基于MIKE模型的潖江水面線計算分析

盧 真 建

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣州 510635)

1 概 況

潖江蓄滯洪區位于廣東省飛來峽水利樞紐下游約10 km的北江左岸，見圖1，涉及清遠市清城區及佛岡縣，區內地勢低洼，一般地面高程12.00～18.00 m。潖江發源于佛岡縣水頭鎮，向西流與浮良水、四九水、民安水、潖二水、高橋水等支流會合后于江口汛匯入北江。潖江河口位于北江干流飛來峽峽谷進口附近，受飛來峽峽谷的束水頂托，當北江干流流量大于2 000 m3/s 時，北江一部分水流即可倒灌流入，是北江下游天然的洪泛區，對北江洪水有分流和滯蓄作用[1-3]。

圖1 潖江蓄滯洪區位置示意圖

潖江蓄滯洪區是北江中下游防洪工程體系組成部分，珠江流域防洪工程體系的總體布局將潖江蓄滯洪區列為一般蓄滯洪區。潖江蓄滯洪區蓄滯洪水作用明顯，對防御流域目標洪水具有不可替代的作用。潖江蓄滯洪區與北江飛來峽水利樞紐聯合運用，將包括廣州市在內的北江大堤保護區防洪的能力由100 a一遇提高到300 a一遇，同時將北江中下游的清東、清西等堤圍的防洪能力由50 a一遇提高到100 a一遇。

2 水動力數學模型

2.1 模型構建思路及建模范圍

MIKE軟件在河道水面線計算中應用廣泛[4,5]，本文潖江蓄滯洪區洪水分析選用MIKE模型系列進行構建，選用MIKE11(一維)水動力學模型計算潖江水面線，模型上邊界北江以飛來峽(橫石)站控制，潖江以大廟峽站控制，濱江以珠坑站控制，模型下邊界以石角站水位流量關系控制，模型概化結果見圖2。河道斷面采用2016年研究區域內干支流河道斷面測量數據，共410個斷面。蓄滯洪區圍內蓄水采用Dem數據(5 m×5 m)提取的蓄水水位～庫容曲線概化。

圖2 模型概化結果

2.2 模型率定和驗證

建國后潖江發生較大洪水的有1964、1966、1968、1982、1983、1994、1997、2006、2013、2014年等年份。北江河段1999年飛來峽水利樞紐、2011年清遠水利樞紐相繼建成，一定程度引起北江河道水文條件的改變。為了保證構建模型具有實用性，能真實反映現階段的流域洪水特性，為潖江蓄滯洪區的建設與管理研究工作提供可靠的數據，本文模型參數的確定選取“2013.08”洪水率定，“2014.05”洪水驗證。

(1)模型的率定。受2013年第11號超強臺風“尤特”和西南季風的共同影響，廣東省普降暴雨到大暴雨，北江干流發生超20 a一遇洪水，北江石角站洪峰流量達16 700 m3/s。該場洪水過程首先由北江支流連江2013年8月14日起漲，西、北江和珠江三角洲主要控制站分別在8月18-20日達到洪峰。模型率定實測資料則采用北江干流橫石站和大廟峽站的資料，下邊界為石角水文站。率定及驗證站點主要有石角站(流量)、清遠站(水位)、飛來峽站(水位)和江口圩站(水位)。模擬計算過程為8月14-24日，率定結果見表1及圖3。由結果可知，模型擬合過程與實測成果基本吻合，表明模型能正確反映該河段水位及流量的空間分布特性。

表1 “2013.08”洪水模型計算最大值與實測最大值比較

(2)模型驗證。選取“2014.05”洪水對北江一維數值模型進行驗證。

受偏南暖濕氣流與高空槽共同影響，2014年5月21-24日流域東部出現強降雨過程。受強降雨影響，北江出現2014年1號洪水，支流潖江發生特大洪水，石角水文站24日12時出現10.55 m的洪峰水位，接近警戒水位(11.00 m)，相應流量14 800 m3/s，為超10 a一遇中等洪水。支流潖江大廟峽水文站23日14時出現洪峰水位51.70 m，相應流量1 800 m3/s，重現期超20 a一遇，為1960年建站以來第2大洪水。“2014.05”洪水條件下模型計算結果與實測數據的比較見圖4及表2。由結果可知，模型擬合洪水成果較好，清遠站計算最高水位為13.559 m，與實測成果13.588 m相差僅0.03 m，江口圩站、飛來峽站水位與實測值相差0.09 m；石角站模型計算洪峰流量16 030 m3/s，與實測成果16 000 m3/s較吻合，滿足模型驗證要求。

圖3 “2013.08”洪水率定結果

圖4 “2014.05”洪水驗證結果

表2 “2014.05”洪水模型計算最大值與實測最大值比較

2.3 河道地形變化影響分析

由于未收集到潖江2016年以前河道地形數據，本次主要分析北江干流飛來峽-石角段河床變化情況，沿北江干流飛來峽-石角段上游至下游，切取69個斷面進行河道演變分析，部分斷面不同年代變化見圖5。通過河床演變分析，1999-2016年，北江干流飛來峽-石角段河寬基本沒有變化，深弘高程和平均河底高程均有所降低、河道過水斷面面積增加、河相系數大部分斷面減小。主要原因是飛來峽水利樞紐建成運行后，攔蓄一部分砂，壩址下游沖刷及河道采砂影響。未來隨著河道采砂管理不斷加強，北江干流河道演變將向自然演變方向發展，逐步向穩定或恢復的過程。

本次模型計算中研究區域內干支流河道斷面已采用2016年新測量數據，2013年、2014年洪水沖淤情況不會對本次率定和驗證結果造成影響。

3 干支流遭遇分析

北江干流(橫石站)與支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇分為潖江為主、北江相應和北江為主、潖江相應2種工況：

(1) 潖江為主、北江相應。通過統計1960-2014年歷年潖江最大洪峰與同期北江洪水遭遇情況，擬定潖江為主、北江相應工況的遭遇情況，見圖6。經典型點趨勢分析計算，潖江20 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現期為5 a，潖江50 a一遇遭遇北江(橫石站)洪水的重現期為15 a。

圖5 北江飛來峽-石角部分斷面1999-2016年變化情況

圖6 潖江為主、北江相應歷年洪水遭遇情況

(2) 北江為主、潖江相應。通過統計1960-2014年歷年北江(橫石站)最大洪峰與同期潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況，擬定北江為主、潖江相應工況的遭遇情況，見圖7。經典型點趨勢分析計算，北江(橫石站)20 a一遇遭遇潖江洪水的重現期為10 a，北江(橫石站)50 a一遇遭遇潖江洪水的重現期為20 a。北江為主、潖江相應的遭遇情況與可研階段一致。

4 模型邊界條件

4.1 北江干流橫石站設計洪水

橫石站是北江干流重要水文站點之一，1953年4月10日設立，位于北江干流中游，距連江匯入口約25 km，下游約15 km處為飛來峽峽口，控制流域面積為34 013 km2，占北江流域面積的72.9%。1999年隨著飛來峽水利樞紐建成投入運行，橫石站移至飛來峽下游約2.7 km處，改稱飛來峽站，為保持統一，本文仍稱橫石站。根據《北江飛來峽水利樞紐初步設計報告》、《珠江流域綜合規劃(2012-2030年)》和《珠江流域防洪規劃》成果，北江干流橫石站設計洪水[1-3]見表3。

圖7 北江為主、潖江相應歷年洪水遭遇情況

4.2 潖江及各支流設計洪水

由于大廟峽以上流域地形較陡，以山區丘陵為主，大廟峽以下至潖江口地形較為平緩，上下游地形差異較大，為計算潖江口設計洪水，本次根據上下游流域特征參數，采用綜合單位線法分別計算大廟峽站和潖江口的洪峰及洪水過程，進而得到潖江出口洪峰、最大3 d洪量與大廟峽站的比例關系，即縮放系數。大廟峽和潖江出口以上流域特征參數見表4，大廟峽站和潖江口縮放系數成果見表5。

表3 北江干流橫石站設計洪水成果

大廟峽至潖江口區間各支流設計洪峰流量分2種方法計算：方法①為集水面積內插法，即根據支流面積和支流匯合口以上干流面積推求匯合口上下的設計洪水，相減得支流設計洪水。方法②為按各支流面積比例計算得到，即按各支流面積占大廟峽-潖江口區間的面積比例，分攤區間洪水。這里以20 a一遇水面線為例，模型上邊界20 a一遇洪水見表6。

4.3 模型下邊界

水利部珠江水利委員會近期對石角站水位流量關系曲線再次進行復核，石角站水位流量關系采用最新復核成果，見表7。模型下邊界采用石角水位流量關系曲線上線。根據廣東省水利廳2002年頒布的《西、北江下游及其三角洲網河河道設計洪潮水面線(試行)》，潖江口(“北江12”)20 a一遇、50 a一遇水位分別為21.30 m、22.36 m[6]，本次在模型計算中北江為主潖江相應工況潖江口重現期20 a、50 a水位分別以此作為控制。

表4 設計參數(綜合單位線法)

表5 大廟峽與潖江口縮放系數成果

表6 模型上邊界20 a一遇洪水

表7 石角站水位流量關系成果

5 水面線計算結果

本次水面線計算中大廟峽至潖江口區間各支流設計洪峰流量分別采用集水面積內插法和面積比例法進行計算，并比較2種方法水面線差別：2種方法計算結果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，見表8，本文推薦采用方法②按各支流面積比例計算結果。據此計算潖江各級頻率水面線成果，見圖8，其中江口圩10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇分別為20.38、21.40、21.88、22.35 m。

表8 潖江20 a一遇設計洪水水面線(2種方法比較) m

6 結 語

潖江水面線可為潖江蓄滯洪區運行調度管理，以及水閘、泵站、堤防等工程設計提供依據。本文采用MIKE模型構建潖江蓄滯洪區水動力模型，并進行模型的率定和驗證，通過分析北江干流(橫石站)和支流潖江(大廟峽站)洪水遭遇情況，分為潖江為主、北江相應和北江為主、潖江相應2種工況，進而列出模型所需上、下邊界條件，其中潖江各支流設計洪水采用集水面積內插法和面積比例法進行計算比較，2種方法結果非常接近，20 a一遇平均差0.9 cm，最大只差4.0 cm，推薦采用面積比例法計算成果，依此分別計算潖江其他頻率水面線。

圖8 潖江各級頻率水面線成果

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