数字孪生贾鲁河流域洪水预报模型与应用.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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 f
5、or 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
6、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
7、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
8、 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-ori
9、ented 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 char
10、acteristic 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 co
11、nstruction 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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