（水工结构工程专业论文）济南市河道洪水仿真模拟研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 济南市地势南高北低，南有广袤群山承接降水，北接黄河大堤阻隔洪水去路， 小清河是洪水的唯一出路。每逢大雨，南部山区的降水形成强大径流顺山势奔腾 而下，涌入市区，极易发生洪灾。近年来，随着济南社会经济的跨越式发展，城 市规模也在迅速扩大，城市防洪问题日益突出，目前的防汛系统已不能适应济南 市快速发展的要求。在此情况下，济南市政府启动了“济南市防汛预警决策支持 系统的研发工作，提高济南市城区防汛管理的现代化水平，实现城市防汛与城 市建设及社会经济的协调一致发展。 本文研究内容“河网洪水演进是系统的重要组成部分。以丹麦水利研究所 开发的m i k e l l 软件为平台，分别建立了济南市河网水动力模型和水文模型；联 合运用h d 模型与n a m 模型，对济南市河网汇流进行了数值模拟；对建模过程中 一些关键的技术环节( 如河网概化、参数调节等) 进行研究；利用黄台桥水文站 11 年的实测时段流量、水位数据，确定描述济南市下垫面条件的各项参数。结 果表明；该模型能够有效的模拟河网洪水演进情况，精度能够达到预报要求；在 前人研究的基础上，推求出适合用于济南市的短历时市政雨型。在此基础上，模 拟了不同频率降雨强度下，研究区域内的洪水演进情况。本文对济南市河网的防 洪预警，减小洪涝损失具有重要的意义。 关键词：m i k e l l ，洪水演进，河网，市政雨型 山东大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h et e r r a i nf e a t u r e so fj i n a ni st h a tt h es o u t h e r np a r ti sh i g h e rt h a nt h e n o r t h e r n t h e r ei st h ey e l l o wr i v e rd i k ei nt h en o r t ho b s t r u c t i n gt h ef l o o dr u n n i n g f r o mt h es o u t h e r nm o u n t a i nr e g i o n i nt h i sc a s e ，x i a o q i n gr i v e ri st h eo n l yf l o o d r e l i e fc h a n n e l w h e n e v e ri ti s r a i n i n gh e a v i l y , t h ep o w e r f u l r a i n f a l l - r u n o f fo ft h e n o r t h e r nm o u n t a i nr e g i o ni sr u n n i n gd o w nf r o mt h em o u n t a i nt ot h ec i t y , a n dc a u s i n g f l o o dd i s a s t r o u se a s i l y i nr e c e n ty e a r s ，t h es o c i a le c o n o m yo f j i n a nc i t yi sd e v e l o p p i n g r a p i d l y , a n dt h ec i t ys c a l ei se x p a n d i n gf a s t e r m e a n w h i l e ，t h ep r o m l e m si nt h eu r b a n f l o o dc o n t r o lw o r k sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h ec u r r e n tf l o o dc o n t r o l s y s t e r mc a n tm e e tt h en e e d so ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fj i n a nc i t y i nt h i sc a s e ，t h e g o v e r n m e n to fj i n a ns t a r t e das t u d yo nt h ef l o o dc o n t r o ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ， a i m i n gt oi m p r o v et h em o d e r n i z e dl e v e lo ff l o o dc o n t r o la n dm a n a g e m e n t i nj i n a n t h es t u d yc o n t e n to ft h i sp a p e ri sf l o o dr o u t i n gi nr i v e rn e t w o r k s ，w h i c hi sa n i m p o r t a n ti n t e g r a lp a r t o ft h e s y s t e r m w i t ht h em i k e l 1s i m u l a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p e db yt h ed a n is hh y d r a u l i ci n s t i t u t e ( d h i ) ，t h ef i v e rn e t w o r k sh y d r o d y n a m i c m o d e lb a s e do nt h ef e a t u r e so fj i n a nc i t yi se s t a b l i s h e d a n dah y d r o l o g i cm o d e li s s e t t i n gu pu s i n gt h en a m m o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i v e rn e t w o r kf l o wi nj i n a n c i 够i sp r e s e n t e di nt e r m so fn a mm o d e la n dh dm o d e l s o m ek e yt e c h n o l o g y l i n k ( i e ：n e t w o r kg e n e r a l i z i n g ，p a r a m e t e ra d ju s t m e n t ，e t c ) i nt h ep r o c e s so fm o d e l s e t u pi ss t u d i e d a s c e r t a i n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ef i v e rn e t w o r k sm o d e lb yu s i n g t h ed a t ao fo b s e r v e dd i s c h a r g ea n dw a t e rl e v e lf r o m1 9 9 7t o2 0 0 7i nh u a n g t a i q i a o h y d r o l o g i cs t a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o d e l c a ns i m u l a t et h ef l o o dr o u t i n gi n t h en e t w o r k ，a n dt h ea c c u r a c yc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to ff o r e c a s t i n g b a s e do n p r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s ，ad e s i g n e ds h o r td u r a t i o ns t o r mp a t t e r ns u i t a b l ef o rj i n a nc i t y i se s t a b l i s h e d o nt h i sb a s e ，f l o o dr o u t i n gc a nb es i m u l a t e dw h e nt h er a i n f a l li n t e n s i t y i sd i f f e r e n ti nt h es t u d y i n ga r e a t h i sp a p e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et of l o o d - e a r l y i n g w a r i n ga n dc a nd e c r e a s et h el o s sc a u s e db yt h ef l o o di nj i n a nc i t y k e yw o r d s ：m i k e l1 ；f l o o dr o u t i n g ；r i v e m e t w o r k ；r a i n f a l lp a t t e r n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名i 定垂】丕 日 期2 堡里2 ：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名；纪五岛 导师签名 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着社会经济的快速发展，城市防洪己成为目前全世界众所关注的重大问 题。济南市地处黄河下游南岸，泰山山脉以北，数百年来经常遭受暴雨灾害的侵 袭，对人民群众生命财产造成严重损害。例如： 2 0 0 7 年7 月1 8 目1 7 时至2 2 时，济南市遭遇大暴雨袭击，平均降雨量1 3 4 m m ， 市区一小时最大降雨量达到1 5 1 r a m ，两小时最大降雨量1 6 7 5 m m 。由于降雨强度 大，南部山区暴雨形成的洪水急剧向市区各排洪河道及街道汇聚，造成市区街道 多处严重积水，给济南市城乡工农业生产和人民生命财产安全造成严重灾害，直 接经济损失达1 3 亿元。 1 9 8 7 年8 月2 6 日，济南市出现罕见的特大暴雨，小清河上游出现了特大洪 水。当时暴雨中心在市区，解放桥最大点雨量3 4 0 m m 。降雨历时1 3 小时。济南 市市区平均降雨达2 9 4 m m 。干流漫溢成灾，积水面积7 2 姘，积水总量约5 0 0 0 万 m 3 ，平均积水深1 m 左右，积水时间长达8 天。 近年来，随着济南社会经济的跨越式发展，城市规模迅速扩大，城市防洪问 题也日益突出，目前的防汛系统己不能适应济南市快速发展的要求。在这样的情 况下，济南市政府启动了“济南市防汛预警决策支持系统 的研发工作，力求实 现实时预报洪水过程( t g 位、流量、流速、水深) 及可能造成的淹没情况( 淹没 范围、淹没水深) ，为领导和专家快速决策提供科学依据，提前采取有效措施， 最大限度减少洪涝灾害的损失。进而，可大大提高济南市城区防汛管理的现代化 水平，实现城市防汛与城市建设及社会经济的协调一致发展。 本文研究内容是系统的重要组成部分。采用丹麦水利研究所开发的m i k e l l 软件，建立了济南市河网水动力模型和水文模型。对建模过程中一些关键的技术 环节( 如河网概化、概化河道调蓄水面积、集水域的划分等) 进行研究，并与降雨 径流模型相结合，实现了由输入降雨到输出洪水演进过程的转变，能够为济南市 河道的防洪预警，减小洪涝损失做出一定贡献。 山东大学硕士学位论文 1 2 一维河网洪水演进模拟研究现状 洪水灾害是最为严重的自然灾害之一。它给人类的生命财产造成了巨大的损 失。在过去几年里，我国的防洪偏重于工程措施，包括兴建大坝、水库等，耗资 多，工期长。近几年来，非工程措施受到了重视。非工程措施主要是掌握洪水运 动规律【l 】，它包括：洪水预报和警报系统、洪水风险分析、防洪区管理、防洪保 险、自适应设施和防洪斗争等。洪水预报和洪水警报系统是非常重要的防洪减灾 技术手段，包括降雨预报、洪水预报、防洪工程联合调度、洪水演进模拟和防汛 预案。其中，洪水演进模拟，是防汛预案的直接依据。对洪水演进进行数值模拟 可以充分了解洪水的演进过程，如洪峰到达时间、最大水深与流速的分布、淹没 历时、淹没范围等。据此编制洪水风险图，为防洪决策者提供科学依据，对于指 导洪泛区的安全建设、合理制定避难方案、分洪时及时准确发出洪水预警报、组 织好居民避难等具有重要意义，有利于将分洪损失减至最低限度。 由于洪水造成的巨大危害及其研究的复杂性。一个半世纪以来，洪水的研究 始终是一个非常重要的课题。无数专家、学者对其进行了大量的研究，取得了大 量成果。1 8 7 1 年，法国人s a i n t - v e n a n t 建立明渠非恒定流偏微分方程组，为洪 水研究奠定了理论基础。1 9 5 2 年1 9 5 4 年，e i s s a a c o n 、j j s t o k e r 和 b a t r o e s c h 2 】建立了俄亥俄河和密西西比河部分河段的数学模型，并进行了实 际洪水过程的模拟，首次将数值模拟理论应用于解决工程实际问题。随着计算机 技术的发展，运算速度的加快，水动力数学模型的模拟功能大大增强，可以对整 个流域、洪泛区、己建或规划中的水利工程进行系统模拟：意大利的c a l e f f i 和 v a l i a n l 3 】采用二维浅水方程对t o c e 河的洪水演进进行了模拟，欧洲溃坝研究中 心通过试验和数值计算对m a l p a s s e t 溃坝【4 】进行模拟研究，我国曹志芳5 1 、梅亚 东吲、周孝德7 1 、伍超8 1 等也对洪水演进进行了数值模拟研究。 洪水波在河道中的演进属于明渠非恒定流，河道洪水演进是非恒定流水力学 计算问题，它的基本依据是圣维南方程组。 目前，流域洪水演进模型f 9 l 主要可分为两类：水文学模型和计算水力学为 主并与水文学相结合的水动力模型 1 1 - 1 4 】。 1 水文模型是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程。经过半个多世纪 的发展，水文模型作为一种新技术，在解决水文实际问题和进行水文规律研究等 2 山东大学硕士学位论文 方面起着显著的作用【1 6 1 。国外比较有代表性的分布式水文模型有t o p m o d e l 模型 和馏模型。t o p m o d e l 是以变动产流面积为基础，基于d e m 推求地形指数，并 利用地形指数来反映下垫面的空间，为局部水文相似性提供了理论基础。模型的 参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但t o p m o d e l 并未考虑降 水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分 布式水文模型，我们称这种模型为半分布式水文模型变化对流域水文循环过程的 影响，应用空间变量地形指数来预报饱和区域降雨径流过程1 1 9 1 。 由丹麦、法国及英国的水文学者联合研制及改进的s h e 模型是一个研究整体 分布式水循环模拟的模型。这个模型以水动力学为其基础，模型中涉及到的植物 截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水运动、地下水流和融雪径流等物理 过程均由基于物质不灭和能量守恒定律的微分方程来描写。为了求解这些微分方 程式及考虑降雨和下垫面因子空间分布的影响，流域在水平方向上划分成网格。 为了考虑不同土层中的土壤水运动，土层在垂直方向上划分为若干子土层。模型 的地面水流和地下水流计算均采用二维差分格式，并用一维非饱和水流计算的差 分格式连接起来 2 0 - 2 1 】。 我国水文模型的研究起步较晚，但是发展迅速，已取得了许多重大成果。现 在比较常用的是1 9 7 3 年赵人俊教授提出的新安江模型，这是我国第一个流域水 文模型。早期的新安江模型为二水源一地表径流、地下径流，随着模型的推广运 用和对水文过程认识的不断深入，将萨克拉门托模型与水箱模型中的用线性水库 函数划分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型一地表径流、壤 中流、地下径流，弥补了新安江模型在划分水源部分的不足乜2 | 。后来国内学者又 针对干旱和半干早地区的超渗产流特性提出了陕北模型。最近十几年，我国也开 始研究分布式水文模型，并取得了一定的成绩。如任立良等在数字高程模型的基 础上，在每一个集水单元应用新安江模型进行产流计算，再利用分河段马斯京根 法进行汇流计算，从而形成数字水文模型，并在史灌河得到应用1 ；郭生练等提 出和建立了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型，该模型将流域划分为网格 单元，详细描述了网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪 等水文物理过程，在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系，该模 型在模拟一个小流域的降雨径流过程时，得到了比新安江模型更好的模拟结果 2 4 - 2 5 1 。 3 山东大学硕士学位论文 在水文模型中，一般先对圣维南方程组进行简化，然后再进行求解。通常将 圣维南方程组简化为运动波、扩散波或惯性波方程，然后再进行求解。杜格 ( c i d o o g e ) 把忽略惯性项的圣维南方程组线性化，求得了扩散方程与马斯京根 洪水演算法，并导出了马斯京根法x 值的理论公式。孔奇( c u n g e ) 对扩散方程进行 差分离散，取其二阶近似，也得到了马斯京根洪水演算法及马斯京根法x 值的理 论公式。由此可见，洪水演算相当于求解扩散波方程。常见的洪水演算方法有马 斯京根法与特征线法。水文学方法的最大优点【2 6 1 是简单地把经验和实时信息结合 进来，另外对河道地形资料要求较少。缺点是很难用于河道特征变化之后的洪水 预报。 2 水动力学模型。始于2 0 世纪6 0 年代的流体动力学数值模拟，是在计算 机问世之后，综合流体力学、计算数学以及各种生产应用技术而发展起来的一门 新兴学科。它是将已知的水动力学的基本定律用数学方程进行描述，在一定的定 解条件( 初始条件和边界条件) 下求解这些数学方程，从而达到模拟某个水动力学 的理论问题或工程实际问题。水动力学解决河道汇流的方法是应用明渠一维非恒 定流基本原理，建立圣维南方程组，通过河网概化，确定参数和边界条件，在河 道节点处确定水位连续条件和流量连续条件【2 7 1 。流体运动数值模拟国外始于6 0 年代，国内始于7 0 年代，并于7 0 年代末以后有大量研究成果间世。从总体情祝 来看，7 0 年代以河口一维潮流计算为主。进入8 0 年代后，除继续应用推广一维 计算模型外，大多已采用二维数值模拟模型，并按需要配以泥沙、温度、盐度和 污染物等物质输移模型，三维模型也已逐步展开，并取得了显著的进展。数值计 算的方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法和特征线法。在河道洪水演 算中，处理好支流汇入，确定好演算参数，是最主要的两项工作。六十年代中期， 为了解决各种各样的设计和规划问题，水动力数学模型再次得到重视。七十年代 中期，水动力数学模型趋向于系统化，功能也越来越强。八十年代以后水动力数 学模型逐渐从一维、二维模拟向三维模拟发展，并且越来越注重复杂边界条件情 况下的模拟。随之产生了一大批水动力模型方面的软件，例如m i k e l l ，m i k e 2 1 ， m i k e 3 和d e l f t 3 d 等f 2 7 。2 纠。 国内对于水动力数学模型的研究虽然晚于国外，但己经取得了一定的成就。 李致家通过对编制通用河网一维不稳定流数值计算模型软件的水力学、数学基础 的研究，给出一个一维不稳定流数值计算模型与地下水模型耦合计算的例子【3 0 1 。 4 山东大学硕士学位论文 赖锡军等利用积分方法导出了漫滩河道全断面水流的积分方程组，应用四点加权 隐式离散方程，建立了漫滩河道洪水演算的一维水动力学模型。经实例验证发现 模型计算结果较好，且模型在漫滩河道洪水演进的模拟与预测能力方面有所改善 【3 1 1 。廖振良等利用由美国地质调查局( u s g s ) 开发的明渠一维非恒定流的完整水 动力方程的计算程序f e o ( f u l l e q u a t i o n s m o d e l ，即完全方程组模型) 建立了苏州 河水动力模型【3 2 1 。张小峰等根据有限体积法思想建立了一维水动力模型，并与最 小二乘法耦合建立了实时洪水预报模型d 3 j 。 水动力模型是其它模型( 如水质模型、水环境容量模型等) 的基础和前提。水 动力学模型的建立涉及控制方程的简化、方程组的离散和求解、初边值条件的确 定、模型的率定和验证等一系列问题。河网模型中的河网不同于单一河流的特点， 而在于河网错综复杂性，由此带来方程组离散和求解上的困难，这是多年来人们 研究河网问题的一大难题。河网水动力学模型的求解归根结底是对圣维南方程组 的求解。该方程组属于一阶双曲线型拟线性偏微分方程组，常用的求解方法有特 征线法、有限差分法、有限元法、有限体积法等，大致划分如图所示( 1 - 1 ) 【3 4 】所 示，其中有限差分法运用最为广泛。 1 3 本文研究的主要内容 本文采用丹麦水力研究所开发的m i k e l l 软件，建立了济南市河网非恒定水 动力数学模型，并对济南市河网的水流运动特性进行了深入分析。主要研究内容 如下： ( 1 ) 收集整理河流水动力数学模型的相关文献，分析河网水动力数学模型 的研究成果，系统介绍国内外河网水动力模型的研究动态，为建立可用于城市防 洪与内涝分析的一维非恒定河网水动力数学模型提供依据。 ( 2 ) 在对河流水动力数学模型进行研究的基础上，对一维水动力模型的 基本理论进行系统的论述，并详细介绍水动力模型建立所涉及的一系列问题， 如控制方程组的简化、方程组的离散和求解、初边条件的确定、模型的率定和 验证等。 ( 3 ) 采用丹麦水利研究所开发的m i k e l l 软件，建立济南市一维河网水动 力模型，包括模型基本方程、模型定解条件、模型概化、模型参数确定、模 5 山东大学硕士学位论文 6 型求解方法等。 ( 4 ) 采用n h m 模型建立济南市区水文模型，进而为水动力模型提供流量 输入条件，实现降雨径流模型( n a m 模型) 与水动力模型的耦合计算，进而模拟 了暴雨作用下河网汇流的情况。 ( 5 ) 推求不同频率时段为l o m i n 的设计市政雨型，整理出不同频率时段 为3 0 m i n 的实际雨型，并利用模型计算出相应的河道洪水演进过程，归入预案 库。 ( 6 ) 对论文取得的主要成果进行总结，并指出今后开展进一步研究的方 向。 图卜1 河道非恒定流数值解法的划分 山东大学硕士学位论文 2 1 流域特- 陛 第二章研究区域概况 2 1 1 地理位置 济南市是山东省省会城市，位于山东省中部，地处东经1 1 6 0 1 1 1 1 7 0 4 4 ， 北纬3 6 0 0 2 3 7 0 3 1 ，是山东省的政治、经济、文化、科技、教育和金融中心， 重要的经济交通枢纽，四周与德州、滨州、淄博、莱芜、泰安、聊城等地市相邻。 总面积8 1 7 7 k m 2 ，市区( 包括历下、市中、槐荫、天桥、历城、长清六区) 面积3 2 5 7 k m 2 。 济南因地处古“济水 ( 故道为今黄河所占) 之南而得名，它历史悠久，是国 务院公布的历史文化名城。济南风景秀丽，泉水众多，被誉为“泉城 。 2 1 2 自然地理 济南市南依泰沂山脉，北跨黄河，地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的 交接带上，地势南高北低，自西南向东北倾斜。地形可分为三带：北部临黄带， 中部山前平原带，南部丘陵山区带。济南市区处于泰山山脉与华北平原交接的山 前倾斜平原，形成了东西长、南北窄的狭长地带。南部山区山高坡陡，岩石裸露， 山脉多呈东西向分布。中部偏北的山前平原和平原区，稍向西北倾斜，区内有零 星孤山和冲沟，沟岸直立而沟底平坦，且有砂砾等冲积物。干流位于流域北部， 以南流域面积较大，占全流域的9 0 以上，支流众多，呈典型的单侧梳齿状分布。 白云湖、芽庄湖历史上为干、支流洪水的天然滞洪区。流域内植被良好、土壤肥 沃，南部山区为石灰岩地区，岩溶发育，断层、溶洞较多，降水补给充沛，大量 地下水在市区承压排放，形成了著名的趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉 群。山前倾斜平原海拔3 0 - - - - l o o m ，以2 3 - - - 9 的坡度向北伸展。北部为黄河冲积 平原，有数处火成岩侵入成山丘，高约5 0 - - 一2 0 0 m ，小清河以南标高一般为2 3 - - - 3 0 m ，向北倾斜。小清河以北由于火成岩侵入影响及黄河冲积淤高，地面微向南 倾斜，因而形成北园一带的低洼沼泽地带。黄台以东又趋于平坦，一般海拔2 6 - - 2 9 m ，以3 坡度向北倾斜。 7 山东大学硕士学位论文 2 1 3 水文气象 济南市小清河流域地处华北中纬度地带，属暖温带半湿润大陆性季风气候 区，光热资源较丰富，多年平均气温1 2 9 。c ，全年无霜期2 0 2 天。极高气温4 1 1 ，极低气温零下2 4 5 。c 。其特点是春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高 气爽，冬季干冷期长，总之四季分明，雨热同期。 多年平均降水量6 1 7 2 毫米，总的分布趋势南部多于北部，中部大于东西两 端。南部中低山区年平均降水量为7 0 0 , - - - , 7 5 0 毫米，中部丘陵山区年平均降水量 为6 0 0 , - - , 7 0 0 毫米，北部平原区年平均降雨量为5 5 0 , - , 6 0 0 毫米。降水年内分布很 不均匀，主要集中于汛期6 9 月份，降水量约占全年的7 5 5 ，形成明显的下 汛期。年际间丰枯期交替出现。历史上年最大降水量1 1 4 5 毫米，发生于1 9 6 2 年， 而年最少降水量仅3 3 6 毫米，并具有周期变化与持续时间较长的特点，时常发生 早涝灾害，且水资源严重不足，这些都直接影响着工农业生产的发展。 2 1 4 水文地质 济南市小清河流域，基岩多出露于南部山区，北部为第四纪土层覆盖，自南 向北依次分布着震旦系、寒武系、奥陶系、石灰系、二迭系、第三系、第四系地 层。由南向北逐渐变新，地层倾向北西一北东，倾角7 - 2 0 。另外，还有燕山 期的岩浆岩及火成岩分布。 燕山运动后，泰山重新隆起，区域处于隆起西北边缘，成为平缓的单斜构造， 在穹隆构造的同时，并有火成岩侵入，出现了一些多为南北走向的断层，切割成 地垒、地堑相间的断块，构成了现在的地质地貌基础，也形成了济南市丰富的地 下泉水的特异构造条件。 小清河诸支流大多发源于南部低山丘陵区，呈单侧梳齿状分布，源短流急， 注入小清河。北部与黄河毗邻，接受黄河水侧渗补给，小清河干流地势低平，成 为整个区域的泄水区、这种水文地质上的特色表现为地下水埋深浅，水力坡度小， 高水位出现在7 - - 9 月，年变幅1 一- , 3 m ，地下水位变化基本上与大气降水相吻合， 小清河以南地区为第四系孔隙潜水和微承压水，主要含水层为砂壤土，粉砂和裂 隙粘土，渗透系数k - 1 8 9 - - 1 0 8 2 m d ，属中等透水层，地下水埋深1 0 0 - - 4 8 0 m 。 除本区降水入渗补给外，相当一部分来自南部山丘地区及山前平原的侧向补给， 8 山东大学硕士学位论文 地下水力坡度较大，在自然情况下，小清河是地下水的总排泄河道。 2 1 5 流域水系 济南小清河流经槐荫、天桥、历城、章丘四区( 市) ，出章丘进入邹平，境内 全长7 0 5 k m 2 ，流域面积2 7 9 2 k m 2 ，占济南市面积的3 4 ，是济南及沿岸地区的唯 一排洪河道。流域内有大小支流2 8 条，主要有兴济河、东、西洛河、工商河、 腊山河、南太平河等，流域面积大于l o o k m 2 的支流有兴济河、巨野河、韩仓河、 绣江河、漯河、大沙溜等六条。小清河的支流大多是山洪性河道，呈单侧梳齿状 分布于右岸，其特点是坡陡流急，过水断面上游大于下游，每逢暴雨，宣泄不及， 常造成支流下游漫溢成灾，因此在各支流的上游，修建了大小不同的拦蓄工程， 平常基本无水。 小清河济南城区段流域面积3 2 3 4 k m 2 ，主要支流为全福河，柳行头河，东西 洛河，工商河，兴济河，腊山河，匡山庄西河，南太平河，虹吸干河，北太平河 等，涉及槐荫、天桥、市中、历下、历城、章丘六区( 市) ，并与滨州地区的邹 平县接壤。济南市地下水资源丰富，素以“泉城 著称。泉水是济南市自然环境 的一大特色，市区泉群分为趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉群。1 9 5 0 , - - - , 1 9 9 0 年实测泉群涌水量平均为1 7 7 万m 3 d ，泉群通过东、南、西护城河向北汇 入大明湖，经东、西洛河流入小清河。 小清河也是济南及沿岸地区的唯一排洪河道，担负着济南市、章丘、历城等 地的泄洪任务。建国后，为治理小清河，济南市曾先后四次设立机构，进行勘测 规划，并确定了“上蓄、中滞、下排的流域治理原则。1 9 5 8 年以来，济南市 在支流的中上游修建了中型水库5 座，小型水库7 3 座，总库容1 8 4 亿m 3 ，这些 工程对消减洪峰，减轻灾害，发展灌溉、养殖等起了显著作用。1 9 9 6 年对小清 河干流进行了治理，改善提高了干流的泄洪能力。 2 2 济南市防洪特点 济南市由于特殊的地理、气候特点，在防洪方面有不同于国内外诸如北京、 上海、重庆等大中城市的特殊性。从气候特点说，济南属暖温带季风气候，夏季 降水集中，全年降水的一半以上集中在7 、8 两个月；从地理特点说，济南市南 9 山东大学硕士学位论文 高北低一面坡，而且南有广袤群山承接降水，北接黄河大堤阻隔洪水去路，洪水 的唯一出路就是小清河。所以每逢大雨，南部山区的降水形成强大径流顺山势奔 腾而下。涌入市区，极易发生洪灾。简而言之，济南市在城市防洪方面主要有以 下几个特点： 1 0 ( 1 ) 洪水陡涨陡落，洪水历时短，源短流急。发生大暴雨时，洪峰常在2 3 小时内发生，一般暴雨峰现时问也只有4 5 小时。 ( 2 ) 流域面积小( 小清河黄台桥之上流域面积3 2 1 k i n 2 ) ，汇流历时短( 预见期 短) ，为了要提前做好防洪准备，要求的预报精度相当高、难度相当大。 ( 3 ) 城市下垫面条件特殊，属于半山区性城市，不同于一般的平原城市，特别 是市区从南向北，比降大，暴雨降后洪水流速很快，也不同于纯山区城 市( 如重庆) 等。另一方面，城区硬化面积发展快，占总流域面积的比 例约三分之一。研究时，一方面要用山丘区水文预报方法，另一方面也 要用城市水文预报方法。 ( 4 ) 城区内有腊山分洪工程和小清河城区段综合整治工程。腊山分洪工程建 成后，可以减轻兴济河洪水对城区的压力，但城区段综合整治工程完成 后，将会发生防洪与兴利的矛盾。因此，需要研究兴济河洪水与玉符河 洪水、黄河洪水的遭遇问题，通过对洪水的科学调度，实现防洪与兴利 效益的最大化。 山东大学硕士学位论文 3 1 肋螂概述 第三章降雨径流模型的建立 n a g 是丹麦语“n e d b 由r - a f s t r 由m n i n g s - m o d e l ”的缩写，意为降雨径流模 型。1 9 7 3 年丹麦理工大学水力动力工程学院的n i e l s e n 和h a n s e n 首次提出此模 型，过去的2 0 多年里，n a m 模型在世界各地不同气候类型地区得以应用。除在 丹麦水利部门的众多项目中得到广泛应用外，还在格陵兰、坦桑尼亚、津巴布韦、 印度、孟加拉、泰国、印度尼西亚及菲律宾等国家和地区得到不同程度不同目的 的使用。n a m 模型是一个由一系列以简单定量关系描述的水文循环中各种陆相特 征连接起来的集总参数的概念性水文模型，它模拟的是自然流域的降雨径流过 程。模型要求的资料为降水、蒸发能力及气温( 考虑融雪径流时需要) ：模型输出 结果包括径流量、地下水位以及土壤含水量和地下水补给量【3 6 】1 3 7 1 3 8 1 捌。 n a m 模型主要基于水文循环的物理结构，同时又结合了一些经验、半经验公 式。作为一个集总式模型，n a m 各个参数及变量只是流域的平均值，模型的参数 和变量初始值可以根据流域的自然特征初定，然后利用历史水文资料进行率定。 n a m 将水循环中的土壤状态用数学语言描述成一系列简化的量的形式，分4 层蓄 水体进行流域产汇流模拟计算，4 层蓄水体分别为融雪蓄水层( s n o ws t o r a g e ) 、 地表蓄水层( s u r f a c es t o r a g e ) 、浅层蓄水层( l o w e rz o n es t o r a g e ) 、地下蓄水 层( g r o u n dw a t e rs t o r a g e ) 。模型结构见图3 - 2 3 7 1 ，它表示了陆面的水文循环过 程，以及其中不同的土壤状态和水分在4 种蓄水层中的运动途径。 3 2 模型结构 3 2 1 产流和蒸散发计算 地表蓄水层蓄水容量饿反映了流域植被截流、洼地蓄水及上层耕作、土壤 蓄水等特性。地表蓄水层主要提供蒸散发及向浅层和地下蓄水层的下渗，而当地 表蓄水层达到蓄水容量后，会有净雨量r 出现，此时部分昂会直接以地表径流 的形式汇入河流。 山东大学硕士学位论文 浅层蓄水容量三埘戗表示提供植物蒸散发所需水分的根系层土壤所能达到的 最大含水量，可由野外观测数据初定其取值范围，也可以由流域特性、参数分布 规律确定初值，然后通过多年总水量平衡试错率定。 图3 1n a m 模型模拟的水文过程 蒸散发计算采用两层模型。朋表示地表蓄水层蒸发量，当地表蓄水层蓄水 量u 大于蒸散发能力俨时，以蒸散发能力舻蒸发。当u d , 于蒸散发能力凹时， 蒸发量先从地表蓄水层扣除，不足部分再从浅层蓄水层蒸发，浅层蓄水层实际蒸 发量彪与剩余蒸散发能力及根系带相对含水量呈正比，计算公式为阳： e 2 = ( e p u ) x l k 旺 ( 3 1 ) ( 1 ) 地表径流 当u 超过地表蓄水层蓄水能力甜工时，模型将净雨量r 进行下一次水量分 配，一部分生成地表径流o o f ( o v e r l a n df l o w ) ，一部分为下渗量，假设0 0 f 与昂 成正比，并且随下层相对含水量呈线性变化( 见图3 - 2 ) 。0 0 f 可用下面公式表示： 够：j ，c 够等 别。研 仔2 ) 【0 l k t o f 式中c o o f 是地表径流系数( o c q o f i ) ，l 是浅层蓄水层蓄水深度：三埘默是浅 层蓄水层蓄水容量：t o f 是地表径流阈值( 0 t o f g 阢肋 式中g 是地下蓄水层产流的最大水深，其物理意义表示河水位至流域 平均地表面的距离：为地下蓄水层出水系数。 ( 4 ) 壤中流和地表径流演算 壤中流通过与同一个时间常量c k l ，联系的两个线性水库进行演算。地表径 流也是基于线性水库的概念进行演算，但是其时间参量是变化的。 c k ：j 喁2卯 睁( 3 - 6 ) 【0o f d 方程( 3 - 6 ) 实际上确保真实的地表漫流是动态的，而地下水流在n a i v i 模型中 当作地表径流( 在集水域中没有真实的地表漫流) 通过线性水库进行演算。壤中流 和地表径流的演算1 4 f 日- 常数c k l ：，决定了集水域水文过程线的峰值形状。c k i ： 的取值决定了集水域的形状和集水域对降雨的响应速度，其典型值为2 一- - 5 0 小时 时间常数。c k ，可以通过集水域的洪峰流量进行率定。如果模拟的峰值流量太 低或来得较晚，可以通过降低取值进行修正，反之亦然。 ( 5 ) 地下水入渗补给量 净雨r 扣除地表径流后由下渗模型再进行一次水量分配，一部分进入地下 1 4 山东大学硕士学位论文 蓄水层，另一部分进入浅层蓄水层。进入地下蓄水层的水量为： g ：( 昂一q o f ) 哗萨u 别。弼 ( 3 - 7 ) 【0三k 弼 式中t g 是地下水补给阈值( o t 6 ( 1 ) 。 当净雨完成地表径流和地表蓄水层补给的分配后，剩余部分将补给浅层蓄水 层，即进入浅层蓄水层的下渗量为： d l = r q o f g ( 3 8 ) 3 2 2 汇流计算 地表径流和壤中流的出流均可用单一的线性水库来模拟，其出流时间分别为 c k l 和c k 2 。三种径流成分( 地表径流、壤中流及基流) 计算完成后，分别进行线 性水库汇流计算，叠加至流域出口断面，即为计算总径流量。 m i k e l ln a g 模型中壤中流和地表径流的汇流模型分别采用两个串连的线性 水库和单一线性水库，其中壤中流在两个线性水库中的汇流时间常数采用相同 值。从地下蓄水层中产生的基流也可以看成是一个线性水库的出流，汇流时间常 数为c k b f 。 线性水库汇流计算公式如下，对于入流为离散型的单一线性水库模型，欲分 析其汇流特征，须首先建立差分方程。当用单一线性水库来模拟流域入流、出流 过程时，其数学描述为： 卜q ，= 鲁，w ，= k q ， ( 3 _ 9 ) 式中厶、q t 为流域( 线性水库) 的入流和出流过程：俐为流域( 线性水库) 的 蓄水过程：k 是流域( 线性水库) 蓄水量常数。 3 3 模型参数及参数调节 3 3 1 模型参数 m i k e l ln a m 模型的主要参数及其物理意义如下： u m 蕊( m m ) ：地表蓄水层蓄水容量。饿反映了流域植被截流、洼地蓄水及上层 耕作土壤蓄水等特性。此模型最大的特点是只有地表蓄水层蓄水量达到蓄水容 量，即沙甜，净雨量冗才能产生。因此可用枯水期出现地面径流前的净降雨 山东大学硕士学位论文 量来初步估计甜。 三，戤( f i l m ) ：浅层蓄水层土壤蓄水容量。表示提供植物蒸散发所需水分的根系 层土壤所能达到的最大含水量。理论上三脚戤可由田间持水量和凋萎含水量之差乘 以根系层深度求得。所戤只是整个流域上不同土壤类型、不同植被的根系层深度 的平均值。因此研西不能从田间直接观测得到，但是可以通过测量确定它的取值 范围。 n a m 模型型中蒸发量很大程度上取决于地表蓄水层和浅层蓄水层的蓄水量， 因此u m 。x 和三卅甜是模拟计算过程中调节水量平衡的主要参数。在模型计算的初 始阶段为了便于调节参数，假设u m 。x 和埘戢成一定比例，一般取u m a x = 0 1 三聊搿。 c q o f ：地表径流系数。c q o f 是一个无因次参数，也是个十分重要的参数。它 决定了水量的初步分配，表征地表径流和下渗量的分配比例。对一个集总模型， g o o f 一定程度上反映了水分下渗和补给的条件。一般而言，对于大颗粒沙质土壤、 坡降平坦的流域及不饱和层较厚的流域，c o o f 值较小；而渗透能力较差、覆盖层 较厚、粘性土层流域，c q o f 值要大一些。 c k i f ：壤中流出流时间。它同u 一一起决定了地表蓄水量u 中壤中流的数量。 产生壤中流的物理机制很复杂，而且各个流域不尽相同。但对于该模型，由于 c k i f 比较大，壤中流在3 种径流成分中所占比例很小，因此对总径流而言，参数 c 跚不是很重要，其物理意义有别于传统水文学中“壤中流的概念。 c k b f ：基流出流时间。它的大小决定了干早期流量过程线的形状。根据线性 水库的定义，在干早期，流量呈指数式衰减，c k b f 的大小可以通过分析退水过程 来估算。 c k l ，：地表径流和壤中流汇流时间常数。其值取决于流域大小和降雨径流响 应的快慢，可通过洪峰过程的拟合情况进行调整，一般汇流时间愈小，洪水峰尖 瘦。虽然c k l 和c k 2 相互独立，但为了简化计算，在m i k e l ln a m 模型中令 c k l = c k 2 。 r o f , 嘲7 6 ：分别表示地表径流、壤中流、地下径流计算中的阈值，均为小 于1 的正数。即当浅层蓄水层相对土湿分别大于t o f , m r 彤时，才生成相应 的地表径流、壤中流、地下径流。一般说来，阈值的大小反映了流域的空间变异 程度。同样是均质流域，小流域要比大流域的阈值大，对于干湿季节交替的流域 1 6 山东大学硕士学位论文 而言，这些阂值值又反映了在浅层土壤蓄满时各种径流产生的时间，利用此点可 初步估计阈值的大小。多数情况下，形并不重要。地表径流阈值t o f 一般只在 枯水期起作用，其值可从一次大的降雨过程出现时，流量无明显反应的过程中试 错率定。这类参数的重要性在不同的流域上各不相同，通常在半干旱流域作用比 较大，而在l = k 时的湿润季节，阈值将失去意义。 s t 地下蓄水层出水系数。其值取决于土壤类型，可由野外观测值和试错法 确定。 g 加w ：一日系数( 融雪径流系数 m m o c d a y 。度一日系数是决定积雪的融化速 度的参数。 3 3 2 参数调节 在参数率定开始前需先设置模型的初始状态，m i k e l ln a m 模型中的初始状 态主要包括地表、浅层和地下蓄水层的初始蓄水量，以及三种径流成分( 地表径 流、壤中流、基流) 的初始径流量。如果模拟计算是从旱季开始的，那么除了初 始浅层蓄水量和基流外都可以设为零，初始浅层蓄水量一般可取1 0 - 3 0 的蓄水 能力，而基流则可取实测流量。设置完这些值后可以进行模拟计算，然后根据计 算结果和实测资料的差别重新调整初始值。 由于n a m 模型中的参数和变量只是整个流域上的平均值，而且有些参数是经 验性或者概念性的，因此一般情况下只能根据流域的地形、气候