安徽省淮河干流行蓄洪区糙率分析

张 震，蔡正中，陈 祥

（1.安徽省水利水电勘测设计院，230088，合肥；2.安徽省防汛抗旱指挥部办公室，230022，合肥）

安徽省淮河干流行蓄洪区糙率分析

张 震1，蔡正中2，陈 祥2

（1.安徽省水利水电勘测设计院，230088，合肥；2.安徽省防汛抗旱指挥部办公室，230022，合肥）

为确定安徽省淮河干流行蓄洪区不同下垫面的空间糙率分布。采用水文学和水动力学相结合方法，以1991年、2003年及2007年淮河历史洪水实测资料为基础，搭建蒙洼、城东湖、姜唐湖、荆山湖及花园湖水文水动力学MIKE模型，分析研究行蓄洪区不同下垫面的空间糙率取值，包括村庄、树丛、旱田、水田、道路及河道等，提出了适用于安徽省沿淮行蓄洪区不同下垫面糙率的取值，进行沿淮行蓄洪区的洪水风险分析。

洪水风险图；行蓄洪区；水动力；不同下垫面糙率；安徽；淮河干流

安徽省境内淮河干流长430 km，行政面积6.7万km2，有行蓄洪区18处，其中蓄洪区4处、行洪区 14处，分布在淮河中游平原地区。淮河干流行蓄洪区既是流域防洪体系的重要组成部分，也是洪水风险较大的地区。在历次洪水中，淮河干流行蓄洪区为削减淮河干支流洪峰、扩大河道泄量发挥了重要作用。

洪水风险图编制是我国实践治水新思路、落实防汛工作从“控制洪水”向“洪水管理”转变、建立风险管理制度、开展洪水风险管理的重要基础支撑。按照防洪功能重要程度、启用频率等原则，安徽省确定了淮河干流蒙洼等12处行蓄洪区的风险图编制任务。

行蓄洪区糙率是洪水计算的一项主要参数，进行二维非恒定流水动力学计算时，不同的糙率取值，会计算出不同的洪水过程，直接影响洪水模拟的精度。

一、软件简介

MIKE 11和MIKE 21是丹麦水利研究所（简称DHI）开发的系列产品之一，本次使用的水文学模型为MIKE 11RR，水动力学模型为MIKE 11HD和MIKE 21HD。

MIKE 21水动力学模块是本次洪水分析模拟最核心的基础模块，可以模拟因各种作用力产生的水位和水流变化及模拟任何忽略分层的二维自由表面流。水流模拟基于的控制方程是不可压流三维雷诺Navier-Stokes方程沿水深积分的连续方程和动量方程，其连续性方程、X和Y方向动量方程如下：

式中：t为时间；x、y、z为右手Cartesian坐标系；d为静止水深；h=η+d为总水深；η为水位；u、v分别为流速在x、y方向上的分量；f为科氏力系数，f=2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；ρ为水的密度；ρ0为参考水密度；fv和fu为地球自转引起的加速度；sxx、sxy、syx和syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx和 Tyy为水平粘滞应力项；P a为当地的大气压；S为（us，vs）源汇项水流流速。τsx，τsy为风场摩擦力在x、y上的分量；τbx，τby为底床摩擦力在x、y上的分量。横线表示深度的平均值。

二、糙率系数分析

1.洪水场次选取

20世纪50年代以来，淮河流域洪涝灾害较大的洪水年份有 1950年、1954年、1956年、1962年、1963年、1964年、1965年、1968年、1969年、1975年、1982年、1991年、2003年和2007年等，现有的行蓄洪区共启用273次，近年发生洪水年份行蓄洪区的启用情况如下：

1991年汛期洪水过程中，安徽省内共启用行洪区12处。按上、下游依次为南润段、润赵段、邱家湖、姜家湖、唐垛湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、汤渔湖（蓄滞泥黑河内水）、洛河洼、荆山湖。

2003年汛期洪水过程中，安徽省内共启用蚌埠以上行洪区7处。按上、下游依次为邱家湖、唐垛湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼、荆山湖。

2007年汛期洪水过程中，安徽省内共启用蚌埠以上行洪区6处。按上、下游依次为南润段、邱家湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼。

因受历史条件、水文站点资料和分洪方式等限制，选取近年具有实测水文站点、分洪闸分洪的蒙洼蓄洪区、城东湖蓄洪区、姜唐湖行洪区、荆山湖行洪区及花园湖行洪区进行二维糙率系数取值研究，各行蓄洪区面积分别为180.4 km2、380.0 km2、119.2 km2、68.9 km2、218.3 km2。

涉及的历史洪水资料包括：蒙洼蓄洪区1991年、2003年、2007年实测分洪资料，城东湖蓄洪区2003年实测分洪资料，姜唐湖行洪区2007年实测分洪资料，荆山湖行洪区2007年实测分洪资料，花园湖行洪区1991年、2003年涝水资料，各站点水文资料来源于安徽省水文局整编出版的水文年鉴资料，其中蒙洼蓄洪区、城东湖蓄洪区、姜唐湖行洪区、荆山湖行洪区历次进洪情况见表1。

表1 蒙洼等4个行蓄洪区历次进洪情况表

表2 蒙洼等5个行蓄洪区网格剖分情况表

图1 1991年洪水蒙洼蓄洪区内曹集和曹台子站模拟结果

图2 2003年洪水蒙洼蓄洪区内曹集和曹台子站模拟结果

图3 2007年洪水蒙洼蓄洪区内曹集和曹台子站模拟结果

图4 2007年洪水姜唐湖行洪区内进、退洪闸站模拟结果

图5 2007年洪水荆山湖行洪区内进、退洪闸站模拟结果

表3 淮河干流行蓄洪区不同下垫面糙率值表

2.糙率系数分析

行蓄洪区DEM数据来源于安徽省测绘局2012年测绘的DEM高程数据图，不同下垫面区域划分数据来源于安徽省测绘局2012年测绘的1∶10 000基础地理矢量信息图。基于DEM高程数据图、1∶10 000基础地理矢量信息图剖分了5个行蓄洪区的二维地形网格文件和不同下垫面糙率系数文件，二维模型剖分为三角形网格，最大边长为100m，网格剖分中对历史年份的工况分别进行了还原，各行蓄洪区网格剖分情况见表2。

行蓄洪区内不同的地表类型对洪水演进具有不同阻力影响，洪水风险分析需考虑不同下垫面糙率系数的取值；考虑沿淮行蓄洪区内地形地貌、种植结构、房屋分布等相似性，划分为村庄、树丛、旱田、水田、道路、湖区及河道7大类不同下垫面。

蒙洼蓄洪区内有曹集水位站和曹台子水位站，城东湖蓄洪区内有城东湖水位站，姜唐湖行洪区内有姜唐湖进、退洪闸水位站，荆山湖行洪区内有荆山湖进、退洪闸水位站，花园湖行洪区内有花园湖水位站，利用8个实测水位站资料进行分析，对初始糙率设置进行修正。糙率初值先参照水力学计算手册选取，通过模拟计算实测洪水过程并不断调整糙率系数，使得水位站的模拟值与实测值吻合。其中蒙洼、姜唐湖、荆山湖内水位站实测水位值与模型模拟值见图1～5。

5个行洪洪区的8场次洪水各站点模型模拟结果较理想，实测水位与模拟水位的相位及大小得到了较好的拟合。经实测洪水验证分析后的淮河干流行蓄洪区不同下垫面糙率见表3。

三、成果应用

本次行蓄洪区糙率系数研究成果主要应用于安徽省淮河流域2013—2015年度行蓄洪区洪水风险图编制领域。根据淮河干流行蓄洪区不同下垫面糙率研究成果，在3个年度洪水风险图编制任务中，进行了淮河干流蒙洼、南润段、邱家湖、城东湖、姜唐湖、城西湖、董峰湖、寿西湖、瓦埠湖、荆山湖、汤渔湖、花园湖12处行蓄洪区的洪水风险分析，共分析了90多个洪水风险方案，绘制了200多张淮河干流行蓄洪区洪水风险图，保证了行蓄洪区洪水风险图成果的质量。

此外，本次行蓄洪区不同下垫面糙率研究成果为淮河流域保护区的糙率系数取值提供了参考，如应用于淮河流域茨南淝右片保护区、颍茨片保护区等洪水风险图编制中。

四、结语

本次研究分析还原了行蓄洪区历史地形条件，选择了实测的8场次洪水过程，利用了MIKE模型模拟计算，精确度高。模型模拟计算以二维非恒定流水动力学等模型为基础，对历史各场次洪水过程分别进行了模拟，模拟计算结果不仅对洪水峰值进行了验证比对，而且使整个场次洪水的相位及各相位对应水位值得到了较好的拟合。综上所示，本次模型模拟结果可靠，提出了适用于安徽省沿淮行蓄洪区不同下垫面糙率的取值，对淮河干流行蓄洪区洪水风险分析具有基础性的意义。■

[1]中水淮河规划设计研究有限公司.淮河干流行蓄洪区调整规划（修订）[R]. 2008.

[2]安徽省淮委水利科学研究院.安徽省洪水风险图编制项目实施方案（2013—2015年）[R].2013.

[3]戴文鸿，高嵩，张云.HEC-RAS和MIKE 11模型河床糙率应用比较研究[J].泥沙研究，2011（6）.

[4]徐婷.MIKE 21 HD计算原理及应用实例[J].港工技术，2010（5）.

[5]李燕，徐迎春.淮河行蓄洪区和易涝洼地水灾防治实践与探索[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[6]水利部淮河水利委员会.1991年淮河暴雨洪水[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[7]水利部水文局，水利部淮河水利委员会.2003年淮河暴雨洪水[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[8]水利部水文局，水利部淮河水利委员会.2007年淮河暴雨洪水[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

责任编辑 杨 轶

Roughness analysis for flood retention zones in Huaihe River mainstream of Anhui Province

Zhang Zhen,Cai Zhengzhong,Chen Xiang

In order to define roughness coefficient of various underlying surface on Huaihe Rivermainstream in flood discharge and retention zones of Anhui Province,MIKEmodels for Mengwa,Chengdong Lake,Jiangtang Lake,Jingshan Lake and Huanyuan Lake are created combining approaches of hydrology and hydrodynamic force and based on historical observation data of Huaihe River floods in 1991,2003 and 2007.Space roughness values of various underlying surface in flood discharge and retention zones,such as village,bushes,dry farmland,paddy field,road and river courses,have been analyzed.Roughness values of various underlying surface in flood discharge and retention zones of Anhui Province are proposed.Meanwhile flood risk analysis is carried out for flood discharge and retention zones along the Huaihe River.

flood risk analysis;flood discharge and retention zones;hydrodynamic force;roughness coefficient of various underlying surface;Anhui;Huaihe Rivermainstream

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0063-03

2016-10-17

张震，工程师。

全国重点地区洪水风险图编制项目。