基于MIKE的吉林市城区洪水分析模型

张艺霖，张 琛，丁 曼

（吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130021）

1 项目背景

松花江（三岔河口之上）是吉林省最大的河流，形状呈现出“S”型，穿越吉林市城内流过。在吉林省，吉林市位居第二的大型城市，属于吉林地区的文化、经济、政治中心。在源远流长的历史长河里，松花江区域水灾频繁，洪涝灾害是社会经济发展里遇到的严重情况，其危害日益凸显。洪水风险图的编制是实践治水新思路，强化科学治水，推进防汛工作，自“把控洪水”朝着“洪水管理”变化的治水思想，构建风险监管体制，推进洪水风险监管的关键根基支撑。针对提升吉林市防范洪涝灾害降低灾情水平、缩减或者防止生命财产受损，显得相当关键及紧迫。

风险图制定范围是吉林市主城区（牤牛河河口之上一直到丰满水库坝下），面积为227.11 km2，涉及丰满区、昌邑区（不包括九站）、船营区、龙潭区，区间有较大支流温德河汇入。吉林市城区内有10条内河，从下游到上游依次为小沙河、龙潭河、无名河、建华河、小蓝旗河、大蓝旗河、石井沟河、松江河、青椴河、腰屯河。松花江干流控制站有丰满水库站和吉林站，支流控制站有口前水文站。

2 洪水分析模型

2.1 建模思路

吉林市城区洪水分析模型采用一维河道水动力学和二维水动力学模型、一维市政管网模型三者耦合计算，以实现洪水过程的模拟。吉林市城区洪水分析模型结构如图1所示，洪水分析模型的建立步骤如下：

（1）有效建立松花江干流以及支流一维河道水动力学模型，着重基于松花江的洪水过程加以具体地模拟研究；

（2）构建吉林市城区二维水动力学模型，分析内涝和外洪在吉林市城区地面的洪水过程；

（3）溃口的计算通过一维水动力学模型的结构物计算模块进行概化计算；

（4）构建吉林市城区排水管网模型，重点对城区地下管网的排水过程进行模拟分析；

（5）最后，根据各个洪水分析方案的要求，将上述模型加以具体耦合，建立耦合洪水研究模型，对模型的计算结果加以研究。

图1 吉林城区洪水分析模型结构图

采用MIKE FLOOD模块进行一维河道、一维管网和二维地面模型耦合计算。将一维以及二维模型加以动态耦合，能够有效彰显两类模型的自身特点及优点，处理两类模型分别运用的时候时常面临计算精确度以及空间辨别率等情况。

2.2 模型建立

（1）松花江干流以及支流一维河道水动力模型

这一工程具体应用MIKE11水动力模型（HD）建立一维水动力学模型。MIKE11水动力模型重点用在洪水预警以及水库统一调度、河道灌溉体系的设计调度，还有河口风暴潮的研究，可以便利灵活地进行水泵、繁杂河网水流、模态闸门等各种水工建筑物的运行调度，特别适应运用在水工建筑物繁多、控制调度繁杂的状况。

MIKE11水动力计算模型是依托动量以及物质守恒方程，也就是一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河口或者河流的水流状况，方程组如下所示：

式中：t、x分别是具体计算点时间以及空间的坐标，A是过水断面的实际面积，R是水力半径，Q是过流流量，C是谢才系数，α是动量校准系数，h是水位，g是重力加速度，q是旁端入流流量。

方程组借助Abbott-Ionescu六点隐式有限差分形式具体求得解答，Abbott-Ionescu形式存在稳定性优良、计算精确度相当高的特征。离散后的线形方程组借助追赶法求得解答。

（2）吉林市城区二维水动力学模型

本项目二维模型构建拟采用MIKE 21软件进行。模型计算网格采用矩形网格，以较好地模拟泛滥洪水在道路、小区、绿地、河道等不同地表条件下演进过程。模拟结果以数据、表格、图像、动画等形式输出，内容包括：洪水水量的空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时。

MIKE 21模态计算所依托的二维水动力学的根本方程属于浅水方程，方程组具体见下面所示：

模型借助的数值计算方法属于矩形交错网格上的ADI法，离散模式借助半隐式，采用追赶法求解。

（3）吉林市城区一维管网模型

1）MIKE URBAN 水文学模型

MIKE URBAN CS由DHI进行研发，属于模拟城市集水区域以及排水体系的管流、地表径流、水体质量还有泥沙输送的专业项目软件包，能够运用在任一类别的自由水流以及管道之内压力流交互改变的管网里面。MIKE URBAN CS具有友好的应用界面，是用于简单或复杂的管网系统的分析、设计、管理和操控的动态模拟工具。

MIKE URBAN CS降雨径流模块供应了四类不同的城市水文模型，从而用在城市地表径流的具体计算，与之同步，供应了某一连续水文模型，从而具体计算降雨入渗状况。径流模块的输出结论是降雨出现的每一集水区域的流量，计算结论能够用在管流计算。

2）MIKE URBAN管网水动力模型

MIKEURBAN水动力模块重点用在计算管网中非恒定流。计算构建于一维自主水层流的圣维南方程组即动量方程以及连续性方程。

模型借助了Abbott-Ionescu六点隐式格式有限差分数值求得解答，这一计算方法能够自动调整时间步长，且给环型或者分支管网供应合理而精准的解法。这一计算措施适用在自由水层的垂向均匀流以及排水管道的有压流。临界以及超临界流均运用一样的数值解法进行处理[1-8]。

3 模型参数的率定和验证

3.1 一维河道模型参数的率定和验证

一维河道水动力模型的率定工作是指在模型搭建完成后，不断手动地调整河床糙率系数，重点涵盖滩区以及主槽糙率系数，从而让模型之内水文站点处的水位与流量的模拟值与实测值尽量吻合。

（1）参数率定

借助所搜集的1995年汛期7月26日到8月15日吉林站实测水位以及流量信息，对一维河道水动力模型加以有效地率定。率定的关键调节措施是：分别调节松花江干流与温德河的河床主槽以及滩区的整体糙率曼宁系数（s/m1/3），从而让吉林水文站处模拟水位、流量值以及实际监测水位、流量值较大可能地叠合。

借助一维河道水动力模型的1995年吉林水文站的水位以及流量率定情况具体见图2、图3。

图2 吉林站水位率定结果图

图3 吉林站流量率定结果图

从图2、图3能够发现，率定情况合乎规定，涨水以及退水态势拟合度非常好，吉林站模态水位情况跟实际检测水位散点偏差范围是0 m～0.20 m，吉林站模拟流量情况跟实际监测流量散点偏差范围是0 m3/s（～300 m3/s（6%之内），都合乎有关标准及准则的规定。河道诸部分的糙率系数值率定情况具体见表1。

表1 松花江干流模型糙率系数值率定情况表

（2）模型验证

有效依托2010年7月29日到8月20日实际监测的水文信息，对一维河道模型率定获得的河道粗糙率系数以及产汇流系数率定结论加以具体检验，吉林站的流量以及水位检验结论具体见图4、图5。

图4 吉林站水位验证结果图

图5 吉林站流量验证结果图

自图4、图5发现，检验结论大致合乎规定，涨水以及退水态势拟合良好，吉林站模拟水位结论以及实际监测水位散点在常态现状下偏差范围是0 m～0.20 m，吉林站模态流量结论跟实际检测流量散点在常态现状下偏差范围是0 m3/s～600 m3/s（处于12%之内），都合乎有关标准的规定。可是，在一些时段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日），实际监测流量以及水位过程线都发生了峰值，使得模拟水位值跟实际监测水位值间的偏差达到了0.5 m上下，模拟流量值以及实际监测流量值间的偏差到了1000 m3/s。研究口前站洪摘、丰满水库流量信息（图5里面紫红线以及绿线）可以知道，以上时段里，实际监测流量以及水位过程线发生的峰值是不恰当的。所以，能够判断以上时段里偏差重点是因为口前站洪摘、丰满水库信息存在误差或者洪水来源存在遗漏（如较小的支流汇进）所导致的。

由以上研究可知，除去2010年检验模型的一些时段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日）出现一定的特殊性，松花江干流以及支流一维水动力模型针对分析范围里的河流水动力学特点展开了非常科学的概化，对典型历史洪水展开了有效地模拟，参数率定以及检验结论合乎规定。

3.2 城市管网模型参数的率定和验证

内涝模型搭建完成后，根据得到的2014年吉林站实测暴雨资料结合2014年7月23日下午15:30分大雨雨情统计资料（灾情统计，记录积水路段及积水深度），对内涝模型进行了率定。根据实测暴雨资料2014年7月23日下午15:00～16:00降雨25.1 mm，且根据了解降雨主要集中在15:30分左右。降雨过程线如图6所示。该率定对模型模拟的最大积水深度与当时灾情记录中积水路段和积水深度进行了比较。比较结果如表2所示，可以看到，模拟值与实测值误差范围为-5 cm～13 cm。从图7可以看到基本上灾情记录中有记录的路段其积水深度和模型都较为吻合。率定的主要调整方法为：调整管网的糙率曼宁系数（s/m1/3），率定后的管网曼宁系数为0.018 s/m1/3。

表2 内涝模型模拟值与灾情记录值比较

图6 2014年7月23日降雨过程

4 结论

（1）依托松花江干流以及支流一维水动力模型，对分析范围里的河流水动力学特点展开了非常科学的概化，对典型历史洪水加以有效地具体模拟，参数率定以及检验结论合乎规定。

（2）内涝模型模拟值与实测值误差范围为-5 cm～13 cm，灾情记录中有记录的路段其积水深度和模型都较为吻合。

综上所述，基于MIKE建立的一维河道模型和城市管网模型的参数率定和验证结果均符合要求，模型合理有效。