基于InfoWorks RS的蒋巷联圩防洪保护区洪水演算

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(1.江西省水利科学研究院 信息与自动化研究所，南昌 330029；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.南京水利科学研究院 水工水力学研究所，南京 210029)

1 研究背景

洪水演算模拟不仅是洪水风险图绘制、洪水风险分析、洪水损失评估的基础，也是洪水管理的重要科学依据[1]。目前，用于洪水演算模拟较为成熟的商业软件主要有：荷兰Delft大学开发的Delft 3D 模型、丹麦DHI公司研发的MIKE模型、美国的SMS模型、英国Wallingford软件公司开发的InfoWorks RS模型等[2]。其中InfoWorks RS模型主要用于河网水动力学模型建模和计算，其采用分布式结构体系，具有强大的可视化效果及友好的操作界面，可方便用户建立河网模型[3-5]。

近年来，国内学者利用InfoWorks RS在洪水模拟方面进行了相关研究，如魏凯等[6]采用InfoWorks RS河流模拟软件，构建了淮河中游鲁台子—淮南区间河道和行蓄洪区的水力学模型；林国勇等[7]利用InfoWorks RS建立水力学模型，对福州溪源江流域“龙王”台风洪水淹没进行了一维模拟；王学超等[8]应用InfoWorks RS进行了河流系统洪水演进模拟，并对校核标准下的洪水下泄过程进行了演进模拟；肖魁等[9]详细介绍了利用InfoWorks RS建立鄱阳湖二维水动力学模型的思路和步骤，并模拟了鄱阳湖湖区水位变化的全过程；许拯民等[10]以福建省某流域为例，利用InfoWorks RS模拟了在防洪预警中的作用。

上述研究均利用InfoWorks RS对一维河道或二维洪泛区单独建立模型，但未能将两者结合分析。本文则采用InfoWorks RS建立赣江一维河道模型及蒋巷联圩防洪保护区二维模型，探讨圩区内的洪水演算过程，分析最不利工况下圩区内的溃口溃决过程、洪水演进过程及淹没水深要素等。

2 区域概况

蒋巷联圩是江西省鄱阳湖区重点堤防之一，地处赣江尾闾，位于赣江南支和中支之间，东临鄱阳湖，西傍南昌市，是一个四面环水、地势低洼的独圩岛乡,如图1所示。

圩内面积149.86 km2(含黄湖蓄滞洪区面积为49.28 km2)。东西长39 km，南北宽4～6 km，防洪堤线总长94.355 km，分为蒋巷联圩内圩与黄湖蓄滞洪区，其中蒋巷联圩外洪堤线长85.81 km，黄湖蓄滞洪区分洪隔堤长8.545 km。蒋巷联圩堤顶高程22.70～23.32 m，顶宽7～10 m；黄湖堤顶高程18.0 m。由于蒋巷防洪保护区与黄湖蓄滞洪区之间隔堤高程达到22 m，与外围堤防防洪标准一致，因此，两者可分别独立进行洪水演算。除特别注明外，高程系统均采用黄海高程基准，黄海高程=吴淞高程-1.91 m。

图1 蒋巷联圩防洪保护区示意图Fig.1 Sketch of Jiangxiang dike

3 模型构建及率定

针对本防洪保护区，建立一维、二维耦合的水力学模型。其中，对河道建立一维水动力学模型，对防洪保护区建立二维水动力学模型，一维、二维模型之间采用“溢流单元”进行耦合连接，采用OpenMI异构模型接口技术实现一维、二维模型间的数据交互。鉴于区域内部河网纵横交错、水系复杂的特点，为提高模型计算效率，对设置的外洪、内涝2种不同类型的方案，分别采用2种不同的思路，本文只探讨防洪保护区受外来河水的影响，即只讨论外洪模型。

3.1 模型原理

3.1.1 河道一维模型原理

一维河道(河网)的洪水运动用St.Vennant方程组描述，其上、下游边界的控制条件一般采用水位过程控制、流量过程控制、流量-水位关系控制等形式。由基本方程St.Vennant方程、边界条件和初始条件共同组成一维洪水运动的定解问题。在InfoWorks RS中，数值计算方法采用的是水动力学方法中的有限差分法。

3.1.2 洪泛区二维模型原理

二维洪泛区内的水流运动十分复杂，如洪水在口门处向四周扩散，且优先沿河槽纵向泄流、在河槽蓄满溢流或决堤后又与槽外水体进行横向水量交换。这些局部的水流运动性质各不相同，如河槽内水流具有一维性，河槽外水流具有二维性，决口处水流则具有三维性质。一般情况下，洪水是在两岸设有堤防的河道内运动，一维St.Vennant方程组可以解决河道过流能力和水位升降的变化，而洪水到达时间、洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时等，需要进行二维洪水模拟计算，采用守恒型式的浅水波方程作为二维洪水运动的控制方程。在InfoWorks RS中，求解浅水流方程组使用的是二维有限体积法。

3.1.3 一维、二维耦合模型

一维、二维耦合水力学模型中一维河网模型与二维洪泛区模型通过“溢流单元”上的连接条件来实现模型耦合，“溢流单元”是河道堤防所在的位置，溃口也设置于此处。河道溃口上下游水流信息的交互示意图见图2所示。

图2 溃口上下游水流信息交互示意图 Fig.2 Sketch of the interactions at the breachbetween upstream flow and downstream flow

选定侧堰流公式来实现溃口下上游水流信息的交互,在溃口处二维计算单元一般通过多个网格点与一维计算单元连接。由于一维模型计算结果中的水力参数是物理量的断面平均值，二维模型计算出变量的是各网格中心处的节点值，因此在溃口连接处需要对一维、二维模型的交换数据进行转化和衔接。一维模型为二维模型提供流量值Q作为二维模型的边界条件，将Q值分布到二维计算单元的各节点上；在连接处二维计算网格的水位值并不相等，因此取各个计算网格的平均水位值Z返回给一维模型，以进行下一时段的计算，d1—d7表示堤防分为7段。一维、二维耦合模型的关联模式如图3所示。

图3 一维、二维耦合模型示意图Fig.3 Sketch of 1D and 2D coupling model

3.2 模型构建

模型主要考虑溃堤洪水对保护区的影响，构建的是二维模型，对赣江河道构建的一维模型，而区域内部的河道则概化其河道堤防、下挖河底地形，采用加密的二维网格处理。不考虑区域内圩区、闸门和泵站。模型采用的是2013年1∶10 000的数字线划底图(Digital Line Graphic，DLG)和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)基础地形资料，共计68图幅，包括整个防洪保护区、赣江南支、中支、北支。

3.2.1 网格剖分

采用非结构不规则网格对蒋巷联圩防洪保护区计算区域进行网格划分，网格设计成大小不等的三角形、四边形，使网格的大小随地形地势和阻水建筑物的分布灵活确定，而且尽可能地将影响水流的阻水建筑物作为网格边界，充分反映计算域的特征。必要时对保护区内一些典型的线性阻水建筑物，如堤防、公路等，经合理概化，适当加密网格，在二维地形中充分反映其特征。对于不规则三角形网格，最大网格面积不超过0.8 km2，重要地区、地形变化较大部分的计算网格适当加密。模型研究范围和网格划分以1∶10 000地形图散点高程为基础。

3.2.1.1 网格细化

对于河道和湖荡区域，创建网格多边形对网格进行细化，共创建网格多边形8类，部分网格剖分概化示意如图4所示。

图4 网格多边形概化示意图Fig.4 Generalization of the grid polygon

3.2.1.2 网格划分

采用二维区间概化二维模拟区域，二维区间以面状对象概化，每个二维区间的最大网格面积为0.8 km2，最小网格面积为0.2 km2。糙率则根据下垫面条件的不同分别确定。网格划分时以计算域外边界、区域内堤防、阻水建筑物、较大河渠、主要公路、铁路作为依据，采用无结构不规则网格，共生成计算网格数37 056个。

3.2.2 边界条件

3.2.2.1 一维模型边界条件

上边界取外洲水文站2010年设计洪水流量过程；下边界赣江各分支水位取湖口20.59 m高洪水位时相应的水位过程，在湖口20.59 m高洪水位情况下，鄱阳湖区比降很小，赣江中支取楼前水位站的水位过程，南支取滁槎水位站的水位过程。

3.2.2.2 二维模型边界条件

对于堤防溃决，首先确定各个溃决口门位置后，设置口门初始、最终尺寸(底高程、底宽等)，设定溃口发展过程，将其作为内部边界条件，计算溃口洪水过程。对于保护区内高于地面0.5 m以上的堤防、道路等线状构筑物，当泛滥洪水达到其顶高程时，选择漫溢方式进行洪水分析计算。

3.3 参数率定

3.3.1 一维模型率定

一维水动力学模型参数主要为河道糙率。糙率是表征河道底部、岸坡影响水流阻力的综合系数，是水力计算的重要灵敏参数，也是水动力数学模型中最重要的参数。首先在以往经验的基础上，利用InfoWorks RS河网模型中对河道糙率进行初步设置，选取2010年6月17日—8月31日昌邑、楼前、滁槎3个站计算水位与实测水位的对比结果，对河道糙率进行人工率定，率定结果见图5。

图5 2010年赣江糙率率定结果Fig.5 Calibrated result of roughness of Ganjiang river in 2010

根据实测资料和模型计算值对比可知，在2010年次洪过程中，昌邑、楼前、滁槎3个站计算的水位及变化过程与2010相应站点实测水位基本一致，水位变化趋势、最高洪水位到达时间基本一致，所以采用此次调试的参数作为一维水动力学模型最后率定的参数。经过调算，确定蒋巷联圩防洪保护区赣江一维河道模型糙率取值范围为0.018～0.05，平均糙率为0.032。

3.3.2 一维模型验证

采用1998年赣江实测洪水资料对河道模型进行验证计算。与率定期相应，将1998年6月22日—8月31日昌邑、楼前、滁槎3个站的计算水位过程与实测水位进行对比，如图6所示。从图中可以看出，在典型年次降雨过程中，计算的昌邑、楼前、滁槎3个站的水位变化趋势、最高洪水位到达时间与实测水位基本一致，3个站点的最大水位误差分别为0.085，0.198，0.172 m。

图6 1998年赣江糙率验证结果Fig.6 Validated result of roughness of Ganjiang river in 1998

根据图6可知昌邑等站模拟水位与实际水位吻合程度很高，由此说明外洪模型的合理性、准确性，可以对保护区的外洪风险进行模拟计算。

3.3.3 保护区内糙率

二维水动力学模型参数主要为二维洪泛区的糙率。由于缺乏实测资料，根据项目区地形、地貌的实际情况，结合以往规划设计资料和经验值分析确定蒋巷联圩地区二维洪泛区糙率采用值。文中洪泛区地表采用不同下垫面的糙率分区，具体数值详见表1。

表1 洪水风险区域糙率Table 1 Roughness of flood risk area

4 结果分析

利用InfoWorks RS构建了蒋巷联圩防洪保护区一维、二维耦合模型，模拟保护区内设计洪水为50 a一遇的洪水演进过程，计算了保护区内不同位置的淹没水深、水位等洪水演进指标。综合考虑保护区全部洪水模拟计算方案及保护区内受外洪影响最大工况，选取赣江洪水量级为50 a一遇的设计洪水(2010年型)，湖口水位为20.59 m恒定水位，赣江中支段高焰山(桩号7+450—7+950)发生溃决，口门宽度307 m，底高程22.9 m，溃口历时8 h，瞬溃，不考虑区间降雨，模拟时间序列为2010年6月10日—7月9日，共计29 d。此种工况下，保护区内的淹没面积分别为68.73 km2(去除区内水域面积共计41.75 km2)。淹没范围内最大水深为8.39 m，淹没水深3 m以上的淹没面积为66.79 km2，占总淹没面积的97.2%。

4.1 溃口溃决过程

赣江50 a一遇(2010年型)设计洪水，同时鄱阳湖遭遇20.59 m恒定水位，赣江中支段高焰山溃口溃决，不考虑区间降雨。从图7的溃口流量变化曲线可知，溃口最大流量为4 295.06 m3/s。当保护区发生溃堤时，溃口流量很快达峰值，随后因进入圩区内的外河水位下降而下降，由于外洲水文站2010年型设计洪水呈现2个波峰形态，因此保护区在溃堤360 h左右，溃口流量开始形成第2个小波峰形态，最终至保护区内水位低于溃口底高程。

图7 赣江50 a一遇设计洪水+湖口20.59 m恒定水位高焰山溃口流量变化曲线Fig.7 Discharge process at Gaoyanshan breach in the presence of combinatorial condition of 50-year event flood in Ganjiang River and constant flood level 20.59 m at Hukou

4.2 洪水演进过程

选取上述工况下高焰山溃口溃决后4，8，11，26，36，39 h洪水演进过程(图8)进行分析。从图8可见：当溃口溃决时，圩区内溃口附近的低洼地区迅速被洪水淹没；溃决后11 h，洪水淹没到圩区内部的小沟渠并向东北方向演进；溃决后26 h，洪水到达蒋巷联圩内部的太子河堤；溃决后36 h，洪水漫过蒋巷联圩内部的太子河堤，并通过太子河漫过到蒋巷东部区域；到39 h后，蒋巷整个区域几乎全被淹没。

图8 高焰山溃口洪水演进过程Fig.8 Flood routing process at Gaoyanshan breach

5 结 论

以蒋巷联圩防洪保护区为实例，利用InfoWorks RS构建了一维河道和二维洪泛区模型，快速准确地模拟了圩区溃堤后洪水演进过程。结果表明，InfoWorks RS在洪水模拟方面具有很强的可视化效果，且结果合理可靠。随着我国水利信息化的飞速发展，InfoWorks RS必将拥有更广阔的应用前景。