基于MIKE水动力模型的渭河下游防洪风险评估决策支持系统研究

章新川，罗小康

（陕西省水利厅信息宣传教育中心，陕西西安710004）

基于MIKE水动力模型的渭河下游防洪风险评估决策支持系统研究

章新川，罗小康

（陕西省水利厅信息宣传教育中心，陕西西安710004）

由于三门峡库区泥沙淤积造成的渭河下游河床抬高、南山支流倒灌、大量的水利工程设施，准确的洪水预报已成为渭河下游防洪抢险的难点。基于WebGIS平台，采用DEM高程数据、MIKE水动力学模型、考虑渭河主要支流汇入以及4座大型水库联合调度，建立渭河下游一维洪水预报、二维洪水演进、三维洪水仿真的渭河下游防洪风险评估决策支持系统。为渭河下游工程险情动态分析、洪水灾害评估、防洪调度决策提供有力支撑，可有效解决渭河下游受人类活动影响大、河床摆荡变动大的洪水预报、洪水数值模拟演进问题，为水库错峰调度、防洪风险评估、防汛决策指挥提供重要的技术手段。

渭河下游；防灾减灾；风险评估决策支持系统；MIKE水动力学模型

0 引言

渭河流域跨陕西、甘肃、宁夏三省区，是黄河的第一大支流，渭河下游从咸阳铁路桥至潼关属三门峡库区，自60年代初黄河三门峡水库建成运行后，造成潼关以上的三门峡库区泥沙大量淤积，河床抬高，南山支流倒灌，渭河下游洪涝灾害严重，是陕西省防汛的重点地区之一。渭河下游2003年8月27日～10月19日，相继发生了6次长历时、高水位、大洪量、多处支流决口的洪水过程，2005年9月19日～10月2日渭河干流和区间支流发生较大洪水[1]。两场洪水过程具有洪水水位高、洪水传播时间长、洪量大、漫滩严重等共同特点，洪水预报的不准确造成防汛抢险工作的极度被动，为此开展基于MIKE水动力学模型的洪水风险评估决策支持系统应用研究，通过渭河流域洪水预报、水库联合调度、洪水演进、模拟仿真、灾害评估，实现水雨情动态监视、洪水演进模拟仿真、工程险情动态分析、洪水灾害评估、防洪预案科学比选。

1 渭河下游防洪风险评估决策支持系统构架

基于MIKE水动力学模型，建立WebGIS的洪水风险评估决策支持系统，实现防汛信息管理、查询与发布水雨工情信息，管理和显示C/S模式的一维实时洪水预报、二维洪水演进、三维洪水仿真计算成果。系统包括实时洪水预报、历史洪水模拟、水库联合调度、指挥方案分析、洪水预警、二维洪水演进、三维洪水仿真、洪水灾情评估，结构分用户界面层、应用系统层、平台支撑层、数据资源层，见图1。

1.1 系统部署运行环境

操作系统：Windows 2008；

数据库：ORACLE 10.0，SQLSERVER 2005；

工具软件：流域降雨径流模型（NAM）、一维河网水动力模型（MIKE 11 HD）、实时校正模型（MIKE 11 DA）、水库联合调度模型（MIKE 11 SO）、非结构网格河道洪水演进水动力模型（MIKE 21 FM），MIKE Animator，Skyline，ESRI公司ArcGIS10.0。

1.2 数据库

实时水雨情数据库：陕西境内渭河流域水雨情信息；

工情数据库：渭河下游河道纵横断面、堤防工程、控导工程、引水涵闸、排水建筑物、防汛道路、迁安道路、桥梁以及防洪标准、水位～流量关系等基础信息；

图1 渭河下游洪水风险评估决策支持系统构架

险情数据库：水库、堤防、险工、险段、控导、涵闸等险情信息；

灾情数据库：渭河下游历史洪灾破坏情况及经济损失信息；

防汛预案库：组织机构、防汛物料（贮存种类、规格、型号、数量、分布）、防汛设备（防汛车辆、机械、船只）、抢险队伍（专业队伍、群防队伍）、迁安道路及不同量级洪水情况下的防汛抢险、抗洪救灾、调度指挥预案；

社经数据库：渭河下游可能淹没范围内村庄与居民点、耕地面积与作物、人口分布、房屋财产、学校、工矿企业、交通道路、水利设施、通信设施、避水工程等社经信息；

空间数据库：渭河两岸陕西境内10km范围内1:10000 DLG矢量数据及DEM数字高程模型数据；

防洪工程三维场景库：渭河下游主要防洪工程三维场景模型，及堤防、坝垛、险工险段、跨河工程等重要地物照片。

2 Mike模型建立

首先建立渭河降雨径流模型，考虑千河、漆水河、泾河、石川河、洛河、石头河、黑河、沣河、灞河，尤河、赤水河、方山河、罗敷河等重要支流汇入以及冯家山、石头河、金盆、羊毛湾4座大型水库联合调度；搭建咸阳铁路桥至潼关一维河网水动力学模型；其次建立渭河下游二维洪水演进模型，着重研究重点区域的漫滩、溃堤，尤其是“二华夹槽”地区洪水淹没范围、淹没水深、不同重现期下洪水淹没风险。

2.1 研究区域

根据渭河流域水文站网分布，划分的研究区域如图2所示。

2.2 模型参数率定

收集（1）渭河下游河道DEM高程数据、主干渭淤断面资料、各支流主干断面资料、水文控制站大断面资料；（2）渭河、泾河、北洛河流域350处雨量站、38处水文站、26座大中型水库历史水文资料；（3）渭河10、20、30、50、100年一遇洪水的上游边界流量；（4）渭河下游堤防信息。预处理原始数据，模型率定期为1995～2003年，验证期为2003～2008年，率定和验证渭河干流魏家堡、咸阳、临潼、华县4个断面流域降雨径流模型（NAM），考虑重要支流汇入率定咸阳铁路桥至潼关一维河网水动力学模型参数。

对一维河网水动力模型，调整河床糙率值，使控制断面模拟值与实测值相吻合；对河道中各控制断面以及横向和纵向位置定义不同主槽和滩区糙率值，提高预报精度。

图2 渭河下游洪水风险评估研究区域

3 一维洪水预报

3.1 实时洪水预报

实时洪水预报包括数据预处理、模型参数率定、实时预报、交互修正预报，通过平台耦合NAM降雨产流模型和MIKE 11 HD水动力模型来实现。读取模拟期和预报期内的降雨数据为NAM降雨产流模型输入，计算模拟预报时刻开始前和预报期内的流域产流，MIKE 11 HD累计计算各个子流域产流和河道及滩区内水位及流量。

3.2 交互修正预报

采用MIKE 11 DA模块，根据实时水情信息分析上一个时段洪水预报误差，反馈修改模型输入、输出、状态变量，考虑未来降雨输入信息，驱动洪水预报模型交互修正未来洪水预报。

3.3 水库联合调度

根据渭河降雨预报、洪水预报、错峰调度数学模型，选择不同条件下冯家山、石头河、羊毛湾、金盆4座大型水库调度规则，驱动水库联合调度模型，以拦蓄洪水、削减洪峰、调洪错峰作为分析评价指标，在二维GIS中动态模拟仿真渭河下游错峰削峰调度的洪水演进过程和洪水影响范围。

4 洪水风险评估

4.1 二维洪水演进

使用MIKE 21非结构网格水动力模型，对南山支流和渭河干流河道进行二维水动力模拟，完成洪水在河道、滩区实时和预测的二维演进动态模拟，以及二维河道地形处理、模型边界选取、模型率定、方案计算、淹没水深分析、计算结果二维显示。

支流、区间入流预报采用MIKE11降雨径流模型和水动力模型。对地形进行处理，划分一系列三角形网格，建立咸阳铁路桥至潼关段二维洪水演进模型。模型上游使用流量边界，下游使用水位边界。模型率定通过调整河床曼宁糙率值，使计算值与实测值的误差达到允许范围，率定目标为控制断面水位和断面流量。二维动态计算结果展现河道、滩区洪水淹没面积、淹没水深、洪水演进流场分布，图3为渭河下游计算网格图。

同时分析计算在冯家山、石头河、羊毛湾、金盆水库不同时间下泄流量时，渭河下游各主要断面洪水演进，动态模拟洪水在河道、滩区演进过程，展现不同水库联合调度下河道洪水波及范围，各主要断面水位、流量变化过程，纵断面洪峰演进过程，滩区的洪水淹没面积、最大水深、集流容积、任意截取断面的地形和洪水淹没情况等。

4.2 灾前模拟预评估

根据渭河、泾河、北洛河、南山支流不同量级洪水组合及4座大型水库调度，评估渭河堤防及南山支流堤防所造成的危害及可能出险、致灾情况。根据历史洪水和实时预报洪水信息（水位、流量、洪量），假定堤防决口的不同部位、不同口宽、过口水深，对虚拟受灾区的灾害损失进行分析评估，并通过二维GIS平台实现洪水动态模拟仿真，确定淹没范围，快速统计分析评估淹没区灾害损失。

分析评估①南山支流洪水导致的支流堤防及入渭口堤防工程出险致灾；②渭河干流洪水导致的渭河干流及南山支流堤防工程出险致灾。③当渭河流域普降暴雨导致南山支流与渭河交汇处洪水顶托倒灌时渭河干流及南山支流堤防工程出险致灾。④5、10、20、50年、100年一遇洪水淹没区（方山河以下）和影响区（临渭区—方山河段）洪水淹没风险。

4.3 灾中跟踪监测评估

依据堤防决口和淹没区情况、实时遥感影像，在确定当前淹没范围和评估分析灾情的同时，引入专家经验，根据降雨预报、实时水情、堤防决口发展变化，对淹没区洪水演进变化形态、淹没范围及时做出跟踪监测分析评估，并通过二维GIS平台，实现洪水动态模拟仿真，快速统计分析评估淹没区情况变化后的灾害损失，为防洪调度方案的选择提供依据。

4.4 灾区迁安救护分析

在WebGIS平台上，动态模拟仿真、虚拟再现防汛调度过程和部署抢险救灾方案，并结合不同险情，动态模拟堤防渗水、管涌、漏洞、滑坡、陷坑、冲塌、裂缝、风浪等八种险情的抢险方案；利用渭河下游迁安救护模型，根据洪水预报和洪水演进动态模拟，迅速确定受灾范围和需要撤离迁安救护的人员与分布，详细部署迁安救护撤离路线、灾民安置。

4.5 灾后灾情复核评价

在WebGIS平台上，接收处理、分类入库上报灾情，统计分析洪水灾害损失，并根据多渠道获得的灾情信息进行时序及客观性分析，通过信息间的相互检验、印证和比较，评价受灾地区上报灾情的真实性、可靠性，用于指导灾后重建和改进后续工作。

图3 渭河下游计算网格图

5 三维洪水仿真

5.1 三维洪水淹没分析

利用Skyline结合MIKEAnimator三维仿真平台，依据渭河洪水预报和洪水演进模型，构造渭河地形、堤防三维模拟再现场景，叠加洪水演进变化以及地形变化引起的洪水峰面形状变化；根据设定的步长、观察角度，实现渭河流域地形地貌和洪水演进与发展变化动态模拟三维可视化。当发生堤防决口时，在洪水演进的基础上叠加空间分析、三维动态模拟仿真和统计分析。

5.2 三维防洪风险评估

根据渭河干流和支流发生不同量级洪水组合和不同的水库联合调度，假定不同堤防决口部位、口宽、过口水深，进行三维洪水动态模拟仿真，确定淹没范围，快速统计评估淹没区灾害损失。

5.3 三维防预案管理

以三维平台构建防洪工程重点部位、险工、险段三维场景模型，细化防洪预案和抢险处理方案，形象分析水利工程存在问题，动态模拟险工、险段、重点部位出险，模拟仿真各种抢险措施的实施。

5.4 三维防汛决策支持

以三维平台通过三维场景模型和防洪预案，动态模拟仿真防汛调度指挥现场，使防汛抢险、抗洪救灾、决策指挥更加科学、合理。结合渭洛河下游及南山支流不同洪水组合、自然地理情况、经济社会现状、防汛物料储备、抢险队伍组织等，建立不同量级洪水灾害情况下的防汛指挥模型。

6 结语

采用DEM数字高程数据、MIKE水动力学模型建立的渭河下游防洪风险评估决策支持系统是渭河下游防洪减灾的一项重要的非工程措施，有效解决了渭河下游受人类活动影响大、河床摆荡变动大的洪水预报、洪水数值模拟演进问题，为水库错峰调度、防洪风险评估、防汛决策指挥提供了重要的技术手段。但在实际运用中，由于河道整治、桥梁、水利工程、河道采砂等造成河道、堤防资料经常变化，需要及时收集资料，重新率定参数。

[1]张成等“渭河“03.8”、“05.10”洪灾分析与防汛对策”[J]人民黄河第28卷7期:7-8.

[2]章新川、唐大明“安康市城市防洪预警系统设计与实现”[J]水电自动化与大坝监测2007 31(3):80-82.

TV131

A

1673-9000（2017）04-0147-04

2017-05-25

陕西省水利科技基金（2014slkj-03）。

章新川（1964-）53岁，男，四川南充人，高级工程师，主要从事水利信息化工作。