基于MIKE11模型与GIS的平原感潮城市洪涝灾害研究

诸葛绪霞，吕 军，任锦亮

(盐城市水利勘测设计研究院，江苏 盐城 224002)

洪涝灾害是我国影响最严重的自然灾害之一，感潮地区由于受潮水位的顶托，常常发生更严重的洪涝灾害，严重影响地区的经济发展。近年来，气候变化异常，极端降雨天气频发，城市防洪标准的偏低导致内涝问题加剧，特别是人口众多、经济发达、河道湖泊密布、地势低洼易涝的平原感潮河网城市[1]。

洪涝灾害研究一直是国内外研究的热点，但针对沿海感潮城市洪涝灾害的研究相对较少[2]。城市排涝标准一般是以城市发生一定重现期的设计暴雨不受淹为准，而对于感潮城市，设计暴雨过程与设计潮水位过程的时间组合对城市洪涝灾害的影响很大。因此，只用设计暴雨或设计潮位的重现期来描述感潮城市的治涝标准不能真正衡量感潮城市应对洪涝灾害的能力。

目前用于分析城市暴雨洪涝灾害的水力学模型有丹麦水利研究所(DHI)开发的MIKE系列模型，美国环境保护署开发的SWMM模型，欧洲委员会联合研究中心开发的LISFLOOD模型等。其中，DHI的MIKE系列模型由于其界面友好，功能全面，广泛应用在国内外城市洪涝灾害研究中[3，6-7]。文章以响水县城为例，构建MIKE11水动力河网模型，模拟分析设计暴雨及设计潮位的组合对城市洪涝灾害程度的影响，分析不同的防洪排涝工程措施对降低城市洪涝灾害的效果，从而为城市防洪排涝工程的规划和建设提供依据。

1 研究方法

平原感潮城市一般通过沿海挡潮闸自排或通过排涝泵站抽排排除城市区域涝水，沿海挡潮闸的排涝能力取决于上游水位及下游潮位，采用传统的水量平衡法无法准确地反应城市排涝过程。

丹麦DHI公司开发的MIKE11模型是模拟一维水流和水质的国际化工程软件，经过大量工程实践验证，被证明适用于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算[4]。文章采用MIKE11模型对城市河网、挡潮闸、排涝泵站等建筑物进行概化，模拟不同排涝工程、设计暴雨及设计潮型的组合工况下城市主要河道的水位过程。同时，通过GIS风险分析绘制不同工况下区域的淹没范围，从而分析暴雨、潮位及排涝工程对城市洪涝灾害的影响。

2 案例分析

2.1 研究区域概况

响水县位于江苏省东北部，地处淮河下游，响水县城属于平原感潮河网城市，位于北部灌河沿岸，S326以北，沈海高速以西，地势较低。以运响河为界，分为城东片、城中片两个主要片区。响水县城涝水主要通过灌河沿线挡潮闸及排涝泵站直接排入灌河，灌河是江苏省唯一无控制的一条天然入海潮汐河道。

2.2 模型构建

2.2.1 河网及建筑物概化

采用MIKE11一维非恒定水动力学模型，建立响水县城排水范围内河网水利计算模型。响水县城南北向主要汇水河道有三洪河、宣圩河、老小黄河、新小黄河等，东西向主要汇水河道有一排河～八排河，其他无输水功能的河道、湖泊等作为调蓄水面处理。灌河沿线主要排涝挡潮闸有三洪闸、宣圩闸、小黄河闸等，采用MIKE11河网文件中CONTROLSTR概化，沿线主要排涝泵站有宣圩泵站、城区排涝二闸站、城区排涝一闸站、幸福闸站等，采用MIKE11河网文件中PUMP概化，如图1所示。

2.2.2 模型控制参数

(1)径流系数

根据GB/T 50805—2012《城市防洪工程设计规范》，城市防洪综合径流系数的大小与城市建筑密度相关，城市综合径流系数见表1。

表1 城市综合径流系数表

结合响水县城城市发展现状及规划情况，根据地物分类统计计算响水县城中片、城东片综合径流系数分别为0.61，0.54。

(2)初始水位

响水县城警戒水位为2.0m，当天气预报台风、暴雨、高潮可能并发时，沿海涵闸要提前开闸排水。根据响水县防汛抗旱要求，汛期排涝期，沿灌河边排水涵闸应适当降低闸上水位，根据各闸的排水能力和排水面积控制在1.2～1.5m，如预报有特大暴雨，须将闸上水位预降至1.0m以下。

(3)建筑物调度规则

根据响水县防汛抗旱要求，制定沿线排涝挡潮闸调度规则：预报有大暴雨时，当闸上水位超过欲降控制水位且高于闸下潮位时，闸门开启；当闸上水位超过预降控制水位且低于闸下潮位时，闸门关闭；当闸上水位低于欲降控制水位时，闸门关闭。排涝泵站调度规则：当闸上水位超过预降控制水位且闸门关闭时，开启泵站；当闸门开启，但闸上水位超过预降控制水位以上20cm且继续上升时，开启泵站。

图1 响水县城MIKE11河网文件概化示意图

2.3 设计暴雨

由于响水县城面积较小，对响水县城排涝影响最大的以短历时暴雨为主，一般不超过24h。根据相关规范，响水县设计暴雨选用24h暴雨，设计雨型根据《江苏省暴雨洪水图集》(1984)按1h进行分配。

(1)最大1h暴雨

最大1h暴雨采用盐城市暴雨强度公式计算，计算结果见表2。公式如下：

式中，i—暴雨强度，mm/min；P—重现期，年；t—降雨历时，min。

表2 响水县城最大1h暴雨计算成果表

(2)最大24h、12h、6h暴雨

采用响水口站1965—2014年最大24h、最大12h、最大6h暴雨资料进行频率分析计算，计算结果见表3。

2.4 设计潮型

根据相关规范，对于承泄区为海域或感潮河段，设计潮水位过程线，可采用实测潮水位作为典型或平均偏不利的潮水位过程分析计算确定。

根据1951—2014年最高潮位频率分析成果，响水口50%最大1日高潮潮位为3.5m，从历年的实测潮位资料中，选取高潮位与P=50%时的设计高潮位接近的完整自然潮位过程中若干个太阳日全潮作为参照潮型。将选取的各参照潮型的涨(落)潮的潮位、历时进行概化平均，得到50%排涝潮型过程线。

2.5 暴雨发生时间对区域洪涝灾害的影响分析

根据GB/T 50805—2012，结合响水县城人口规模、防洪对象等确定响水县城规划排涝标准为20年一遇。通过模型计算响水县城发生20年一遇设计暴雨时，得出设计暴雨与设计潮型不同时间组合工况下的排涝过程。设计暴雨工况以小时为单位逐时段平移(如图2所示)，模型计算从暴雨峰值对应0点潮位至暴雨峰值对应23点潮位共24个工况的区域最高水位(工况0为暴雨峰值对应0点潮位，以此类推)。各工况最高水位与暴雨峰值对应的潮位关系、最高水位之间的变化规律见表4，如图3所示，利用GIS风险分析绘制几种典型工况下响水县城最大淹没范围，如图4所示。

表3 响水县城最大6h、12h、24h降雨频率分析成果表

图2 设计暴雨与设计潮型遭遇工况示例图(图中只标注了8种典型工况)

图3 各工况区域最高水位及相邻工况区域最高水位变化率

图4 最安全工况、平均工况、最不利工况洪水淹没范围图

根据不同工况计算结果图表分析，暴雨发生时间对响水县城区域排涝能力的影响较大。暴雨峰值遭遇高潮位时，最不利工况5区域最高水位为3.19m，比最有利工况区域最高水位高33cm。暴雨峰值遭遇涨潮时，暴雨峰值发生的时间对区域排涝能力的影响非常大，工况16比工况15暴雨过程仅滞后1h，最高水位比工况15高21cm；工况3比工况2暴雨过程滞后1h，最高水位比工况2高17cm。当峰值遭遇落潮时，暴雨峰值发生的时间对区域排涝能力的影响很小，工况0～工况2、工况12～工况14、工况22～工况23区域最高水位基本相同。根据各工况水位计算结果，通过GIS风险分析绘制工况2(最安全工况)、工况5(最不利工况)、工况8(平均工况)3种典型工况下的洪水淹没范围图，如图5所示。三种典型工况洪水淹没面积占总面积的比例分别为：最安全工况29%，平均工况47%，最不利工况82%。

2.6 工程措施对区域洪涝灾害的影响分析

沿海感潮城市提高排涝能力的主要工程措施有两个方面，一是扩大自排能力，二是新增抽排动力。选择暴雨过程对应潮位平均偏不利工况，计算20年、50年一遇设计暴雨不同工程措施对区域排涝能力的影响。

2.6.1 排涝闸扩建规模对排涝能力的影响

以城中片为例，城中片主要自排出口为三洪闸(现状闸孔净宽5m，底高程-1m)。分别计算20年、50年一遇设计暴雨不同闸孔规模城中片最高水位，计算结果见表5。

根据表5，三洪闸闸孔净宽从现状5m扩大到6m时，区域最高水位可降低8～11cm，继续增加闸孔净宽区域最高水位仅减小1～2cm；三洪闸底板面高程从现状-1.0m降低到-1.5m时，区域最高水位减小3cm；闸底板面高程降低到-2.0m时，区域最高水位降低5cm；继续降低闸底板面高程对区域排涝能力没有影响。经分析，由于三洪闸上游河道规模河底宽度为6m、河底高程为-1.0m，当闸孔净宽增加到6m、闸底板面高程降低到-1.0m时，河道标准成为限制区域排涝能力的主要因素，因此继续增加闸规模的经济效益较小。

表4 各工况暴雨峰值对应潮位及区域最高水位

表5 三洪闸规模对区域排涝能力的影响

2.6.2 新增抽排动力对排涝能力的影响

城中片现状抽排流量为9m3/s，在自排能力不变的情况下(三洪闸规模统一设置为闸孔净宽6.0m，闸底板面高程-1.0m)，计算20年、50年一遇设计暴雨工况下增加抽排流量区域最高水位的变化，计算结果见表6。

表6 增加抽排流量对区域排涝能力的影响

根据表6，20年一遇设计暴雨工况，每增加5m3/s抽排动力，区域最高水位降低约4～5cm；50年一遇设计暴雨工况，每增加5m3/s抽排动力，区域最高水位降低约2～3cm。与增加闸规模相比，增加抽排动力对区域排涝能力的影响较小，且暴雨越大，效果越不明显。

3 结论

文章采用MIKE11模型结合GIS风险分析对研究区域不同工况洪水过程及淹没范围进行了数值模拟，得到以下结论。

(1)暴雨峰值与潮位遭遇时间是影响平原感潮城市洪涝灾害的主要因素，对区域暴雨峰值与潮位的遭遇概率进行分析统计尤为重要，但对统计资料的长期性要求较高。在暴雨潮位资料比较完整的地区，建议将感潮城市防洪排涝规划的重现期定义为设计暴雨峰值与潮位的组合重现期。

(2)平原感潮城市排涝能力受沿海排涝挡潮闸的自排能力影响较大，在进行感潮城市防洪排涝规划及建设时，建议优先考虑增加自排动力及河道调蓄能力等方面的工程措施。