河道治理工程洪水设计模拟研究

李盼盼

(辽宁辽河水利工程有限公司,沈阳 110000)

关于大中型流域的相关研究,大多根据暴雨资料或实测流量来推导出设计洪水或计算洪峰,而对于缺乏实测流量数据的小流域,通常会使用经验公式法来计算洪峰[1-4]。然而,随着信息技术的发展,分布式水文模型在洪峰计算等领域逐渐得到广泛应用,该模型通过利用雷达、RS(遥感技术)、GIS(地理信息系统)等技术获取的信息作为数据源,将研究区分成不规则三角网和栅格网等基本单元,从空间上探究响应因素的分布特征。一般地,将这种模型分为基于物理过程和概念性的两类,其中概念式模型假设子单元或流域相互独立,通过叠加计算得到整个流域的水文响应,SWAT模型是常见的概念式模型。基于物理过程的模型通过一定的求解条件和一组微分方程来分析流域的产汇流规律,该模型结构紧密耦合,其中MIKE SHE和TOPMODEL是该类的典型代表。分布式水文模型的发展与RS、GIS、DEM等技术的快速发展密切相关,这些技术为分布式水文模型提供了重要的支撑,使其能够更好地模拟和分析流域内各种水文响应因素,实现精细化的洪峰计算[5]。因此,本研究利用MIKE SHE模型模拟了不同工况及现状条件下法库县辽河段的暴雨洪水过程,通过对比工程水文成果与模拟洪水过程,可为流域防洪治理及其水利设施、堤防维修养护提供一定指导。

1 河流概况

辽河上游分成西、东两支,东、西辽河于辽宁省昌图县长发镇王子村福德店汇流后形成辽河干流。辽河法库县境内河道长度49.2km,流域面积736.31km2,堤防长36.7km,无堤段3km,允许最大泄洪量2600-5500m3/s,流经法库县东、南两段,4个乡镇,13个村屯,保护人口8.59万人,耕地9800hm2,现有险工6处,穿堤建筑物6处,拦河橡胶坝2座,跨河桥梁2座。

据调查,辽河法库县段堤防两侧为土坡两侧堤坡草生长茂盛对堤防存在安全隐患,部分堤防段存在雨淋沟,危及堤防安全。另外,由于水土流失境内大部分河流均有不同程度的淤积,部分河段淤塞,防洪能力普遍下降,洪水灾害日益频繁,急需实施防洪治理,河道设计洪水的准确合理计算是实施防洪治理工程的关键,有必要利用合适的方法准确模拟分析不同工况及现状暴雨洪水过程。

2 MIKE SHE模型模拟

本研究充分考虑流域产汇流特点、土壤植被、水文气象和地形地貌,应用MIKE SHE水文水动力模型计算分析法库县辽河产汇流特点[6]。对法库县辽河段历年的大洪水和大暴雨实测数据进行统计分析,重点关注近期出现暴雨洪水时段,例如选择2007年8月和2012年7月实测暴雨数据,使用这些数据来率定MIKE SHE参数。在率定参数后固定这些数值,然后对地表初始水深等实时参数进行微调,以应对可能因场次洪水而发生改变的情况。根据2019年超强台风“利奇马”的实测暴雨过程,模拟现状工况以验证分析模型参数的准确性和可靠性。

2.1 模型分析

MIKE SHE模型对于湿润半湿润蓄满产流地区具有较好的适用性,并具备较好的物理意义。对于温带半湿润季风气候区的法库县辽河段,可以利用MIKE SHE模型进行汛期降雨洪水过程的模拟分析[7]。一般来说,洪水形成之前会发生多场次小量级降水,这会增加土壤含水量使其达到饱水状态,加快产流速度。因此,在模拟暴雨过程时,需要考虑到蓄满产流的情况,这也是应用MIKE SHE模型模拟的必要条件。

MIKE SHE模型的水流运动模块由6个相互联系且彼此独立的子模块构成,包括融雪 SM、饱和带 SZ、不饱和带 UZ 、明渠流 OC 、坡面流 OL 和气候ET模块,各水文过程都对应一个子模块。对于法库县辽河段汛期洪水,在模拟分析过程汇总不需要考虑融雪和饱和带模块[8]。

MIKE SHE模型的水流运动模块主要是由6个相互联系且彼此独立的子模块构成,这种模块化结构包括融雪SM模块、饱和带SZ模块、不饱和带UZ模块、明渠流OC模块、坡面流OL模块和ET气候模块[9]。对于每个水文过程都存在与之对应的子模块,汛期大洪水过程中法库县辽河段地下饱和带水流较为稳定,不涉及融雪,故不考虑融雪模块和饱和带模块的模拟分析。

2.2 数据资料

1)地形数据。采用地形尺度5m、分辨率1∶1万DEM数据,在CGCS2000系统中建立地图坐标系。由于研究区涉及范围较广,以50m精度栅格进一步转换DEM数据,经填挖等操作处理后,将地形数据输入MIKE SHE模型。

2)水文数据。研究河段蒸发量取5mm/s,统计分析法库县辽河段历年前10场大洪水及大暴雨数据,重点统计大暴雨洪水近期发生的时间,研究选用2007年8月和2012年7月实测暴雨洪水数据验证及率定模型参数,将雨量站实测雨量时间序列及流域内场次洪水输入泰森多边形内,以此完成对降雨量的处理。

3)河道断面数据。河网文件中包含55条二、三级和23条一级支流,并考虑实测断面资料和概化模型提取支流及其它河段数据。

4)用地类型数据。法库县土地利用数据来源于国家土壤数据共享平台,通过查阅相关文献及用户手册确定各用地类型的坡面糙率值[10]。

5)边界条件。本研究统一将上游边界条件设为0m3/s,结合潮位观测站实测数据确定南辽河三面船段边界水位,并将实测数据导入MIKE SHE模型。

2.3 参数率定

根据法库县辽河段历年实测大洪水及大暴雨数据,并选用2007年8月和2012年7月实测暴雨洪水数据验证及率定模型参数,其中2007年、2012年实测洪峰流量为330m3/s和336m3/s。模型控制条件取最大3d洪量。通过“试错法”逐步调整模型参数,经多次试错最终保证最大3d洪量级模拟洪峰误差不超过5%,经率定确定模型的最终参数见表1。

表1 法库县辽河流域模型参数值

3 结果与分析

3.1 设计洪水模拟

根据工程最不利的设计洪水地区组成原则计算法库县辽河段历次设计洪水,通过上、下段同频率控制推求相应区间的设计暴雨[11-14]。考虑到研究河段内分洪控制点、滞洪区、水库节点较多且地形差异较大的情况,研究将5个控制段进一步细分成40个单元。研究选用降雨径流关系法,即利用历史降雨和径流数据建立降雨与径流关系的方程或曲线,以估计产流和水流量,并利用瞬时单位线法,通过单位线与实际降雨流量曲线进行卷积运算计算产流过程。

在洪水组合计算中,考虑分洪控制工程包括各种堤坝、堰闸和泄洪设施,滞洪区以及水库调度等因素。使用率定好的MIKE SHE模型,通过输入50a一遇的设计暴雨来模拟洪水过程,通过对比降雨径流关系法、瞬时单位线法和MIKE SHE模型计算的设计洪水如表2所示,评估该方法的准确性和适用性。

表2 不同方法模拟的设计洪水量

由表2可知,采用工程水文学法和MIKE SHE模型计算的南辽河三面船段设计洪水总量为118000m3/s、114400m3/s,两者之间的误差只有3.15%。根据工程水文学法和MIKE SHE模型模拟计算的河道洪水总量及流域内坡面水存储总量相对差均不超过5%,研究表明扣除下渗、蒸散发等损失后,两种方法计算的水量基本平衡。

对于各个断面,采用工程水文学法计算的洪水过程与MIKE SHE模型模拟的洪水过程线变化趋势基本一致,以南辽河三面船段为例,两种方法计算的洪水过程线如图1所示。

图1 南辽河三面船段流量过程线

由图1可以看出,MIKE SHE模型相较于工程水文学法模拟的峰现时间有所推移,这是因为受河流水与坡面水交互作用、地形条件等因素影响使得峰现时间推迟,而洪峰流量水文计算成果是河道治理工程重点关注内容,MIKE SHE模型相比于工程水文学法模拟结果略有减小,研究成果可以为河道整治特别是防洪治理提供科学参考依据。

3.2 不同工况模拟

对法库县辽河段2021年现状工况和规划工况下的暴雨洪水过程利用上述率定好的模型进行模拟,结合现场调研及模拟结果,可以为洪涝严重河段的防洪治理规划提供一定指导,通过对比规划和现状工况下的模拟结果能够为河道防洪治理效果评价提供参考。

在率定好的MIKE SHE模型中输入2021年8月法库县辽河段6个雨量站实测降雨数据,然后向Arc GIS系统中导入以上模拟成果,研究分析淹没水深及范围。结合模拟成果,法库县辽河段规划整治工程主要有新建排涝泵站、干支流堤防及水利设施维修养护等。研究模拟规划工程时,以现状工况为基础按照点源的方式,通过合理布设泵站和替换现状断面,将支流洪水汇入干流模拟规划工况下的洪水过程,成果如表3所示。

表3 最大涝水时刻

由表3可知,在模拟至8月12日3:00时,两种工况均出现了坡面最大涝水,在模拟至8月13日20:00时,规划工况下大量积水已经退去,但部分低洼区仍然存在涝水;现状工况下坡面仍存在约15cm深的积水,模拟至8月15日4:00时,所有坡面积水基本已经退去。由模拟结果可以发现,两种工况对坡面积水分布特征的影响较小,规划与现状工况相比,其坡面退水时间提前28h,排水效果较为明显。通过模拟现状和规划工况下法库县辽河段涝水分布情况,可以为改善流域的涝情以及河道防洪整治工程提供实时定量分析的参考,有利于决策者了解不同工况下的涝水情况,并采取适当的措施来改善流域内的涝情和防洪能力。

4 结 论

文章以法库县辽河段为例,采用历年实测洪水数据率定MIKE SHE模型参数,并采用率定后的模型研究分析暴雨洪水过程,研究成果可以为覆盖范围大、地形条件复杂的河流洪水设计提供科学依据。根据现状及规划工况下的暴雨洪水模拟结果,可以为河道防洪整治工程的实施及其改善流域涝情作用效果定量评价提供一种新的途径。现有研究主要侧重于设计洪水及大洪水分析,模拟实时洪水及暴雨的研究还较少,未来仍需考虑水文条件、降水等因素不断改善模型,进一步提升模拟结果可靠性与有效性。