基于MIKE11和AHP法的感潮河段防洪潮方案研究

沈红丽 高 成

(河海大学 水文水资源学院， 南京 210098)

近年来，全球气候变暖，极端天气频繁出现，尤其是人口众多、水系复杂、地势凹凸不平的丘陵感潮河段地区.此类区域同时受上游山洪及下游潮汐作用影响，城市内涝问题加剧，防洪排涝形势极为严峻[1].同时，城市化的快速发展使城市不透水面积比增大，径流系数不断提高，洪量增加，洪峰出现时间提前，洪水陡涨陡落，过程线尖瘦，研究区的防洪现状措施早已不堪重负，急需进行新的城市防洪潮规划.目前感潮河段地区的防洪潮研究多数只是单一考虑防洪潮方案的防洪潮效果，忽略了工程的经济效益和实施管理难易程度，这两点影响了工程的可实施性，对于这两点的考察和分析是十分必要的.本文采用可靠的层次分析法，综合分析了工程的实施效果、经济效益、难易程度，更科学合理地为研究区选出最优防洪潮方案.

1 研究区概况

珠海唐家湾地处广东省南部，珠海市北部，属于感潮河段地区，共有22条排洪渠，总长61.38 km，主要干流为中珠排洪渠、金凤排洪渠、唐家后环排洪渠、东岸排洪渠.唐家湾地形以山地、丘陵为主，海积平原的坡度都在3°以下.研究区水系如图1所示.

图1 研究区水系图

2 研究方法

2.1 MIKE11模型

研究主要采用MIK11模型.MIKE11河流模型采用的是水动力学模型(HD模型)，即明渠不稳定流隐式格式有限差分解，其差分格式为六点中心隐式差分(Abbott)格式，其数值计算采用传统的“追赶法”，即“双扫”算法[2].

MIKE11水动力模型基于圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态.圣维南方程组由质量守恒连续方程(1)和能量守恒方程(2)组成，分别为：

式中，x为计算点的空间坐标，t为计算点的时间坐标；Q为过流流量；A为过水断面积；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；a为动量矫正系数；g为重力加速度.

2.2 AHP层次分析法

方案对比采用AHP层次分析法，AHP法是美国运筹学家萨蒂于20世纪70年代初提出的一种层次权重决策分析方法.该方法可将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上由决策者定性和定量分析各准则层各因素对于方案的权重，选出最优方案[3].

利用层次分析法解决问题时，需构建层次结构.构建方法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备选方案的顺序分解，从而得到不同的层次构成的分析结构.然后是权重比较，权重求解是利用求解矩阵特征向量的方法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重.最后再加权各备方案对总目标的最终权重，权重最大者即为最优方案.

层次分析法主要步骤包括建立层次结构模型、构造判别矩阵、层次单排序及其一致性检验、层次总排序及其一致性检验.

3 MIKE11模型构建及现状评价

3.1 模型概化

1)河网概化和断面文件

提取唐家湾地区主要渠道中轴线，利用arcgis转化成MIKE11可以识别的shape文件，导入shape文件，生产河网文件.断面概化采用湖南省勘察测绘院2017年最新测量横断面数据成果.

涉及水工建筑物南围水闸、南围2号水闸、六组水闸、中珠副渠水闸、后环水闸、东岸水闸，均采用MIKE11中可控水工建筑物概化.现状工况下，共概化渠道22条、挡潮闸3座、节制闸3座，渠道与水工建筑物概化如图2所示.

图2 研究区河网概化图

2)设计暴雨和设计洪水

根据《广东省暴雨参数等值线图》(2003年版)，查得唐家湾地区暴雨均值(E x)和Cv值，选取Cs=3.5Cv.设计洪水采用综合单位线法计算.(高新区暴雨参数见表1)

广东省综合单位线法：

式中，q i为时段单位线纵坐标(m3/s)；t i为时段单位线横坐标(h)；tp为时段单位线上涨历时；w=F/3.6，F为流域面积(m2).3)边界条件

表1 唐家湾暴雨参数表

珠海市作为滨海城市位于南海之滨、珠江入海口，城市渠道洪水受到近海潮位和区域暴雨的共同影响，须考虑潮洪频率组合[4].唐家湾地区内河水位主要受上游山区洪水及区间涝水影响，外海潮位对内河水位影响较小，降雨潮位组合为50年一遇设计暴雨遭遇5年一遇高潮位.高新区设计潮位选用横门站5年一遇设计潮位成果(见表2)，按照最高潮位与设计值相近的原则，得到高新区2019年1月23日5年一遇设计高潮位典型潮位过程线如图3所示.采用横门站5年一遇设计潮位作为模型外边界控制水位；采用各排洪渠区间涝水产流过程作为区间均匀入流加入模型；山区洪水过程作为点入流加入排山洪渠道上边界.横门站潮位成果表(珠委2014年设计潮位复核成果)(黄基)见表2.

表2 横门站潮位设计表 (单位：m)

图3 横门站潮位过程示意图

3.2 参数设定

唐家湾水文资料匮乏，模型率定较困难.本次研究结合最新地形勘测报告、渠道断面测量图、查出河道断面类型多为复式河槽[5].根据现场勘查、了解河道土壤特征、植被覆盖情况等、参照《高新区全面推行河长制河渠“一河一策”实施方案》，同时考虑水力手册糙表，设定唐家湾渠道主槽糙率取值范围0.025～

0.026.

3.3 防洪潮现状

将利用综合单位线推算的50年一遇的设计洪水的流量过程线及5年一遇的高潮水过程与MIKE11模型相耦合，可得出唐家湾各排洪渠50年一遇设计暴雨遭遇5年一遇高潮位的设计水面线[6-8].主要渠道设计洪水水面线如图4～7所示.

图4 中珠排洪渠设计洪水水面线

图5 金凤排洪渠设计洪水水面线

图6 东岸排洪渠设计洪水水面线

图7 唐家后环排洪渠设计洪水水面线

4 防洪潮方案比选

4.1 防洪潮方案拟定

针对防洪潮现状存在的问题，拟定规划方案.规划方案主要包括内河渠道整治以及入海口挡潮设施整治工作.内河渠道整治包括中珠排洪渠、东岸排洪渠、后环排洪渠堤岸的提高、东岸排洪渠中下游河段的清淤.经过渠道整治可以一定程度解决山洪问题，减轻洪水灾害，对于外海潮水导致的内渠顶托倒灌问题需提出3个防潮方案，见表3.

表3 防潮工程方案

4.2 模型计算结果分析

1)方案1防洪潮效果分析

研究区在现状工况与规划工况方案1情况下50年一遇洪水遭遇5年一遇潮位主要河道水位计算结果见表4～7.

表4 中珠排洪渠水位分析表

表5 金凤排洪渠水文分析表

表6 唐家后环排洪渠水位分析表

表7 东岸排洪渠水位分析表

通过水位对比分析可知，规划方案1通过扩建、新建挡潮闸，增大了研究区排水能力，并阻止外海高潮位的顶托灌溉，渠道50年一遇降雨遭遇5年一遇高潮位设计水位均有所降低.

2)方案2防洪潮效果分析

方案2除对不达标的水闸进行达标扩建之外，在入海口新建海堤，海堤长度依据外海潮水顶托倒灌影响范围确定，潮水影响范围根据50年一遇洪水水面线与50年一遇高潮位取外包线确定，50年一遇高潮位为3.05 m.在中珠排洪渠、东岸排洪渠、后环排洪渠入海口建设海堤可有效阻挡海水倒灌，提高研究区域防洪潮能力.渠道外洪潮组合外包线如图8～10所示.

图8 中珠排洪渠洪水水面线与高潮位外包示意图

图9 后环排洪渠洪水水面线与高潮位外包示意图

图10 东岸排洪渠洪水水面线与高潮位外包示意图

3)方案3防洪潮效果分析

方案3选择水闸和海堤结合的工程方案，中珠排洪渠、东岸排洪渠新建海堤；唐家后环排洪渠由于入海口地势较低，受外海潮水顶托灌溉严重，新建海堤较长，防洪潮效果不佳，工程选择选址重建后环水闸；金凤排洪渠入海口地势较高，外海潮水顶托灌溉影响不明显，新建海堤缺乏必要性，改建金凤水闸.方案3防洪潮效果介于方案1与方案2之间.

4.3 AHP法方案优选

1)建立层次结构模型

本次研究的目的是通过层次分析选出较优工程方案，优选方案为分析模型的最高层；考虑因素(决策准则)分别为经济效益、防洪潮效果以及工程管理难易程度，这三点为分析模型中间层；最底层为备选方案1、方案2、方案3[9].

2)构造判断(成对比较)矩阵

参考相关规划方案，建立的AHP模型.将模型中目标元素两两相互比较，进行相对权重判断，建立判断矩阵[9]，并引入适度标度，标度具体数值参考萨蒂给出的9个重要性等级及其赋值[10]，见表8.

表8 方案优选判断标度含义

根据方案优选判断标度，建立合适的判断矩阵如下：

准则层比较矩阵A：

矩阵A标准化特征向量为(0.33，0.53，0.14).经济效益H1判断矩阵B1：

矩阵B1标准化特征向量为(0.67，0.10，0.23).防洪潮效果H2判断矩阵B2：

矩阵B2标准化特征向量为0.33，0.14，0.53.工程管理难易H3判断矩阵B3：

矩阵B3标准化特征向量为(0.13，0.59，0.28).

3)层次单排序及其一致性检验

为保证上述权重值及矩阵指标具有一致性，判断权重赋值是否具有合理性，需对准则层判断矩阵A的指标进行一致性检验，判断矩阵只有满足综合一致性指标小于0.1，各指标才具有一致性.即公式(5)：

式中，CR为判断矩阵的综合一次性指标；CI为判断矩阵的一次性指标；RI为判断矩阵的随机一次性指标，矩阵阶数为3，取0.58；n为判断矩阵得到阶数；λmax为判断矩阵的最大特征值.

矩阵A的综合一次性指标小于0.1，一致性良好，满足要求.

4)层次总排序及其一致性检验

依次计算因素判断矩阵B1、B2、B3的最大特征值、一致性指标，对总排序一致性指标验证，见表9.

表9 层次总排序汇总表

根据表9相关数据进行一致性检验.将H1、H2、H3各因素一致性指标CI与其对应的准则层特征向量逐一相乘求和得到总排序一致性指标为0.036.随机一次性指标RI，根据矩阵阶数为3，取0.58.总排序指标率为总排序一致性指标与随机一致性指标的比值，求之为0.06，小于0.1.故方案对比通过一致性验证.

5 结 语

本文采用MIKE11模型的水动力模块，以珠海市唐家湾地区为研究对象，对区域内河网汇流以及主要渠道洪水过程进行模拟，依据模拟最高水面线成果，针对现状存在问题，拟定3组防洪潮规划方案，利用AHP层次分析法，对3个方案进行量化分析，选出最合理的防洪潮方案.主要结论如下：

1)唐家湾属感潮河网地区，渠道洪水要素受区域暴雨及外海潮位影响.在进行模拟计算时，需考虑潮洪频率组，合理选择组合频率，提高规划可靠性.

2)扩建、旧址重建不达标水闸，可以提高渠道排水能力，并阻止外海高潮水顶托倒灌.在主干渠道入海口新建挡潮闸，可防止高潮水顶托灌溉，有效降低洪水水位，减少洪水倒灌至其他支流，降低内河整体水位高度，提高区域防洪潮能力.根据潮水倒灌影响范围确定海堤长度，新建海堤能够有效阻止海水倒灌进渠道，但对于上游山洪无任何缓解作用，区域排水能力无法提高.

3)采用层次分析法对3个方案进行筛选，将经济效益、防洪排涝效果、工程管理难易程度作为3个分析准则，利用一系列定性和定量分析，筛选出最优方案.分析结果表明，方案1总排序权重最高，为唐家湾防洪潮最优规划方案.

4)通过水位对比分析可知，规划方案1通过扩建、新建挡潮闸，增大了研究区排水能力，并阻止外海高潮位的顶托灌溉，渠道50年一遇降雨遭遇5年一遇高潮位设计水位均有所降低.中珠渠上游主要承接大规模山区洪水，新建挡潮闸对上游大规模山洪影响不大，上游水位未显著降低，下游入海口由于新建水闸有效地防止了外海潮水顶托灌溉，水位降低50 mm左右；后环排洪渠、东岸排洪渠废除原有水闸，改建至入海口，有效地防止了外海潮水顶托灌溉，水位明显降低，其中东岸排洪渠水位降低40 mm左右，后环排洪渠水位降低15 mm左右.金凤排洪渠上游水位无明显波动，主要是因为金凤排洪渠渠道较长，入海口水闸扩建对上游区间涝水影响较小，下游由于扩建水闸，排水能力增大，水位降低40 mm左右.