基于MIKE FLOOD模型的中順大圍洪水風(fēng)險(xiǎn)研究

朱婷　王鑫

摘要：采用MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動(dòng)態(tài)耦合MIKE FLOOD水動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建中順大圍洪水風(fēng)險(xiǎn)圖計(jì)算模型，分析計(jì)算各種不同來(lái)水條件下，典型潰口發(fā)生潰堤后的洪水傳播過(guò)程，分析淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等主要特征參數(shù)，為中山市、順德區(qū)中順大圍保護(hù)區(qū)內(nèi)防洪決策、避洪轉(zhuǎn)移等提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：中順大圍；洪水風(fēng)險(xiǎn)；模型

中圖分類號(hào)：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）07-0071-04

1 中順大圍概況

1.1 地形地貌與河流水系

中順大圍位于珠江三角洲下游，地跨中山市西北部和佛山市順德區(qū)，是廣東省五大聯(lián)圍之一，圍內(nèi)集水面積779km²。圍內(nèi)地形北窄南寬，東西兩側(cè)水道環(huán)繞，南部依靠五桂山脈。中順大圍地質(zhì)構(gòu)造體系屬于華南褶皺束的粵中凹陷。圍內(nèi)北部為沖積平原，地勢(shì)平坦，地面高程在0.2～2.7m之間，河網(wǎng)密布；南部則以低山、丘陵和臺(tái)地為主，最高山峰為五桂山531m。

中順大圍上游西江干流在天河附近分為東海水道和主流西海水道，分別流向大圍東側(cè)和西側(cè)。圍內(nèi)北部平原水道縱橫，網(wǎng)河密布，主要河涌有二十余條，鳧洲水道、橫琴海和拱北河自北向南縱貫大圍北部平原區(qū)，上接鳧洲河水閘，下通拱北水閘，是北部平原內(nèi)洪的主要排洪水道，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，橫琴海下游、拱北河上游的橫欄鎮(zhèn)內(nèi)部分河段被人為封堵，致使北部平原區(qū)洪水改道經(jīng)北部排水渠、東部排水渠、瀝心涌、淺水湖和中部排水渠、獅浯河、西部排水渠等河涌向南排入石岐河。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)

中順大圍捍衛(wèi)順德區(qū)均安鎮(zhèn)，中山市小欖、東升、港口、古鎮(zhèn)、橫欄、大涌、沙溪、板芙、神灣鎮(zhèn)，以及石岐區(qū)、南區(qū)、東區(qū)、西區(qū)、火炬開發(fā)區(qū)共15個(gè)鎮(zhèn)區(qū)，是珠江三角洲的富裕地區(qū)。中順大圍也是中山市的政治、文化和經(jīng)濟(jì)中心。圍內(nèi)農(nóng)業(yè)以稻谷、蠶桑、塘魚、甘蔗為主；工業(yè)種類頗多，有機(jī)械制造、紡織、化工、建材等20多個(gè)行業(yè)。

中順大圍2012年常住人口186萬(wàn)人，圍內(nèi)生產(chǎn)總值1669.5億元，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值29.4億元，第二產(chǎn)業(yè)增加值858.7億元，第三產(chǎn)業(yè)增加值679億元，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為1.76：51.44：40.67。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建思路及建模范圍

中順大圍防洪保護(hù)區(qū)洪水分析模型選用MIKE模型系列，采用MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動(dòng)態(tài)耦合FLOOD水動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行防洪保護(hù)區(qū)洪水分析，其中MIKE11主要應(yīng)用于模擬防洪保護(hù)區(qū)圍外珠江三角洲河網(wǎng)的洪、潮水傳播，MIKE21主要用于模擬防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)潰堤洪水和暴雨內(nèi)澇洪水的傳播，采用MIKE11的dambreak模塊模擬堤防潰決過(guò)程及潰堤水位流量過(guò)程。

一維模型的計(jì)算范圍包括上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、東江控制站博羅站，下游虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞鳴門、虎跳門和崖門八大口門。二維模型的計(jì)算為中順大圍范圍。

2.2 模型架構(gòu)

2.2.1 單一河道

單一河道采用一維明渠非恒定流Saint-Venant方程來(lái)解，包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

式中，x，t表示空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；Q、h為斷面流量和水位；A、bs、R分別為斷面過(guò)水面積、斷面寬度和水力半徑；g為重力加速度；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)人流量；C為謝才系數(shù)；α為垂向速度分布系數(shù)。

MIKE11采用六點(diǎn)中心隱式差分格式（Abbott Scheme）求解Saint-Venant方程組，數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的“追趕法”，即“雙掃”算法。

2.2.2 河網(wǎng)求解

河網(wǎng)是通過(guò)汊點(diǎn)連接起來(lái)的，按照分級(jí)解法的思想，只要解出汊點(diǎn)上的未知量即可求解整個(gè)河網(wǎng)，用有限差分法近似表示汊點(diǎn)的連續(xù)方程為：

H為實(shí)際汊點(diǎn)的水位；H_A，us為支流A的末端水位；H_B，us為支流B的末端水位；H_C，us為支流c的末端水位。

與式（2-4）類似，則N個(gè)方程含有N個(gè)未知數(shù)（N是汊點(diǎn)數(shù)）。方程中每個(gè)汊點(diǎn)的水位變成了直接相鄰汊點(diǎn)水位的線性函數(shù)。同樣可以用標(biāo)準(zhǔn)的高斯消元法對(duì)汊點(diǎn)矩陣求解，解出汊點(diǎn)上n+1時(shí)刻的水位，然后解出各河段各斷面上的水位和流量。

2.2.3 二維洪泛區(qū)計(jì)算

平面二維水流基本方程包括水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程：

其中，h為水深；u和v是x和y方向的流速，M=uh，N=vh；zb為河床高程，n為Manning糙率系數(shù)；r₁為紊動(dòng)粘性系數(shù)。方程離散時(shí)空間采用有限體積法，運(yùn)用守恒格式對(duì)水流連續(xù)方程進(jìn)行離散，保證計(jì)算域內(nèi)水量守恒，時(shí)間采用蛙跳法，計(jì)算物理量使用交錯(cuò)網(wǎng)格。方程離散后形式為：

水流連續(xù)連續(xù)方程為：

水流方程在x和y方向進(jìn)行離散后，結(jié)合初邊界條件即可進(jìn)行計(jì)算。

2.2.4 潰壩模塊

MIKE11 DB潰壩模塊包括采用能量方程求解模塊和美國(guó)國(guó)家氣象局的潰壩洪水預(yù)報(bào)模型DAMBRK模型。該模型由兩部分組成：①堤防潰口形態(tài)描述。用于確定堤防潰口形態(tài)隨時(shí)間的變化，包括潰口底寬、潰口頂寬、潰口邊坡及潰決歷時(shí)；②堤防潰口流量的計(jì)算。

2.2.4.1 潰口形態(tài)的描述

目前對(duì)于實(shí)際的潰壩機(jī)理還不是很清楚，因此潰口形態(tài)主要通過(guò)近似假設(shè)來(lái)確定?？紤]到模型的直觀性、通用性和適應(yīng)性，一般假定潰口發(fā)生時(shí)由一個(gè)特定形狀的初始狀態(tài)開始，在潰決歷時(shí)內(nèi)，按線性比率擴(kuò)大，直至形成最終底寬。若潰決歷時(shí)小于10分鐘，則潰口底部不是從一點(diǎn)開始，而是由沖蝕直接形成最終底寬。潰口形態(tài)描述主要由四個(gè)參數(shù)確定：潰決歷時(shí)（τ），潰口最終底部高程（h_b），潰口邊坡（S），潰口底寬（b）。由潰決歷時(shí)可以確定堤防潰決是瞬時(shí)潰還是漸潰；由后面三個(gè)參數(shù)來(lái)確定潰口斷面形態(tài)的形狀及是局部潰還是全潰等。

2.2.4.2 潰口下泄流量計(jì)算

堤防潰口形狀如圖2所示，壩體潰口下泄流量由堰流公式計(jì)算：

其中：b：潰口底寬（三角形潰口底寬b=0）；g：重力加速度；h：堤前河道水位；h_b：潰口底部高程；s：潰口邊坡系數(shù)；c_weir：水平部分堰流系數(shù)，一般取0.546430；c_slope：斜坡部分堰流系數(shù)，一般取0.431856；c_v：行進(jìn)流速修正系數(shù)，；b_d為潰口河道水面寬度，h_bm為最終潰口底高程；k_s：淹沒(méi)損失修正系數(shù)。

式中，h_ds為尾水位（壩下游水位）。

2.3 模型網(wǎng)格剖分

采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對(duì)中順大圍防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行剖分，網(wǎng)格劃分按照網(wǎng)格最大面積不大于0.1km²設(shè)定，中山市城區(qū)將網(wǎng)格適當(dāng)加密，按不大于0.05km²設(shè)定。內(nèi)堤、高山邊界、內(nèi)河湖邊界、離地較高線狀物沿線兩側(cè)網(wǎng)格適當(dāng)加密，對(duì)高山區(qū)域內(nèi)部網(wǎng)格可適當(dāng)加大。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)明顯影響洪水演進(jìn)的構(gòu)筑物，如公路、鐵路、河渠等線狀地物，采用局部地形調(diào)整法進(jìn)行概化，對(duì)于橋梁、村鎮(zhèn)等點(diǎn)狀或面狀構(gòu)筑物，靈活采用局部地形調(diào)整法和局部糙率調(diào)整法進(jìn)行概化。

鳧洲河和石歧河為區(qū)域內(nèi)最大的兩條河，其余還有20余條河涌對(duì)行洪排澇均有較大影響。綜合考慮河道概化和計(jì)算效率，鳧洲河和石歧河通過(guò)對(duì)河道地形采用加密網(wǎng)格進(jìn)行剖分，其余較大的河涌則按照河道中心線走向剖分網(wǎng)格，并對(duì)河道中心線所在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程進(jìn)行局部調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，中順大圍沒(méi)有鐵路，城際軌道采用高架橋形式貫穿，主要道路基本與地面齊平或不超過(guò)地面高程0.5m，因此網(wǎng)格剖分不進(jìn)行特殊處理，僅考慮在該區(qū)域適當(dāng)增加糙率系數(shù)。

中順大圍面積779km²，本次非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)共計(jì)41729個(gè)，平均每個(gè)三角形網(wǎng)格的面積不到0.02km²。

2.4 模型參數(shù)選取和率定

2.4.1 一維水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)選取與率定

（1）率定水文條件?？紤]地形及水文資料的實(shí)際條件，選取“08.6”洪水對(duì)珠江三角洲一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定。“08.6”洪水：2008年6月西江中、上游發(fā)生約5年一遇的洪水，中、下游梧州、高要水文站發(fā)生超10年一遇的大洪水，馬口站發(fā)生超20年一遇的大洪水。

（2）率定站點(diǎn)。珠江三角洲主要水文站點(diǎn)僅有馬口、三水兩站，另外有珠江三角洲主要漢口以及中順大圍附近的水位站22個(gè)，率定驗(yàn)證以水位為主。

（3）率定結(jié)果。圖3為“08.6”洪水條件下部分站點(diǎn)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，模型能夠較好地模擬三角洲復(fù)雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動(dòng)力分布特性。各站水位及流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，能基本滿足模型驗(yàn)證要求，表明模型能正確反映網(wǎng)河水位及流量的空間分布特性。同時(shí)在計(jì)算的長(zhǎng)歷時(shí)過(guò)程中潮位及流量相位關(guān)系計(jì)算與實(shí)測(cè)同步性也很好，再現(xiàn)了網(wǎng)河各站水位流量時(shí)間上的變化特征。

2.4.2 二維水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)選取與率定

珠江三角洲近年來(lái)較少發(fā)生潰堤事件，較為嚴(yán)重的一次為樵桑聯(lián)圍于1998年6月29日發(fā)生的荷村水閘潰堤，決口總長(zhǎng)93m，最大落差7m，最大流速4.5m/s，最大流量1700m³/s。決堤淹沒(méi)面積12.47萬(wàn)畝，受災(zāi)人口11.94萬(wàn)人。中順大圍未發(fā)生較嚴(yán)重的潰堤事件。根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》和《水力計(jì)算手冊(cè)》，參考樵桑聯(lián)圍洪水分析的糙率參數(shù)取值，按下墊面情況選取糙率參數(shù)。

2.5 模型驗(yàn)證

2.5.1 驗(yàn)證的水文條件

考慮地形及水文資料的實(shí)際條件，選取“05.6”洪水對(duì)珠江三角洲一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

“05.6”洪水：2005年6月17日至25日，西江中下游發(fā)生了超100年一遇特大洪水，北江出現(xiàn)約10年一遇的洪水，東江發(fā)生近20年來(lái)最大的一次洪水，西、北江洪水進(jìn)人珠江三角洲、恰逢19年來(lái)最大天文大潮，珠江三角洲也發(fā)生了特大洪水。

2.5.2 驗(yàn)證結(jié)果

圖4為“05.6”洪水水文條件下部分站點(diǎn)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)模型能夠良好地模擬三角洲復(fù)雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動(dòng)力分布特性。各站水位及流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，能基本滿足模型驗(yàn)證要求，表明模型能正確反映網(wǎng)河水位及流量的空間分布特性。同時(shí)在計(jì)算的長(zhǎng)歷時(shí)過(guò)程中潮位及流量相位關(guān)系計(jì)算與實(shí)測(cè)同步性也很好，再現(xiàn)了網(wǎng)河各站水位流量時(shí)間上的變化特征。

3 典型潰口計(jì)算成果

利用以上模型搭建中順大圍洪水風(fēng)險(xiǎn)圖計(jì)算模，計(jì)算七浯典型潰口在西北江50年一遇洪水工況下受災(zāi)情況，方案以外洪為主，思賢？（馬口+三水）50年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇多年平均高潮位及2年一遇最大24小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，七？險(xiǎn)段出現(xiàn)潰口的工況，見圖5。

此時(shí)，圍內(nèi)石岐河以北大部分區(qū)域受淹，其中淹沒(méi)水深達(dá)3m以上的面積有36km2，主要位于潰口附近的均安鎮(zhèn)南浦村、沙浦村和太平村；淹沒(méi)水深達(dá)2-3m的面積有62km²，主要位于均安鎮(zhèn)的星槎村、南浦村南部及太平村西北部；淹沒(méi)水深達(dá)1～2m的面積有185km²，主要位于中山市均安鎮(zhèn)南部，古鎮(zhèn)中部、橫欄鎮(zhèn)、西區(qū)街道、港口鎮(zhèn)，東升鎮(zhèn)東部、板芙鎮(zhèn)和西區(qū)；淹沒(méi)水深達(dá)0.5-1m的面積有93km²，主要位于中山市古鎮(zhèn)南部、小欖鎮(zhèn)、東升鎮(zhèn)西北部；淹沒(méi)水深小于0.5m的面積有102.4km²，主要位于中山市石岐河以北高地及石岐河以南區(qū)域。

洪水由七？潰口入侵中順大圍，洪水前鋒到達(dá)時(shí)間受圍內(nèi)區(qū)域與潰口的距離和圍內(nèi)地勢(shì)影響，其中潰口后3h內(nèi)洪水到達(dá)潰口附近的均安鎮(zhèn)北部及鳧洲河兩側(cè)低洼地帶，洪水前鋒到達(dá)的區(qū)域面積為22km²；6h時(shí)洪水到達(dá)均安鎮(zhèn)鳧洲河右岸陸地，增加淹沒(méi)區(qū)域24km²；24h內(nèi)到達(dá)的地區(qū)包括小欖鎮(zhèn)、古鎮(zhèn)鎮(zhèn)、東升鎮(zhèn)、橫欄鎮(zhèn)及沙溪鎮(zhèn)北部區(qū)域，增加淹沒(méi)區(qū)域170km²；48h時(shí)蔓延至港口鎮(zhèn)、板芙鎮(zhèn)，增加淹沒(méi)區(qū)域181km²；圍內(nèi)其他區(qū)域洪水前鋒到達(dá)時(shí)間超過(guò)48h，其面積為382km²。

最大洪水流速隨著與潰口的距離的增大而減小，潰口附近均安鎮(zhèn)局部區(qū)域最大洪水流速高于1m/s，面積為6km²；均安鎮(zhèn)北部低洼區(qū)域0.5-1m/s，面積為29km²；均安鎮(zhèn)東南部區(qū)域最大洪水流速為0.3-0.5m/s，面積為50km²；中順大圍中部古鎮(zhèn)、小欖、橫欄、東升、港口、西區(qū)街道區(qū)域最大洪水流速為0.1-0.3m/s，面積為239km²；其他區(qū)域最大流速小于0.1 m/s，面積為454km²。

4 結(jié)論

利用MIKE FLOOD模型，構(gòu)建中順大圍洪水風(fēng)險(xiǎn)圖計(jì)算模型，分析計(jì)算各種不同來(lái)水條件下，各典型潰口發(fā)生潰堤后的洪水傳播過(guò)程，編制中順大圍防護(hù)保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，分析淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等主要特征參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在土地管理、防汛指揮、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移、增強(qiáng)全民水患意識(shí)和洪水影響評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的應(yīng)用，為中山市、順德區(qū)中順大圍保護(hù)區(qū)內(nèi)防洪決策、避洪轉(zhuǎn)移等提供技術(shù)支持。