基于MIKE FLOOD的城區(qū)潰壩洪水模擬研究

王 欣， 王瑋琦， 黃國如, 2

(1. 華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

基于MIKE FLOOD的城區(qū)潰壩洪水模擬研究

王 欣1， 王瑋琦1， 黃國如1, 2

(1. 華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

大壩安全不僅影響工程效益，還影響人民的生命和財產安全，潰壩洪水模擬可以對水庫大壩的失事影響做出評估，對制定應急預案和防洪減災具有重要意義。以深圳市龍華新區(qū)民治水庫及下游片區(qū)為研究對象，基于MIKE FLOOD將MIKE11模型和MIKE21模型進行動態(tài)耦合，對潰壩洪水在下游的演進過程進行仿真模擬。模型采用瞬間潰(瞬間部分潰和瞬間全潰)以及逐漸潰兩種潰決方式，分別模擬4種工況下的潰口流量過程線以及下游洪水演進過程。結果表明：瞬間潰的洪峰流量較大，出現在潰壩開始時刻，而逐漸潰的洪峰流量相對較小，出現在滲透破壞變形發(fā)展至上部壩體坍塌時刻，之后均隨庫區(qū)水位逐漸降低，下泄流量變小，直至庫區(qū)水體排空。潰壩洪水對上游地區(qū)橫嶺村附近破壞較大，淹沒水深較深。民治河中游段居民和商業(yè)區(qū)附近洪水流速接近5 m/s，對建筑物有一定破壞力，左側向南村地勢較低，淹沒情況最為嚴重，并且在洪水消退后仍有3 m左右積水。民治河下游地區(qū)在洪水消退后也有少量積水。

潰壩洪水； MIKE FLOOD； 數值模擬； 淹沒水深； 淹沒范圍

水庫大壩是人類歷史上重要的水工建筑物，在興利和調蓄洪水等方面發(fā)揮著不可替代的作用，同時對區(qū)域內國民經濟發(fā)展也承擔著重要角色[1]。大壩一旦發(fā)生潰決，將會給城市帶來災難性破壞，造成不可估量的損失[2-3]。近些年隨著計算機和數值計算方法的迅速發(fā)展，潰壩洪水演進在復雜計算域和地形條件下的高性能數值模擬研究成為國內外學術界和工程界關注的前沿研究領域之一[4]。如何使用計算機仿真技術科學準確地預測、模擬和顯示洪水淹沒范圍，對于防洪救災和損失評估具有十分重要的意義。不少學者在這方面進行了深入研究并取得了一定成果[5-9]。一維模型對潰壩洪水演進進行模擬研究時，雖計算效率高、適應性好，但在模擬洪水漫過河堤進入洪泛區(qū)演進時具有很大難度。二維模型則在處理復雜水流在無固定路徑的地表演進時，能夠描述洪水淹沒的時間、范圍、流速、水深分布等信息，且具有良好精度；但在模擬洪水在河道內演進時，計算效率及適應性遠不如一維模型且需要詳盡的河道地形資料。鑒于此，本文以深圳市龍華新區(qū)上游民治水庫為研究對象，利用MIKE FLOOD將一、二維模型進行動態(tài)耦合，發(fā)揮一、二維模型模擬洪水在河道中及地表演進時各自的優(yōu)勢，同時回避其計算效率、網格精度及適用性等問題，更為合理真實地模擬上游民治水庫大壩潰決后潰壩洪水的演進過程。

1 模型原理

MIKE FLOOD是一個耦合的水力模型，能夠完整模擬一維地下排水管網系統(tǒng)水流過程和二維地表漫流過程。MIKE FLOOD集成了MIKE Urban CS，MIKE11及MIKE21三個獨立的軟件模塊。根據不同的應用情境可將其中的MIKE Urban CS或者MIKE11與MIKE21進行動態(tài)耦合，耦合后的MIKE FLOOD具有以下優(yōu)點：能夠在暴雨洪水過程中，模擬一維河道洪水超出河堤后，從決堤口向淹沒區(qū)域的二維洪水演進過程；能夠模擬一維河網與二維模擬區(qū)域連接處的動量傳輸；能夠與外部軟件如ArcGIS等進行復雜的數據交互，通過外部專業(yè)軟件對其輸入數據進行預處理等[10]。

MIKE11用于模擬一維河道水體的流態(tài)，集成了水動力模塊、降雨徑流模塊、構筑物模塊以及潰壩模塊等，幾乎涵蓋了河流模擬的各個方面，在模擬過程中采用六點Abbott-Ionescu有限差分格式對圣維南方程組求解[11]。MIKE21屬于平面二維自由表面流模型，廣泛運用于海洋、湖泊、河道及蓄滯洪區(qū)的流場、流速、水位等方面的模擬，能夠獲得不同水文要素的時空分布及洪水淹沒信息[10]。

圖1 側向連接示意Fig.1 Lateral connection diagram

本文利用MIKE11與MIKE 21模型在MIKE FLOOD平臺上進行動態(tài)耦合，采用側向連接方式[12](見圖1)。側向連接即河道通過兩岸與二維模型計算區(qū)域進行水流交換，它允許MIKE21網格單元從側面連接到MIKE11的部分河段甚至整個河段。

側向連接中一維河道和二維網格單元間的水量交換采用堰流公式近似計算[13]，計算方法如下：

(1)

式中：q為交換水量(m3/s)；W為寬度(m)，一般取單元格和河道相連的邊長；C為堰流系數；k為堰指數；Hus和Hds分別為堰上游和下游水位(m)；Hw為堰頂高程(m)。本次研究選擇MIKE11中的河岸標記作為堰的位置。

2 模型構建

2.1 研究區(qū)域

圖2 研究范圍示意Fig.2 Schematic diagram of study area

民治水庫位于深圳市龍華新區(qū)民治街道民治社區(qū)東南方約2.5 km，在2個小型水庫民樂水庫及雅寶水庫(原名油柑水庫)的下游，包含2個小水庫在內的總集雨面積為4.5 km2。民治水庫正常庫容271 萬m3，總庫容400.2 萬m3，正常蓄水位79.58 m，校核水位82.36 m，死水位69 m，壩頂長320 m，其設計標準為50年一遇設計，100年一遇校核。民治街道位于民治水庫下游，為龍華新區(qū)與南山、福田、羅湖、龍崗五區(qū)交匯處。下轄9個社區(qū)工作站，21個社區(qū)居委會，總面積26 km2，人口42.7萬。根據地形條件以及可能的淹沒區(qū)域，確定研究范圍擴展至民治水庫下游4.25 km2。為分析受災情況選取4個特征點進行分析比較(圖2)，分別為民治水庫和民治河上游間重災居民區(qū)橫嶺村(特征點1)，民治河道中游西側向南村(特征點2)，民治河下游水尾新村附近(特征點3)，以及民治河道中游段居民區(qū)和商業(yè)區(qū)附近(特征點4)。

2.2 一維模型

利用MIKE11構建一維模型，從ArcGIS中提取河道的相關地理信息，按MIKE11河網文件的格式導入MIKE11中，并設定河道名稱、里程數、地理標識等信息，制成河網文件。從河道橫斷面CAD圖中提取斷面資料，并根據里程數標志在河道上，對河道賦予斷面信息。由于民治水庫通過一條暗涵與下游民治河相連，其過流能力相對于洪水在地表演進時的流量很小，因此在進行本次潰壩洪水模擬時，根據其過流能力，在河道上游邊界給定3 m3/s的恒定入流，河道水位作為下游開邊界。初始水深設為1 m，初始流量為0.1 m3/s，民治河斷面較為規(guī)整，水流較為通暢，兩側岸壁為土砂或石質，由于沒有實測資料加以驗證，本文根據天然河道糙率取值經驗，取糙率為0.025。將上述所有文件導入模擬文件編輯器，設定模擬時間步長、結果輸出文件名等，運行MIKE11，至此一維模型建立完畢。

2.3 二維模型

利用MIKE21構建二維模型，根據計算范圍提取計算邊界以及河道兩岸邊界，制作成Mesh文件所需要的格式，導入非結構化網格生成器中。本文采用非結構三角形網格，網格劃分完成后，節(jié)點數為9 314個，網格總數為17 911個，最大網格為400 m2，最小網格為79.2 m2，平均網格大小237 m2。導入研究區(qū)域的高程散點，根據網格劃分進行插值，得到模擬區(qū)域的地形文件。研究區(qū)域邊界取無滑移閉邊界，閉邊界不與外界進行水量交換，即法向流速為0，上邊界以潰口流量過程作為流量邊界條件。

2.4 MIKE FLOOD耦合模型

將獨立的MIKE11模型文件和MIKE21模型文件建立完成并可正常運行之后，將兩者在MIKE FLOOD平臺上進行耦合連接。首先導入需要連接的兩個模型文件，然后選擇側向連接方式。非結構化網格與MIKE11進行側向連接時，需要設定連接處的耦合線，以確定MIKE21與MIKE11的連接位置。本文將二維地形中一維河道的邊界坐標導出，制作成耦合線所需要的格式，保證水量交換點即為河道兩側堤岸，同時，沿程河道的所有計算點都將與MIKE21相連。通過耦合線進行連接后，一維河道模型左側岸線與72個MIKE21網格單元進行連接，右側岸線與69個MIKE21網格單元進行連接。

2.5 潰口流量計算

鑒于本次模擬的民治水庫主壩為土石壩，發(fā)生逐漸潰的概率較大，同時由于潛在的地震、滑坡等因素引發(fā)的瞬間潰的危害更大，因此，本文采用瞬間潰和逐漸潰兩種潰決方式進行模擬。對于土石壩瞬間潰的潰口流量計算，根據相關資料[14]，本文采用下式進行潰壩洪峰流量計算：

(2)

式中：Qmax為潰決最大流量(m3/s)；g為重力加速度(m/s2)；B為壩長(m)；bm為最終潰口寬度(m)；H0為潰決時水深(m)。

對于逐漸潰的潰口流量計算，假設大壩潰決時，壩體先滲透變形破壞發(fā)展到一定程度后再瞬間局部破壞。壩體滲透變形先從小孔開始，逐漸擴展，此時潰壩洪水流量根據文獻按下式計算[15]：

(3)

式中：H為水庫水位(m)；A為水流流過小孔的斷面面積(m2)；Hp為潰口小孔處的高程(m)；f為達西摩擦系數，根據Moody曲線由d50粒徑計算；L為小孔沿水流方向的長度(m)；D為小孔寬度(m)。假設小孔初始形狀為矩形，寬度逐漸線性擴展到30 m后再瞬間部分潰決，潰決后的流量再根據式(3)進行計算。

上述兩種潰決方式的潰口流量過程均采用下式計算：

(4)

式中：Q為潰口流量(m3)；V為庫容(m3)；t為時間(s)。

分別模擬計算4種工況下潰口流量過程線以及下游洪水演進過程，具體工況設定見表1。

表1 工況設定Tab.1 Working conditions

圖3 各工況下潰口洪水流量過程線Fig.3 Line break flood process under different conditions

根據表1中的4種不同工況，采用式(2)～(4)，分別推算出各種工況下潰口洪水流量過程線，見圖3。由圖3可知，對于瞬間潰，當潰口寬度為100和320 m時，最大下泄流量分別為4 220, 10 098和13 912 m3/s，庫容水量排空歷時約52, 22和23 min?？梢娫跐纬跏紩r刻流量即達到最大，隨著潰壩洪水下泄，水庫水位不斷下降，洪水流量也快速下降，并且潰口寬度越大，潰壩初始時刻的最大洪水流量也越大，其下泄時長越短。而對于逐漸潰，當潰壩開始后，隨著滲透變形管道小孔不斷擴大，下泄流量也不斷增加，潰口發(fā)展到一定程度后管道上部壩體開始垮塌，類似于瞬間潰，潰口流量迅速增大達到最大值，接著流量變小，直至庫區(qū)水量排空，其中滲透變形破壞階段最大流量為1 206 m3/s，之后迅速垮塌，最大流量達3 632 m3/s，總歷時約68 min。各工況下洪水流量參數見表2。

表2 各工況下洪水流量參數Tab.2 Flood flow parameters under different conditions

圖4 瞬間全潰淹沒范圍Fig.4 Instantaneous full collapse flooded range

3 結果與分析

3.1 淹沒范圍及水深分析

為了更好地體現洪水演進過程對下游的影響規(guī)律，在本次洪水演進結果分析中，選取了洪水演進過程中受災情況比較嚴重以及居民集中的4個特征點進行分析比較，特征點位置詳見圖2。選擇淹沒情況最為嚴重的工況3進行分析，其淹沒范圍見圖4。

由圖4可知，由于地形原因，河道左側淹沒情況較為嚴重，潰壩開始的1 min內，下泄洪水量極大且流速快，上游居民區(qū)迅速被淹沒，10 min內，淹沒范圍已經到達民治河中游段向南村、居民區(qū)及商業(yè)區(qū)，并繼續(xù)向下游演進。30 min后，洪水開始逐漸消退，由于地勢較高，洪水在下游部分地區(qū)的河道內演進時，沒有漫出。各特征點在各工況下水深變化見圖5。

圖5 不同工況下各特征點水深變化Fig.5 Water depth change of four feature points under different conditions

由圖5可知，瞬間潰各特征點水深在上游洪水到達時迅速增加，并且隨著水庫計算水位增加，各特征點處有1～2 m的水深增加。在工況3情況下，洪水歷時11 s到達離壩址較近的橫嶺村附近，3 min左右水深達到最高6.15 m，之后水深迅速降低，最終有少量積水。洪水歷時4～5 min到達民治河中游段居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，水深最高分別可達5.3和4.1 m。洪水歷時約10 min到達民治河下游水尾新村附近，水深最高達6.1 m。民治河道中游西側向南村由于地勢較低，在此次潰壩模擬中為重災區(qū)，其水深可達9.6 m，并且在洪水消退后，仍有3.1 m左右積水。

相對于瞬間潰，逐漸潰剛開始流量很小且增長緩慢，潰壩洪水7 min左右到達距離壩址處較近的橫嶺村，37 min左右水深達到最大值4.07 m，之后洪水慢慢消退，最終存在0.14 m積水。其余特征點變化較為一致，由于潰決初期洪水流量較少，遠離壩址處的特征點附近幾乎不受洪水影響，當發(fā)展成瞬間部分潰時，才會出現水深變化，但此時水庫水位已經降低，因此各特征點的水深相較于其余工況下有明顯下降，其到達各特征點時間較晚，平均有30 min左右的推遲。

3.2 淹沒區(qū)洪水流速分析

潰壩洪水的流速大小一定程度上反映了洪水的破壞能力，對淹沒較為嚴重以及財產生命較為集中的4個特征點的流速進行分析，結果見圖6。

圖6 不同工況下各特征點流速變化Fig.6 Velocity change of four feature points under different conditions

由圖6可知，隨著洪水向下游演進，沿程特征點的最高流速逐漸下降。其中，在工況3情況下，靠近壩址的橫嶺村附近流速最高可達10.5 m/s，而遠離壩址，在民治河下游水尾新村附近的最高流速小于3 m/s。根據相關文獻[16]，當水流流速大于5 m/s時，有較強破壞力，會對建筑物產生破壞，因此橫嶺村附近上游位置會因流速過大，對建筑物造成破壞。而相對于瞬間潰，逐漸潰在各特征點處產生的流速均小于5 m/s，造成的危害比瞬間潰小。

4 結 語

(1)基于MIKE FLOOD平臺將MIKE11和MIKE21模型進行動態(tài)耦合，可以較好地模擬潰壩洪水演進過程，且一、二維模型在連接處地形的契合度、準確性及網格劃分的合理性是其模擬精確的重要保證。

(2)采用瞬間潰及逐漸潰兩種潰決方式，設定4種不同工況，得出各工況下民治水庫潰壩流量過程線，瞬間潰的洪峰流量較大，出現在潰壩開始時刻，之后隨著庫區(qū)水位逐漸降低，下泄流量逐漸減小，直至庫區(qū)水體排空；逐漸潰的洪峰流量相對較小，出現在滲透破壞變形發(fā)展至上部壩體坍塌時刻，隨后下泄流量變小，直至庫區(qū)水體排空。

(3)根據淹沒水深以及生命財產集中程度選取4個特征點進行分析比較，分析表明潰壩洪水對上游地區(qū)橫嶺村附近破壞力較大，淹沒水深較深，同時其受災速度較快，應做好相應預防措施。民治河道中游段居民和商業(yè)區(qū)附近洪水流速接近5 m/s，對建筑物有一定破壞力，左側向南村地勢較低，淹沒水深情況最為嚴重，并且在洪水消退后仍有3 m左右積水。民治河下游地區(qū)在洪水消退后也有少量積水。

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SimulationresearchofurbandambreakfloodbasedonMIKEFLOODmodel

WANG Xin1， WANG Weiqi1， HUANG Guoru1, 2

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640,China; 2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

The safety of dam not only affects the benefit of the project, but also relates closely to the safety of people’s life and property. Dam-break flood simulation can evaluate the impacts of dam-break, and it is of great significance to the making of emergency plans so as to control flood and reduce disasters. Researches are carried out on the dam-break flood developing process in the downstream of the Minzhi reservoir based on the MIKE FLOOD model, which couples MIKE 11 and MIKE 21. By adopting two methods, a sudden dam-break method (for sudden partial dam-break as well as sudden full dam-break) and a gradual dam-break method, simulations of the flow graphs at the breach dam under four operating situations and the flood developing process in the downstream are respectively made in this study. The research results show that the peak flow of the sudden dam-break is larger at the beginning of the dam break, and the gradual dam-break peak flow is relatively small when the deformation of seepage failure develops to the upper part of the dam. And then, as the water level in the reservoir falls gradually, the flow discharge becomes smaller, until the reservoir is emptied. The dam-break flood has a greater destructive power against the upstream area of the Hengling village, where the submerged depth is larger. The flood velocity is up to 5 m/s in the residential and commercial areas of the middle reach of the Minzhi River. The flood has a certain damage to the buildings. The left side of the Xiangnan village is low-lying, the flooding is the most serious, and it still has a waterlogging depth of 3 m after the flood subsidence.

dam-break flood; MIKE FLOOD; numerical simulation; inundated depth; inundated area

TV122+.4

A

1009-640X(2017)05-0067-07

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.010

王欣， 王瑋琦， 黃國如. 基于MIKE FLOOD的城區(qū)潰壩洪水模擬研究[J]. 水利水運工程學報, 2017(5): 67-73. (WANG Xin, WANG Weiqi, HUANG Guoru. Simulation research of urban dam break flood based on MIKE FLOOD model[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 67-73. (in Chinese))

2016-11-01

廣東省科技計劃項目(2016A020223003)； 廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2016-32)

王 欣(1992—)， 女， 浙江衢州人， 碩士研究生， 主要從事水動力學方面研究。

E-mail： 441523381@qq.com 通信作者： 黃國如(E-mail： huanggr@scut.edu.cn)