基于ArcGIS 及Mike 的山东省山丘区中小河流洪水淹没图编制

王 猛，张 明

（青岛市水利勘测设计研究院有限公司,山东 济南 250013）

1 引言

洪水灾害是最严重的自然灾害之一,我国洪水灾害频发且影响范围广泛,严重影响国民经济发展和人民生命财产安全。因此,山丘区中小河流洪水淹没图的绘制将会对防洪决策的制定、洪水灾害应急预案的编制、科学有效的划定河道管理红线及增强群众的水患意识等具有重要的指导意义,也是防洪减灾中重要的非工程措施之一[1-2]。

科学的洪水淹没分析是洪水淹没图编制的前提[3],本文以山东省山丘区中小河流中的黄垒河为例,以区域DEM 数据及河道实测断面数据为基础,利用ArcGIS 及Mike 进行山丘区中小河流洪水淹没分析,结合《山东省山丘区中小河流洪水淹没图编制项目技术指南（试行）》（以下简称《技术指南》）的要求[4-5],统计分析淹没水深、淹没流速、淹没对象等信息,并制作洪水淹没图。

2 研究区域概况

黄垒河流域属半岛独流入海水系,为季风区雨源形河流。该河发源于牟平昆嵛山南麓的黄垒口,于文登区小观镇度假村入黄海,流经烟台市牟平区、威海市文登区和乳山市。黄垒河干流全长71 km,流域面积635 km2。黄垒河流域水系示意图见图1。

图1 黄垒河流域水系示意图

黄垒河流域属暖温带东亚季风区大陆性气候,四季变化明显,但受海洋气候影响,与同纬度内陆地区相比,具有冬暖、夏凉、春冷、秋温及温差小等特点,但风力偏大偏多。流域多年平均降水量为723 mm,降雨多集中在6 月～9 月,约占全年总降雨的70%以上。流域内洪水主要由暴雨形成,河川基流、洪峰水量集中,洪峰流量大小也主要取决于暴雨大小。洪水与暴雨存在着明显的对应关系,且缓于暴雨。

3 设计洪水

3.1 控制段划分

结合黄垒河流域内水库建设情况共划分5 个控制段,黄垒河各控制河段控制面积见表1,控制段位置示意图见图1。

表1 黄垒河流域控制河段划分情况表

3.2 设计洪水

黄垒河设计洪水分别采用《山东省中小河流治理工程初步设计设计洪水计算指导意见》（以下简称《指导意见》）及分布式水文模型（FFMS）进行计算,并结合已批复的设计洪水成果,综合选定设计洪水成果。将两种计算方法的设计洪水计算成果与已通过审批的设计成果进行综合比选,最终确定选用《指导意见》的计算成果。黄垒河各控制段最终采用设计洪水成果见表2。

表2 黄垒河设计洪水成果采用表 单位：m3/s

4 模型构建

4.1 计算方案

4.1.1 计算范围

根据《技术指南》要求,黄垒河洪水淹没模型计算范围确定为瓦善水库溢洪道出口以下的干流段及支流回水段,总面积约173 km2。黄垒河洪水淹没计算范围见图2。

图2 黄垒河洪水淹没计算范围图

4.1.2 洪水组合情况

分别选取黄垒河流域内遭遇5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇和100 年一遇等不同频率的设计洪水情况进行计算。

4.2 一维水动力模型

4.2.1 模型构建

模型构建主要包含河网文件制作、地形处理及断面文件制作。

河网文件制作：将处理后的断面数据及河道中心线参数导入MIKE11,制作河网文件（hlhhw.nwk11）。

地形处理及断面文件制作：河道内采用实测纵横断面数据,计算范围内共135 个测量断面,平均断面间距为460 m。采用测量断面资料作为控制性断面资料,并对断面其赋予不同的分布式糙率值,制作断面数据文件（hlhdm.xns11）。

4.2.2 边界条件

黄垒河一维模型共设置5个边界条件,包括上游开边界、下游开边界以及3 个内部点源边界。黄垒河各设计频率下的边界条件见表3。

表3 黄垒河边界条件统计表

4.2.3 主要参数设置

初始条件：黄垒河一维模型初始水深设置为0.5 m。

糙率：一维模型采用分布式糙率,黄垒河主槽糙率设置为0.03,滩地糙率设置为0.035。

4.2.4 特殊问题处理

阻水建筑物设置：黄垒河一维水动力模型中共设置阻水建筑物13 座,其中节制闸2 座,拦河坝6 座,漫水桥5 座（其中3 座采用堰模块方式设置,2 座采用“涵洞+堰方式设置）。

堤防缺口：黄垒河现状堤防欠高及缺口总长度约1.10 km,其中左堤长度约0.99 km,右堤长度约0.11 km。为真实反应堤防缺口的影响,在模型断面文件中对堤防缺口位置处首尾两端断面进行内插,并按照缺口处实测高程对其进行修正。

4.3 二维水动力模型

4.3.1 模型构建

地形数据处理：计算区域高程散点由山东省国土测绘院提供的1∶10000 DEM 数据提取,根据地物复杂程度提取不同密度的散点,黄垒河共提取高程散点13.40 万个。

网格剖分：采用三角形网格对黄垒河模拟区域进行剖分,黄垒河共划分网格5.67 万个,节点2.98 万个。

地形插值与修正：地形插值采用自然临近法,并依据相关设计报告及DEM 数据,对除干流以外水道河、老清河等支流的河底高程与堤防高程值进行修正。黄垒河二维差值地形见图3。

图3 黄垒河二维插值地形图

4.3.2 主要参数

糙率：采用分区糙率,对计算区域内的居民地、道路、耕地、河流等地物设置不同的糙率,以反映下垫面对洪水演进的影响。黄垒河计算范围内不同地类糙率设置情况见图4。

图4 黄垒河二维糙率分布图

初始条件：二维模型的初始条件为计算区域内各网格的初始水位,对二维模型计算区域赋予0.01 m 的初始水深,将区域内各网格的地形高程值与初始水深之和作为二维模型的初始条件。

4.4 一二维耦合模型

为准确描述河道一维、地面二维模型间的相互影响,需要建立MIKE11 河道一维、MIKE21 平面二维耦合模型。耦合通过MIKE FLOOD 实现,采用侧向连接方式,将二维模型的一系列网格以旁侧方式连接到一维模型的部分或整个河道,并自动使用标准的构筑物公式来计算流量。

耦合连接点选取河道干流左右岸第一排网格节点,连接方法采用“单元到单元”,连接处的堤岸高程采用一维测量断面数据。黄垒河全线共设置侧向连接359 个,其中左岸179 个,右岸180 个。黄垒河一二维耦合连接设置见图5。

图5 黄垒河一二维耦合连接图

5 洪水影响分析

5.1 洪水淹没要素

经统计分析：黄垒河遭遇100 年一遇洪水时平均最大淹没水深最大,为0.93 m,5 年一遇洪水时平均最大淹没水深最小,为0.87 m。黄垒河各设计频率下的淹没水深见表4。

表4 黄垒河各频率淹没水深统计表

5.2 洪水淹没影响

根据《技术指南》,结合已有资料、DEM 数据及局部地形等资料,运用ArcGIS 软件获取黄垒河不同频率下的洪水淹没信息。

经统计分析：黄垒河发生100 年一遇洪水时,洪水淹没面积为10.16 km2,淹没村庄17 个、敬老院1 个；黄垒河发生50 年一遇洪水时,洪水淹没面积为7.72 km2,淹没村庄16 个、敬老院1 个；黄垒河发生20 年一遇洪水时,洪水淹没面积为4.39 km2,淹没村庄6 个；黄垒河发生10 年一遇洪水时,洪水淹没面积为2.50 km2,淹没村庄3 个。黄垒河发生5 年一遇洪水时,洪水淹没面积为1.76 km2,淹没村庄3 个。黄垒河淹没面积统计信息见表5,淹没范围见图6。

表5 黄垒河不同淹没水深区间内淹没面积统计表

图6 黄垒河洪水淹没影响范围图

6 结语

以黄垒河为例,通过ArcGSI 和Mike 并利用DEM 数据及河道实测数据得到一种基于区域数据条件下洪水淹没图的绘制方式,可为后期洪水淹没图编制提供相应的指导作用。同时,结合模型的分析计算结果可以为避险转移、防洪防范措施、减少人员伤亡和财产损失等方面提供决策参考。

此外因受水利工程、基础数据精度、建模概化程度等因素的限制,导致计算结果具有一定的局限性,建议在后续研究中进行更深层次的研究。同时,结合淹没分析统计成果,建议主管部门可以在加强堤防薄弱段的治理、拆除或改建阻水建筑物及加强河道运行管理等方面来提高河道的防洪能力。