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      InfoworksRS在防洪預(yù)警中的應(yīng)用

      2012-12-08 07:23:58許拯民許龍賓華北水利水電學(xué)院
      河南水利與南水北調(diào) 2012年1期
      關(guān)鍵詞:暴雨降雨河道

      □許拯民 □師 琨 □許龍賓(華北水利水電學(xué)院)

      1.前言

      防洪預(yù)警歷來(lái)是水利工作中的頭等大事。近年來(lái),隨著水利研究的不斷深入,先進(jìn)的洪水預(yù)警與模擬機(jī)制不斷推出,為防洪預(yù)警工作提供了很大的便利。其中,暴雨預(yù)警工作中,應(yīng)用較多的是洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。該法可以快速的劃定暴雨的淹沒(méi)范圍,時(shí)效性較強(qiáng)。然而該法是一種模糊推斷,過(guò)多參考以往經(jīng)驗(yàn),且表現(xiàn)形式單一,精度較為欠缺。為了研究大江大河的流態(tài)演進(jìn),國(guó)家出重金構(gòu)建了一些重要河流的實(shí)體模型。該類(lèi)模型模擬真實(shí)河流的下墊面狀況,對(duì)于研究不同來(lái)水狀況下的河道流態(tài)具有很大的意義。但是實(shí)體模型體積龐大,投入成本高且難于維護(hù),只能在特定的流域展開(kāi),適用性較差。InfoworksRS系列河流模擬軟件的引入,彌補(bǔ)了以往老方法中精度低、適用性差的問(wèn)題,已成功建立了比利時(shí)丹瑪流域?qū)崟r(shí)防汛預(yù)報(bào)調(diào)度決策系統(tǒng)、墨西哥河洪水模擬及我國(guó)太湖水量水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。其高效的計(jì)算引擎、形象的展示界面以及生動(dòng)的成果展示方式,為防洪預(yù)警工作提供了新的思路與方向,是目前應(yīng)用較為廣泛的流域水資源和洪水管理的軟件之一。

      2.InfoworksRS軟件介紹

      InfoworksRS系列軟件由兩大部分組成:河流水動(dòng)力模擬軟件和流域水文模型PDM軟件。

      2.1 河流水動(dòng)力模擬軟件

      2.1.1 主要功能介紹

      該軟件是InfoworksRS軟件的主體部分,承載了該軟件的水動(dòng)力模擬、降雨產(chǎn)匯流模擬等主要功能,軟件內(nèi)嵌先進(jìn)的ISIS水動(dòng)力模擬引擎,可以快速的計(jì)算復(fù)雜河道的水流過(guò)程。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部分由河道斷面、下墊面地形數(shù)據(jù)以及上下游邊界點(diǎn)構(gòu)成。軟件能夠自動(dòng)讀取固定格式的TXT、EXCEL文檔,并且整合了GIS端口和ArcViewsharp系列文件,可以快速批量的引入斷面數(shù)據(jù)和下墊面數(shù)據(jù)。

      軟件囊括了橋、閘門(mén)、泵等多種水工設(shè)施和建筑物,并且可以通過(guò)引入邏輯關(guān)系命令,按照實(shí)際的操作規(guī)則,編寫(xiě)相關(guān)的命令,使得水工建筑物可以按照調(diào)控的需要自動(dòng)運(yùn)行。

      該軟件的成果表達(dá)形式豐富。首先,已運(yùn)行成功的模擬,可以通過(guò)軟件自配的錄制功能,在平面或者縱斷面視角全過(guò)程錄制或者截取部分錄制下來(lái),自動(dòng)生成AVI文件供用戶(hù)調(diào)用和閱覽。其次,對(duì)于河道每一個(gè)斷面,軟件都提供了三大種結(jié)果查看方式:第一種是斷面視圖方式。該方式顯示了斷面的剖面以及時(shí)時(shí)的水深狀況,可以隨模擬的進(jìn)行不斷變化;第二種斷面過(guò)程線(xiàn)方式。該方式可以顯示的內(nèi)容包括該斷面全過(guò)程的水位、流量、流速、弗勞德數(shù)等,用戶(hù)可以根據(jù)自己的查閱需要選擇其中的一個(gè)或者兩個(gè)進(jìn)行查閱;第三種是斷面時(shí)刻數(shù)據(jù)方式。該方式將過(guò)程線(xiàn)方式中的所有可顯示數(shù)據(jù)以表格的方式呈現(xiàn)出來(lái),用戶(hù)可以自由定義數(shù)據(jù)保存到時(shí)間步長(zhǎng)。最后,軟件可以將視角由二維拉大到三維,立體的呈現(xiàn)全流域的水動(dòng)力過(guò)程。最新版本中加入了水深的影像設(shè)置,看起來(lái)更加的逼真、生動(dòng)。除此之外,軟件還可以完成斷面間的數(shù)據(jù)對(duì)比、模擬成果與實(shí)測(cè)對(duì)比等,并且可以生成相關(guān)的成果報(bào)告供用戶(hù)參考。

      2.1.2 基本原理介紹

      ISIS河道水動(dòng)力模型囊括了河流、湖泊、外部控制以及內(nèi)部控制的相互作用,考慮水體的質(zhì)量守恒和動(dòng)力守恒等必要條件,以水力學(xué)經(jīng)典公式圣維南方程式為基礎(chǔ)來(lái)表示質(zhì)量和動(dòng)力的守恒。由質(zhì)量守恒引出的連續(xù)方程建立了水位上升率和楔狀體以及棱狀體儲(chǔ)藏量之間的平衡。由動(dòng)力守恒引出的動(dòng)力方程,建立了慣性、擴(kuò)散、地心引力以及摩擦力之間的平衡。

      連續(xù)方程:

      其中,q為旁側(cè)入流(m3/s·m)。

      動(dòng)力方程:

      其中:A、Q、H分別為過(guò)水面積,流量,斷面水位(潮位);Sf為摩擦比降:

      其中K由河道流量因數(shù)和相關(guān)曼寧數(shù)組成的方程得到

      其中,R為水力半徑;P為潤(rùn)周長(zhǎng)度;n為曼寧粗糙系數(shù)。

      圣維南方程式由Preissmann隱式差分法求解。Preissmann隱式差分,突破了顯示格式對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)dt要施加限制的缺陷。離散方式是一個(gè)四點(diǎn)隱格式,如下:

      式中θ為加權(quán)系數(shù),0≤θ≤1。

      PDM模型中各參數(shù)含義表

      這是Preissmann格式原始離散的方法,對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散,得到以增量表達(dá)的非線(xiàn)性方程組,忽略二階微量簡(jiǎn)化為線(xiàn)形代數(shù)方程組,可以進(jìn)行求解。

      2.2 流域水文模型PDM軟件

      2.2.1 主要功能介紹

      PDM是英文“ProbabilityDistributedModel”的縮寫(xiě),即“概率分布式模型”。軟件用于完成對(duì)指定流域的產(chǎn)流系數(shù)確定,進(jìn)而結(jié)合河流水動(dòng)力模擬軟件,完成對(duì)指定降雨的產(chǎn)匯流模擬。

      軟件首先需要對(duì)流域的日系列數(shù)據(jù)(即該流域的日流量數(shù)據(jù)、日蒸發(fā)數(shù)據(jù)和日降雨數(shù)據(jù))進(jìn)行率定,以確定該流域的基流系數(shù)等影響到基流的參數(shù)(Cmax、Kb、Kg、Bg、Be),接著利用15min或者1h為步長(zhǎng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)率定地表徑流以及壤中流參數(shù)(K1、rainfac、b、tdly)等。

      2.2.2 基本原理介紹

      圖1.降雨產(chǎn)匯流模型圖

      流域中任一點(diǎn)的徑流量可以概化為單一存儲(chǔ)單元體的容量c,該存儲(chǔ)體通過(guò)降雨P(guān)補(bǔ)充水分,通過(guò)蒸發(fā)E流失水分,直到該存儲(chǔ)體充滿(mǎn)后溢出產(chǎn)生直接徑流q,或由于蒸發(fā)流空,停止流失水分。

      式中:So為存儲(chǔ)單元體的初始水深;P、E、q分別表示降雨深、蒸發(fā)以及考慮時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的直接徑流。任意點(diǎn)的蓄水能力c可以被看作為是概率密度函數(shù)f(c)的一個(gè)隨機(jī)變量,則在深度方向(c,c+dc)上即為f(c)dc。蓄水能力不大于C*的存儲(chǔ)體的流域比例為:

      式中,函數(shù)F(C*)為蓄水能力的分布函數(shù)。

      因此,對(duì)于一個(gè)面積為A的流域,時(shí)間t時(shí)產(chǎn)生徑流的流域面積為:

      該流域單元面積的瞬時(shí)直接徑流率為凈降雨率π與產(chǎn)生徑流的流域比例 F(C*(t)的乘積,即:

      第i個(gè)降雨時(shí)段(t,t+Δt)內(nèi),假設(shè)降雨和潛在蒸發(fā)以恒速Pi和Ei進(jìn)行,則凈雨量π=Pi-Ei。在該時(shí)段內(nèi),臨界蓄水能力 C*(τ)將根據(jù)以下公式增長(zhǎng)

      作用面積將根據(jù)式(9)擴(kuò)大,并且,在該時(shí)段內(nèi),單位面積產(chǎn)生的流域直接徑流為

      3.應(yīng)用實(shí)例

      3.1 流域概況

      福建省位于東南沿海,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,氣候較為濕潤(rùn),七成以上雨量集中在4-9月。此次應(yīng)用選取閩江下游某河段建立模型。該河段位于山區(qū)河流的下游,模擬河段的上游點(diǎn)位于山區(qū)與平原河道的接壤處,下游點(diǎn)位于入河口處。河道全長(zhǎng)近20km,河道坡降小于千分之一,整體地勢(shì)平緩。

      3.2 率定過(guò)程

      2005年,福建省遭到一場(chǎng)特大暴雨的襲擊,最大1h降雨量超過(guò)百年一遇,造成了非常嚴(yán)重的災(zāi)害,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。此次模擬將結(jié)合以往資料完成對(duì)該區(qū)域的流域產(chǎn)流系數(shù)的率定,之后結(jié)合RS軟件完成此次暴雨的產(chǎn)匯流過(guò)程。

      首先,對(duì)近幾十年該流域的暴雨洪水資料進(jìn)行了收集和查閱,選取了其中7次較為典型的暴雨洪水過(guò)程。這些資料涵蓋了流域豐水年、中水年和枯水年3種流域來(lái)水狀態(tài),且洪量較大,影響較為廣泛,具有一定的代表性。調(diào)取對(duì)應(yīng)7次暴雨的7年日流量、日降雨以及日蒸發(fā)資料,率定流域的基流影響因素;摘取7次暴雨洪水過(guò)程的時(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)行短時(shí)段水文率定,確定產(chǎn)流因子、降雨延時(shí)等參數(shù)。通過(guò)率定,得到表1參數(shù)值。

      表1 水文參數(shù)表

      將以上參數(shù)引入RS軟件,同時(shí)將2005年特大暴雨的實(shí)測(cè)降雨資料以及對(duì)應(yīng)暴雨時(shí)段的下游出口處實(shí)測(cè)水位資料輸入軟件,經(jīng)過(guò)計(jì)算,得出該場(chǎng)暴雨的產(chǎn)匯流過(guò)程。

      3.3 模擬結(jié)果與分析

      通過(guò)模擬計(jì)算,軟件給出的淹沒(méi)區(qū)域主要集中在河道的中上游片區(qū)。結(jié)合當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況得知,流域的上游首先遭遇山洪,且河堤較低,淹沒(méi)較為嚴(yán)重。中下游區(qū)域的河道相對(duì)規(guī)整,河堤相對(duì)較高,沒(méi)有發(fā)生滿(mǎn)溢。整體模擬情況與實(shí)際情況相符。

      介于當(dāng)時(shí)暴雨歷時(shí)短、降雨量大,驗(yàn)證參考資料為河道中上游邊灘處的三個(gè)洪痕點(diǎn)。對(duì)比洪痕點(diǎn)結(jié)果為:最大誤差0.07m;最小誤差0.02m,整體誤差較小,模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

      4.結(jié)論與建議

      4.1 結(jié)論

      通過(guò)以上模擬可以看出,InfoworksRS系列軟件在流域降雨水文模擬中表現(xiàn)較為優(yōu)秀,結(jié)果令人滿(mǎn)意。在資料較為充足的流域,應(yīng)用水文模型軟件對(duì)往年水文資料進(jìn)行參數(shù)率定,之后結(jié)合水動(dòng)力模擬軟件可以快速完成對(duì)流域產(chǎn)匯流以及水動(dòng)力過(guò)程的模擬,在精度、效率以及可視化等方面都有著不錯(cuò)的表現(xiàn),對(duì)于流域防洪預(yù)警工作具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

      4.2 建議

      首先,該系列數(shù)字模型軟件對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量要求較高。相對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)在較為滯后和不太齊整的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)而言,軟件在應(yīng)用和推廣方面會(huì)受到一定的影響。

      其次、因該軟件是由英國(guó)軟件公司開(kāi)發(fā),軟件內(nèi)部保存了一些英國(guó)的元素,部分參數(shù)或者數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)的銜接還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

      [1]陳鳴,吳永祥.InfoWorksRS、FloodWorks軟件及應(yīng)用[J].水 利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2008.

      [2]梁世奎,王學(xué)超.模擬技術(shù)在河流系統(tǒng)防洪信息管理中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2008.

      [3]周振民,王學(xué)超.InfoWorksRS軟件在河流系統(tǒng)防洪信息管理中的應(yīng)用[C].中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2007.

      [4]薛澤輝,孫保沭.基于InfoWorksRS的數(shù)字流域模型研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2007.

      [5]可友國(guó),雷宏軍.尖崗水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].人民黃河,2008.

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