閘上游河道規(guī)模河底寬度為6m、河底高程為-1.0m，當閘孔凈寬增加到6m、閘底板面高程降低到-1.0m時，河道標準成為限制區(qū)域排澇能力的主要因素，因此繼續(xù)增加閘規(guī)模的經(jīng)濟效益較小。

表4 各工況暴雨峰值對應潮位及區(qū)域最高水位

表5 三洪閘規(guī)模對區(qū)域排澇能力的影響

2.6.2 新增抽排動力對排澇能力的影響

城中片現(xiàn)狀抽排流量為9m3/s，在自排能力不變的情況下(三洪閘規(guī)模統(tǒng)一設置為閘孔凈寬6.0m，閘底板面高程-1.0m)，計算20年、50年一遇設計暴雨工況下增加抽排流量區(qū)域最高水位的變化，計算結果見表6。

表6 增加抽排流量對區(qū)域排澇能力的影響

根據(jù)表6，20年一遇設計暴雨工況，每增加5m3/s抽排動力，區(qū)域最高水位降低約4～5cm；50年一遇設計暴雨工況，每增加5m3/s抽排動力，區(qū)域最高水位降低約2～3cm。與增加閘規(guī)模相比，增加抽排動力對區(qū)域排澇能力的影響較小，且暴雨越大，效果越不明顯。

3 結論

文章采用MIKE11模型結合GIS風險分析對研究區(qū)域不同工況洪水過程及淹沒范圍進行了數(shù)值模擬，得到以下結論。

(1)暴雨峰值與潮位遭遇時間是影響平原感潮城市洪澇災害的主要因素，對區(qū)域暴雨峰值與潮位的遭遇概率進行分析統(tǒng)計尤為重要，但對統(tǒng)計資料的長期性要求較高。在暴雨潮位資料比較完整的地區(qū)，建議將感潮城市防洪排澇規(guī)劃的重現(xiàn)期定義為設計暴雨峰值與潮位的組合重現(xiàn)期。

(2)平原感潮城市排澇能力受沿海排澇擋潮閘的自排能力影響較大，在進行感潮城市防洪排澇規(guī)劃及建設時，建議優(yōu)先考慮增加自排動力及河道調(diào)蓄能力等方面的工程措施。