数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition)Vol.44 No.4Jul.2023收稿日期:2022-12-06基金项目:“十四五”国家重点研发计划项目(2022YFC30055505)。第一作者:高英(1971),女,正高级工程师,从事水利工程规划设计和数字化方面的研究。E-mail:。引用:高英,王鹏,屈志刚,等.数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2023,44(4):47-59.GAO Ying,WANG Peng,QU Zhigang,et al.Flood forecasting model and application for digital twin Jialu River basinJ.Journal of North China university of water resources and electric power(natural science edition),2023,44(4):47-59.DOI:10.19760/j.ncwu.zk.2023044数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用高英1,王鹏2,屈志刚1,葛均建1(1.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南 郑州 450016;2.河南贾鲁河环境综合治理有限公司,河南 郑州 450016)摘要:数字孪生流域是智慧水利建设的核心内容,水利专业模型是数字孪生流域“四预”应用的支撑和驱动。面向数字孪生贾鲁河流域建设,依据流域界、工程位置、下垫面差异和社会经济条件分区选取适宜的产汇流模型,耦合二维水动力学模型构建了贾鲁河流域洪水预报模型,并以在建的灾后贾鲁河综合治理工程 2022 年防洪度汛工作为例,开展了郑州“720”暴雨重现和典型降雨在数字化场景中的模拟和预演。结果表明:所构建的面向数字孪生洪水预报模型能综合反映降雨、产流、坡面汇流以及防洪保护区分洪、河道内水闸调度、河道洪水演进和淹没变化的全过程,与实测数据对比,河道特征断面洪峰流量的误差在 10%以内,最高水位的误差在 0.2 m 以内;基于模拟的洪水要素与各类风险因子关键指标进行量化分析,可为复杂环境条件下在建工程的防洪度汛提供精准风险防范建议方案,为中小流域数字孪生“四预”应用提供有益借鉴。关键词:数字孪生流域;数字化场景;洪水预报模型;防洪度汛;贾鲁河中图分类号:TV122文献标识码:A文章编号:2096-6792(2023)04-0047-13Flood Forecasting Model and Application for Digital Twin Jialu River Basin GAO Ying1,WANG Peng2,QU Zhigang1,GE Junjian1(1.Henan Water&Power Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China;2.Henan Jialu River Environmental Comprehensive Treatment Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China)Abstract:The digital twin watershed is the core content of smart water conservancy construction,and the water conservancy professional model is the support and driving force for the application of the forecast,early warning,rehearsal,contingency plan of the digital twin watershed.For the construction of the digital twin Jialu River basin,the appropriate runoff genera-tion and confluence models are selected according to the basin boundary,project location,underlying surface differences and socioeconomic conditions,and a two-dimensional hydrodynamic model is coupled to build a flood forecasting model for the Jialu River basin.Taking the flood control and flood prevention work of Jialu River Comprehensive Treatment Project in 2022 after the disaster as an example,the simulation and rehearsal of“720”rainstorm recurrence and typical rainfall in Zhengzhou in digital scenes were carried out.The results are as follows.The constructed digital twin-oriented flood forecas-ting model can comprehensively reflect the entire process of rainfall,runoff generation,slope confluence,flood diversion in flood protection zones,river gate scheduling,river flood evolution,and inundation changes.Compared with the measured data,the error of peak flow in the characteristic section of the river is within 10%,and the error of the highest water level is within 0.2 m.The quantitative analysis of flood elements and key indicators of various risk factor based on simulation can provide accurate risk prevention proposals for flood control and flood prevention in construction projects under complex envi-ronmental conditions,and provide useful reference for the application of digital twin forecast,early warning,rehearsal,contingency plan in small and medium-sized basins.Keywords:digital twin basin;digital scene;flood forecasting model;flood control;Jialu River国家“十四五”规划纲要明确要求构建智慧水利体系,以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。国家“十四五”新型基础设施建设规划也明确提出,要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。数字孪生流域是智慧水利建设的核心内容,以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动对物理流域全要素和水利治理管理全过程进行数字化映射、智能化模拟,实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化1。水利部把建设数字孪生流域作为推动新阶段水利高质量发展的重要路径,全面开展水利行业数字孪生流域建设。2021 年 7 月受台风“烟花”的影响,河南发生了特大暴雨,降雨呈现出强度大、范围广、洪水量级大、持续时间长等特点。贾鲁河流域沿线部分水库出现严重险情,干支流河道损毁严重;郑州市域内城区发生严重内涝,造成了重大人员伤亡和财产损失。鉴于此,河南省委、省政府部署实施贾鲁河综合治理工程,并依托此工程开展省内数字孪生流域先行先试。构建具有“四预”(预报、预警、预演、预案)功能的数字孪生流域,科学开展流域防洪调度,其基础是流域洪水预报模型。国内外众多学者就此开展了很多探索研究。如刘志雨等2的研究表明,基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术能够满足中小河流洪水自动预警预报的生产需要。陈会峰3基于分布式水文预报模型研制了山丘区小流域洪水预报系统,在豫西山区暴雨洪水灾害防御中发挥了重要作用。张良艳等4建立了玉符河流域分布式洪水预报模型,模型在 72 h 预见期内具有较高精度。陈心池等5的研究表明,融雪径流模型、逐步多元回归模型和最近邻抽样模型均能很好地模拟中小流域的径流过程。胡昊等6利用时空变源混合产流模型对白河上游流域进行洪水模拟,运用 GLUE 法和 Sobol 法对参数敏感性进行分析,判定流域以蓄满产流为主。徐冬梅等7利用 TS 评分、BS 评分、Brier 评分以及 Tala-grand 分布图对 ECMWF 和 UK-MO 两个预报中心的集合平均降雨预报信息在洪安涧河流域的适用性进行了评估。糜佳伟等8以梅溪流域为例,探究了天气雷达定量降水估计和定量降水预报在中小流域洪水预报中的适用性。李整等9基于广东省综合单位线法和影响线理论,提出了三角形综合单位线洪峰实时预报法。杨洵等10利用 MIKE11 构建了太子河流域水文水动力模型,模拟效果良好。王猛等11以大伙房模型为例,利用粒子群算法对模型进行了参数优选。胡文才等12基于率定后的分布式新安江模型建立了南四湖流域洪水预报模型,并耦合一维、二维水力学模型开展洪水演进模拟。郭延祥等13耦合一维水动力学模型和水文预报结果模拟了三峡、葛洲坝两库的洪水演进过程。杜献梅等14对圣维南方程组进行离散,建立了改进的洪水演进一维数值模型,模型的模拟结果可提供给二维计算并作为堤防防洪能力预测的依据。霍文博等15比较了支持向量机模型与新安江模型在浙江省昌化流域,瓶窑流域和陕西省陈河流域、大河坝流域的洪水预报精度,发现支持向量机模型在短预见期实时预报中更具优势。张珂等16采用决策树、多层感知器、随机森林和支持向量机 4 种模型,研究了不同预报期下半干旱半湿润流域对不同洪水预报智能模型的适用性。孙嘉辉等17将降雨径流模型(Nedbr-Afstrmnings-Model,NAM)与水动力模型耦合后对青狮潭入库洪水进行模拟验证,效果较好。赵然杭等18对降雨径流模型(NAM)的参数全局敏感性进行了分析,并指出 NAM 在国内外流 域 降 雨 径 流 模 拟 中 得 到 了 广 泛 应 用。陈 鑫等19对比分析了城市室外排水公式和排水模数公式的适用条件,为郑州市防洪规划编制提供了依据。王国安等20讨论了洪峰流量推理公式的基本原理和适用条件,指出推理公式只适用于山区丘陵区小流域的设计洪水计算。黄国如21等讨论了综合单位线、推理公式、城市水文学和室外排水公式等方案的基本原理,指出采用综合单位线法所得结果可满足城市防洪安全需求。综上所述,当前广泛应用的洪水预报方法有适用于南方地区的三水源新安江模型、普适性更强的NAM 分布式水文模型、一维和二维水动力学模型、工程规划设计有关规范推荐的推理公式法、综合单位线法、排水模数法等。上述方法应用于中小流域时,若流域内存在诸多挡水、泄水等建筑物,如小的蓄水坑塘以及用于拦蓄雨水的小型水坝等,相当于将流域分割成许多串联的小水库,则不管是采用推84华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月理公式法、综合单位线法、平原区排水公式法等理论方法,还是采用新安江、NAM 等分布式产汇流模型,都不能很好地拟合不同降雨量级下的洪水汇聚过程,从而影响洪水预报的准确性。贾鲁河数字孪生流域建设不仅要保证流域的防洪安全,还要考虑流域沿线农业和工业用水涉及重要水闸的运用方式以及防洪保护区分洪闸在汛期的启用方式,既要从宏观的角度考虑降雨、植被截留、入渗、水库和行滞洪区的调蓄,又要满足河道演进和淹没变化过程的计算效率和准确性需求。综合考虑各种模型方法的优势和适用性后,结合贾鲁河各子流域的特点,选用水文学与水动力学松耦合的建模方式:即对于山丘区,同时采用 NAM、新安江模型构建子流域洪水预报模型以方便对比;对于平原区的城市地区,采用城市排水模数法、径流系数法结合二维水动力学模型计算洪水;对于平原区的农村地区,采用 NAM、平原区排水模数结合二维水动力学模型计算洪水,并利用流域水文站点与气象站点的实测数据和遥感数据,基于高精度流域数字地形模型和局部 建 筑 信 息 模 型(Building Information Model,BIM)构建贾鲁河流域洪水预报模型,为贾鲁河流域防洪决策和在建贾鲁河综合治理工程施工度汛提供支撑。1流域概况及数字建设现状1.1流域概况贾鲁河发源于郑州市新密市圣水峪村,是沙颍河的主要支流,也是河南省中部地区的一条骨干排水河道,流域面积 6 137 km2,全长 264 km。流域涉及郑州、开封、许昌、周口 4 个省辖市,17 个县(区),总人口约 1 580 万人,耕地面积约 3 467 km2。流域内有郑州国家中心城市和京广铁路、京广高铁、郑杭高铁、京港澳高速等重要交通设施,也是国家粮食核心区之一。贾鲁河流域示意图如图 1 所示。双洎河是贾鲁河的最大支流,发源于新密市赵庙沟,流经新密市、新郑市、长葛市、尉氏县、鄢陵县、扶沟县,流域面积 1 785 km2,全长 182.3 km。贾鲁河干流河道淤积严重,整体排涝能力不足 3 年一遇除涝流量的30%;无堤段较多,中小洪水大范围漫滩行洪;上游郑州段以 50 100 年防洪标准治理,下游整体防洪标准不足 20 年一遇。图 1贾鲁河流域示意图1.2综合治理工程概况正在实施的灾后贾鲁河综合治理工程目的是解决贾鲁河流域河道防洪标准低、河道泄洪排涝能力不足、支流倒灌等问题和排除工程隐患。主要建设内容包括:新建贾鲁河干流堤防 91.31 km,加固堤防 199.72 km;疏浚河槽 147.44 km;修建拦河闸 4座、排水闸 121 座、引水闸 14 座、分洪堰 1 座;修建桥梁 25 座,防汛道路 295.07 km。新建支流双洎河堤防 12.00 km,加固堤防 73.62 km,疏浚河槽 8.32 km,修建桥梁 22 座,修建拦河闸 2 座,穿堤涵闸(过路)10 座,排水闸(涵)50 座,引水闸 1 座,防汛道路133.21 km。实施贾鲁河综合治理工程使后曹闸以上经联合提标措施后防洪标准达到 100 年一遇、县城段防洪标准达 50 年一遇、沿线村镇防洪标准达20 年一遇、全线除涝标准达 3 年一遇,配合郑州市排涝、分洪设施的建设,可保证郑州国家中心城市和流域沿线城市的防洪安全。1.3流域数字化建设现状1.3.1雨水情监测及防洪现状贾鲁河流域现有已建雨量监测站 132 处,水文94第 44 卷第 4 期高英,等:数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用站 19 处(水库水文站 9 处,河道水文站 10 处),河道水位站 6 处,流域内水库、重要闸站、关键节点已建视频监控点 72 个,已建成与水利部淮河水利委员会、河南省互联互通的通信网络。目前,贾鲁河流域的数据资源中尚无针对全流域的防洪业务系统,不能对汛期洪水风险进行预报调度和综合研判。1.3.2流域数字模型建设现状目前依托数字孪生贾鲁河流域建设项目,通过共享河南省“水利一张图”的基础地理信息数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据以及无人机倾斜摄影获取的高精度实景模型数据和流域内河道、堤防、拦河闸等重点工程建筑物建立的 BIM 数据已搭建了贾鲁河数字孪生流域 L1L3 级以及局部 L4 级数字模型,能支撑精准洪水预报模型构建和模拟预演对数字化场景的需要,如图 2 所示。图 2L1L4 级流域数字模型2贾鲁河流域洪水预报模型构建贾鲁河数字孪生流域建设范围包含贾鲁河干流(尖岗水库至入沙颍河口)、双洎河干流(李湾水库至入贾鲁河口)、索须河等 41 条一级支流、重要二级支流、重要中型水库和小型水库等。贾鲁河流域洪水预报模型范围及概化图如图 3 所示。图 3贾鲁河流域洪水预报模型范围及概化图05华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月2.1原理与方法针对不同子流域的特点,采用不同的洪水预报方法和模型。具体方法和模型原理如下。2.1.1径流系数法径流系数是描述降雨和径流关系的重要参数,综合反映流域内自然地理要素对降水-径流关系的影响,在流域或区域雨水径流总量、径流峰流量、流量过程线等规划设计的计算中应用广泛22。本文所用的径流系数是指在同一子流域面积、同一时段内径流量与降水量的比值。受不同子流域条件及实测数据资料的影响,通常需要采用一些特殊的方法对径流资料或降雨量资料系列进行插补或延展以满足项目需求。2.1.2排水模数法排水模数是指在一定频率的设计暴雨下,每平方公里的地面所产生的径流量。其影响因素主要有设计暴雨、排涝面积的大小和形状、地面坡度、植被情况和作物组成、土壤性质、地下水埋深、排水沟网分布、河湖调蓄能力等。由于影响因素很多,难以精确分析,在实践中一般采用经验公式法和平均排除法来确定排水模数23。然而这两种方法在应用时均受所研究区域特性的约束,因此在不同地区应用时,需对其进行分析比较,选择最为合理的方法。2.1.3三水源新安江模型新安江模型是赵人俊等经过对湿润地区暴雨径流关系的长期研究提出,建立了 P-W0-R 关系,用以计算净雨过程,推导求解稳定下渗率和划分地面地下净雨24。目前,常用的是三水源新安江模型,即将水源划分为地表径流、壤中流、地下径流 3 部分,模型主要由蒸散发、产流、水源划分、汇流计算 4个模块组成,模型结构如图 4 所示24。其中:蒸散发计算采用 3 层蒸散发模式;产流计算采用蓄满产流模型,但增加流域不透水面积占全流域面积之比(IMP 参数),此参数在半湿润地区有必要采用;汇流计算分为坡面、河网汇流两个阶段,坡面汇流可采用滞后演算法或单位线法,河道汇流采用马斯京根河道汇流演算模型。图 4三水源新安江模型结构2.1.4降雨径流模型(NAM)NAM 由丹麦理工大 学水力动力 工 程 学 院 的Nielsen 和 Hansen 首次提出。NAM 属于分布式水文预报模型中的降雨径流模型,通过连续计算 4 个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程25。模型的径流形成过程和结构图分别如图 5和图 6 所示。储水层代表了流域内不同的物理单元,分别为积雪储水层、地表储水层、土壤或植物根区储水层和地下储水层。NAM 可以单独使用,也可以将模拟的径流作为旁侧入流与水动力学模型耦合使用,也允许模拟人工干预措施,如灌溉和抽取地下水等。图 5NAM 径流形成过程15第 44 卷第 4 期高英,等:数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用图 6NAM 结构图2.1.5二维水动力学模型基于高精度的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、详细的流域地类划分以及面降雨过程,通过构建高精度的水动力学模型,将降雨时空变化过程作为边界条件开展数值模拟。每一时刻下的降雨过程均根据不同地类选取不同的径流系数计算得到净雨过程,地面糙率根据地类进行细分。根据贾鲁河流域特性,在对多种产汇流模型和水动力模型耦合模拟计算和对比分析的基础上,发现采用二维水动力学模型计算洪水精度高、适用性好,而且通过三维地形数字模型的构建还考虑了坑塘调蓄、填方道路阻水等各种影响汇流的因素,与实际更为匹配。模型的上边界条件为随径流系数变化的净雨过程,如图 7 所示。二维水动力学模型计算洪水的过程和必要条件如图 8 所示。图 7水动力学模型中随径流系数变化的净降雨量分布25华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月图 8二维水动力学模型构建的必要条件和输出洪水过程2.2子流域划分贾鲁河流域跨越山丘区、山前坡地区、平原区多种特征地形,且包含了完整的郑州市区以及开封、许昌、周口等部分市区以及农村地区,下垫面情况复杂多样。为准确进行洪水预报,需要根据流域界、水库、下垫面情况对贾鲁河流域进行详细的子流域划分。具体划分原则如下:1)贾鲁河干流及双洎河干流的主要一级支流均单独划分为一个计算分区,干流上两个支流入河口之间的区域划分为一个分区。2)存在中型水库的河流,均需要以中型水库坝址为界,将分区进一步细分为水库以上和水库以下。3)以贾鲁河干流及双洎河干流上的拦河闸为界,将分区进一步细分。4)郑州市主城区范围内各主要排水河道均单独划分分区。根据以上原则,基于全流域高精度 DEM 数据,利用 GIS 空间地理分析工具对各流域进行自动细分,并根据水利工程、道路工程、地表地物实际情况对各个子流域范围进行人工检查和修正。贾鲁河流域摆渡口闸以上为主要流域范围,摆渡口闸以下除双狼沟小流域外,其他均为河道行洪通道。最终将贾鲁河流域划分为 89 个子流域分区,如图 9 所示。图 9贾鲁河流域洪水预报子流域划分35第 44 卷第 4 期高英,等:数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用2.3降雨预测和分析2.3.1降雨预测方法以贾鲁河流域现有雨量站的实测数据为基础,构建多种降雨预测和时空分析模型,并在实际应用中根据降雨情况对模型实时修正。常用方法如下:1)根据特定雨型预测未来降雨过程。将贾鲁河流域同时期历史典型降雨过程概化为雨型,以已发生的降雨过程和预报的未来一段时间的总降雨量为基础,进行同比缩放,推导出后续的降雨过程。2)以公共天气预报降雨过程为基础进行预测。以贾鲁河流域公共天气预报降雨过程和未来一段时间的总降雨量为基础,根据预报的未来各小时降雨概率修正降雨过程,从而预测后续降雨过程。根据郑州“720”暴雨重现和 2022 年河南省气象部门发布的淮北地区降雨量较往年平均降雨量偏多 24 成的预测降雨信息进行典型降雨的模拟:即结合历史降雨和本次预测来确定场次降雨总量,并拟定两种情景的雨型和降雨过程。2.3.2降雨时空分析根据贾鲁河流域现有 205 个雨量站点(含流域范围线周边)提供的实时降雨过程数据,通过泰森多边形法计算各子流域面降雨过程,确定降雨量级,并进行降雨时空分析。以贾鲁河流域 2021 年“720”暴雨为例,对 7月 1821 日雨量站点的降雨过程进行分析,得到该场降雨的降雨特征值。7 月 20 日 17:00 降雨峰值时刻雨强等值面如图 10 所示。图 10贾鲁河流域“720”暴雨峰值时刻雨强等值面图2.4模型参数和边界条件1)模型参数。对于 NAM、新安江模型等分布式产汇流模型,模型参数包括地表储水层最大含水量、土壤层最大含水量、坡面流系数、壤中流临界值、坡面流和壤中流时间常量等。各项参数首先采用初始默认值,并根据模型参数率定最终确定,各子流域均有自己的一套参数,以康沟河西黄庄以上流域为例,率定后的 NAM 参数见表 1。对于二维水动力学模型,模型参数主要为下垫面糙率和径流系数,其初始值按当前流域下垫面情况根据相关规范取值。表 1康沟河西黄庄以上流域 NAM 率定后的参数参数描述取值Umax地表储水层最大含水量20 mmLmax土壤层/根区最大含水量280 mmCQOF坡面流系数0.15CKIF壤中流时间常量250 hCK1,2坡面流时间常量9.6 hTOF坡面流临界值0.44TIF壤中流临界值0.5TG地下水补给临界值0.78CKBF基流时间常量1 400 h2)模型参数率定。对于 NAM、新安江模型分布式产汇流模型参数,通过选取具有实测洪水数据的典型子流域进行参数率定,其他地形相似子流域均采用该率定后的参数。本次对康沟河西黄庄以上流域,根据西黄庄水文站实测洪水过程对模型参数进行率定,率定后流量峰值、总径流量以及过程线的形状与实测数据吻合,如图 11 所示。对于二维水动力学模型,通过对河道重要节点处实测水位、流量进行模型参数率定,在上游给定与实测相同的流量过程边界条件下,中下游重要节点均具有与实测相同的流量和水位变化过程。图 11康沟河西黄庄以上流域子流域产汇流参数率定3)模型耦合方式及边界条件。水文模型与水动力学模型采用基本控制方程求解过程分开的松耦合方式进行,相互之间仅通过节点进行数据交换。首先,进行流域产汇流模拟,将洪水流量过程及水库泄流过程作为水动力学模型的边界条件;然后,采用水动力学模型进行河道内、防洪保留区以及河道外45华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月和溃堤的洪水演进和模拟。对于两类模型时间步长不一致问题,除尽可能使两者的时间步长接近外,还采用线性内插 法获取水 文模型 某 个 时 段 的 输 出流量。本次水文模型边界条件采用随时空分布的降雨过程。对于二维水动力学模型,贾鲁河上边界为中牟站洪水入流过程,双洎河上边界为新郑站洪水入流过程,堤里小清河、丈八沟等各支流汇入口按各自的推算流量过程作为入流边界条件;模型下边界采用周口闸水位过程。2.5洪水预报模型划分好各子流域范围并得到各子流域面降雨过程后,对不同子流域采用不同的产汇流模型,预报各子流域出口洪水过程;再将其与河道二维水动力学模型耦合,进行洪水调蓄、河道洪水演进、河道闸站调度后,即可预报贾鲁河、双洎河干流河道不同特征断面位置的流量和水位过程,如图 12 所示。图 12各子流域洪水预报结果3郑州“720”暴雨重现及典型降雨模拟基于构建的贾鲁河流域洪水预报模型,对贾鲁河综合治理工程建设现状条件下郑州“720”暴雨重现,以及对 20 年一遇和 50 年一遇两场典型降雨进行模拟。3.1条件设置和网格划分1)2022 年汛前贾鲁河现状条件。贾鲁河、双洎河主河槽已按设计完成疏浚,但尚未护砌;河道左右岸防洪堤已基本完成填筑,边坡尚未护砌,部分桥梁公路处存在缺口;各拦河闸完成闸室底板浇筑,两侧完成土方填筑但未护砌,上下游围堰已拆除,具备过洪条件,但后曹闸、彭店闸不具备控泄能力,导流明渠汛期过洪;各支流防洪闸和沿线排水涵闸尚未修建;沿线部分桥梁尚未施工,部分桥梁引道阻水,形成过流瓶颈;后曹闸下游施工营地保留。2)郑州“720”暴雨重现边界条件。中牟、新郑以上 3 日降雨 610 mm;中牟、新郑以下降雨量比主城区明显减少,7 月 18 日 18:00 至 21 日 18:00 累计降雨 304 mm,降雨量级超过 100 年一遇。图 13为贾鲁河流域“720”暴雨重现 3 日降雨量分布。图 13贾鲁河流域“720”暴雨重现 3 日降雨量分布55第 44 卷第 4 期高英,等:数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用贾鲁河采用中牟站实测洪水过程,洪峰 流量610 m3/s,相当于 510 年一遇;双洎河采用新郑站实测洪水过程,洪峰流量 1 470 m3/s,相当于 1020 年一遇。两个水文站“720”实测流量过程如图 14 所示。图 14中牟站和新郑站“720”实测流量过程 3)网格剖分。二维水动力学模型构建范围从陇海铁路起至入沙颍河口止,包括贾鲁河主河道及两侧 500 m 左右的区域,总面积约 196 km2。网格剖分尺寸一般取 10 m,但为了更加精准模拟主河道洪水演进及在关键位置的洪水变化过程,对主河槽、拦河建筑物、支流汇入口等关键位置进行网格加密,网格剖分尺寸取 5 10 m 不等,并设置控制线来保证重点区域网格剖分精度,最终各区域总网格数达到485 万。典型区域网格剖分如图 15 所示。图 15模型关键位置网格加密示意图3.2模型验证为检验网格剖分及模拟精度并实现工程防洪效益对比分析,模型在相同地形条件下(贾鲁河综合治理工程实施前),对郑州“720”暴雨洪水全过程进行了复演模拟,并将模拟结果与实测数据进行了对比。结果显示,模型能较为准确地反映河道内洪水演进、闸站调度和河道两侧无堤区淹没的全过程,并达到较高的计算精度。通过选取下游特征断面扶沟水文站位置的洪水过程进行对比,模拟洪峰流量为 332 m3/s,实测洪峰流量为 312 m3/s,洪峰流量误差在 10%以内;最高水位模拟值为 59.02 m,实测值为 59.13 m,误差在 0.20 m 以内;洪峰出现的时间模拟值为 2021 年 7 月 25 日 5:05,与实测值 2021年 7 月 25 日 7:20 相差在 3 h 以内。各区域河道、滩地及无堤段两岸淹没区域面积与根据卫星遥感影像分析和现场洪痕调查的结果也基本吻合。3.3模拟结果3.3.1郑州“720”暴雨重现模拟结果基于本次构建的流域洪水预报模型和可视化场景,对 正 在 施 工 建 设 的 综 合 治 理 工 程 进 行 郑 州“720”暴雨重现模拟,根据模拟的水位、流量、流速、淹没范围、淹没水深、淹没历时等结果与各类风65华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月险的关键控制因子结合,共分析各类风险 6 类,约129 处风险点;与 2022 年“720”暴雨期间的遥感影像对比后,淹没趋势比较一致,后曹闸施工营地处被淹,双洎河出现漫堤,摆渡口闸水位安全超高余量很小,需要以底线思维采取防范措施。郑州“720”暴雨重现模拟的特征断面洪峰流量和流量过程见图 16 和表 2,重点部位和重要建筑物模拟结果示意如图 17 和图 18 所示。图 16特征断面洪峰流量和流量过程表 2特征断面洪峰流量序号断面位置“720”洪峰流量/(m3/s)“720”降雨洪水的 70%流量/(m3/s)“720”降雨洪水的 50%流量/(m3/s)20 年一遇设计流量/(m3/s)50 年一遇设计流量/(m3/s)1陇海铁路6104273056346342水溃沟下6204343096346343堤里小清河下6744723356346344丈八沟下7435203686346345后曹闸7095103456346346北康沟下7615293776346347高集闸7575223706571 0108康沟河下8195583926571 0109摆渡口闸1 5007917101 0601 37010北关闸1 4507656951 0601 37011闫岗闸1 3721 0681 0571 0601 37012双狼沟下1 3147955981 0601 37013周口闸1 3017705941 0601 370图 17典型渠堤外坡脚积水、典型弯道桥梁阻水处模拟结果示意图75第 44 卷第 4 期高英,等:数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用图 18常庄水库、后曹闸、丈八沟与堤里小清河交汇处典型模拟结果示意图3.3.2典型降雨模拟结果根据 2022 年气象预测信息和水利厅防汛预案,预测淮北地区较往年平均降雨量偏多 2 4 成。依据此推断流域内控制站点的洪水过程,分析对应的降雨和洪水标准,确定了不同频次的两场模拟情景。情景一:按淮北地区较往年平均降雨量偏多 4成,相当于郑州“720”降雨和洪水的 70%。降雨标准:中牟、新郑以下 3 日降雨 210 mm,降雨量级约50 年一遇。洪水标准:贾鲁河洪水约 5 年一遇;双洎河洪水约 10 年一遇。情景二:淮北地区较往年平均降雨量偏多 2 成,相当于郑州“720”降雨和洪水的 50%。降雨标准:中牟、新郑以下 3 日降雨 150 mm,降雨量级约 20年一遇。洪水标准:贾鲁河洪水约 3 5 年一遇;双洎河洪水约 510 年一遇。采用同样方法对两种典型降雨情景进行了模拟,根据提取的洪水要素,包含重点断面的水位、堤防弯道处的流速、洪水积水深度和滞留时间等,判别可能发生洪水淹没风险、洪水冲刷风险、洪水倒灌风险、桥梁阻水风险、堤外积水风险等 5 类风险约 61处风险点。这表明贾鲁河综合治理工程在建期间初步发挥了一定的防洪减灾效益。4讨论将水文学与水动力学模型进行松耦合构建了贾鲁河洪水预报模型,并以郑州“720”暴雨重现和典型降雨为输入条件,将模型应用于在建贾鲁河流域综合治理工程防洪度汛的精准模拟和施工度汛方案的精准制定。1)根据地形特征将贾鲁河流域划分为 89 个子流域,分别构建了新安江模型、NAM 等分布式水文模型,动态模拟山区、平原、城市等不同地形特征子流域的降雨-产流-汇流过程,计算不同降雨条件下子流域出口的洪水过程。通过对有实测水情数据的典型子流域模型参数进行率定后,相同条件下模拟得到的流量峰值、总径流量以及洪水过程均与实测数据吻合,达到较高的模拟精度,可见实现支流汇水过程模拟的方法是可行的。2)基于二维非恒定流方程构建的贾鲁河流域二维河道水力学模型,范围覆盖贾鲁河干流以及双洎河、索须河等 24 条重要支流。利用该模型模拟了干支流洪水组合后从上游到下游的河道洪水演进过程,将提取的各河道断面流量、水位、流速过程等在搭建的精细数字模型场景中演示,与各类风险因子关键要素结合,可量化分析河道局部冲刷、堤防缺口漫溢、支流倒灌等风险的准确范围。3)基于二维非恒定流浅水方程构建的多种类型的贾鲁河流域河道外二维地表洪水演进模型,用于模拟河道外内涝积水、水库溃坝洪水和河道溃堤洪水在周边的淹没演进,分洪后洪水在保留区内的淹没演进等,可精准划分不同频次降雨对在建工程造成的风险影响范围。4)基于宽顶堰流等多种经验公式构建的各种单体水工建筑水力模型,包括拦河闸、橡胶坝、溢洪道、倒虹吸、管涵、桥涵等,可用于模拟河道上重要水工建筑物控水、阻水、泄水情况,可对各种闸站调度规则、调度方案进行深入研究。5)构建的贾鲁河流域各中型水库调度模型和85华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月水库群联合调度模型,以入库洪水为边界条件,以水库泄洪洞、溢洪道等泄水建筑物为调度对象,可以实现后曹闸以上实施联合提标措施后防洪标准达到100 年一遇。6)基于数字孪生贾鲁河项目构建的流域防洪调度模型和可视化场景,对正在施工建设的贾鲁河综合治理工程进行不同频率典型洪水的模拟后,将高精度洪水模拟结果与各类风险因子关键指标结合进行风险量化分析,用于在建水利工程编制精准度汛预案和实施精准管理的理念及相关技术,可为同类河道治理工程施工度汛的精准指导提供借鉴。5结语贾鲁河数字孪生流域建设,以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为目标,将水文学模型与水动力学模型进行松耦合的洪水预报模型建模方法,能综合考虑降雨、产流、洪水入库以及防洪保护区分洪和河道内的闸门调度、河道演进和淹没变化的过程,实现了河道、闸站、防洪保护区的联合调度和洪水全过程仿真模拟,为洪水预报、洪水预演、洪水风险分析、应急处置和避险转移等提供支持。依据模拟结果提取的洪水要素与各类风险因子关键指标进行量化分析,实现各类风险类型、风险影响范围的准确划定,并据此进行防洪度汛应急预案的精准制定,解决了在建工程在施工期复杂环境条件下的精准洪水风险分析、预警和防汛预案精准制定的难题,对于中小流域级别的在建工程依托流域洪水预报模型进行防洪度汛“四预”应用具有借鉴意义。参考文献1 李国英.建设数字孪生流域推动新阶段水利高质量发展J.水利建设与管理,2022,8(8):3-5.2 刘志雨,侯爱忠,王秀庆.基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术J.水文,2015,35(1):1-6.3 陈会峰.河南省山丘区小流域洪水预报系统研究及应用J.人民黄河,2013,35(7):20-22.