基于MIKE FLOOD耦合模型的塔洋河下游洪水演進(jìn)分析

田福昌 趙胤懋 苑希民

摘要：海南省塔洋河下游段降水豐富，洪水災(zāi)害頻發(fā)，急需構(gòu)建該河段洪水演進(jìn)分析模型，為科學(xué)防洪減災(zāi)措施制定提供支持?；谒蠛酉掠魏佣螌崪y斷面資料與高精度DEM，采用MIKE FLOOD建立河段一維水動力模型和兩岸洪水威脅區(qū)二維水動力模型并實現(xiàn)兩者的實時動態(tài)耦合，模擬分析下游河段50年一遇洪水漫溢演進(jìn)過程及淹沒風(fēng)險，計算不同時段內(nèi)洪水淹沒范圍和水深分布，并從水量平衡和流場分布等角度對計算結(jié)果進(jìn)行合理性分析。結(jié)果表明，所建模型能夠有效模擬塔洋河下游洪水演進(jìn)過程及風(fēng)險分布特征，計算結(jié)果較為合理可靠，可為區(qū)域防汛指揮、洪水風(fēng)險管理與防洪預(yù)案制定等提供重要基礎(chǔ)信息。

關(guān)鍵詞：塔洋河；洪水風(fēng)險；水動力模型；洪水演進(jìn)；MIKE FLOOD

中圖分類號：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05001605

Flood routing analysis of the lower reaches of Tayang river based on MIKE FLOOD

TIAN Fuchang，ZHAO Yinmao，YUAN Ximin

（

State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：

The rainfall in the lower reaches of the Tayang river is abundant and frequently causes flood disasters. It is urgent to build a flood routing analysis model for the river to provide support for the formulation of scientific flood control and disaster mitigation measures. Based on the measured section data and highprecision DEM of the lower reaches of the Tayang river， we established a 1D hydrodynamic model of the river section and a 2D hydrodynamic model of the flood threat zones on both banks by MIKE FLOOD， and realized the realtime dynamic coupling of the two. Then we analyzed the evolution process and inundation risk of a 50year flood in the lower reaches， calculated the inundation range and water depth distribution in different periods， and analyzed the rationality of the calculation results using water balance analysis and flow field distribution. The results showed that the model can effectively simulate the process of flood routing and risk distribution in the lower reaches of the Tayang River. The calculation results were reasonable and reliable， and can provide important basic information for regional flood control command， flood risk management， and flood control plan formulation.

Key words：

Tayang river； flood risk； hydrodynamic model； flood routing； MIKE FLOOD

近年，全球極端天氣頻繁出現(xiàn)，洪水災(zāi)害嚴(yán)重威脅臨河城鎮(zhèn)的發(fā)展。為減少城鎮(zhèn)發(fā)展過程中的洪澇災(zāi)害影響，結(jié)合“洪澇風(fēng)險管理”理念的洪水災(zāi)害風(fēng)險分析是防洪減災(zāi)非工程措施發(fā)展的重要方向之一。

關(guān)于洪水災(zāi)害風(fēng)險理論研究與實踐，最早由國外學(xué)者發(fā)起。20世紀(jì)40年代，由美國吉爾伯特·懷特（Gilbert F.White ）首次提出洪災(zāi)風(fēng)險分析理論[1]，之后于20世紀(jì)80年代引起全球?qū)W者廣泛關(guān)注，并在洪水演進(jìn)分析領(lǐng)域得到應(yīng)用實踐。Chua等[2]運(yùn)用二維水動力模型模擬分析了萊茵河潰堤洪水在沿線洪泛區(qū)域內(nèi)的淹沒情況；Vacondio等[3]運(yùn)用光滑粒子水動力數(shù)值模型模擬了開邊界條件下的洪水淺水運(yùn)動。在我國，馮平和朱元甡等[45]基于洪災(zāi)風(fēng)險理論建立了二維復(fù)合事件風(fēng)險組合模型并成功應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程防洪風(fēng)險分析；槐文信等[6]采用曲線坐標(biāo)系下的有限分析法離散數(shù)值格式模擬計算了不規(guī)則區(qū)域的二維非恒定流運(yùn)動過程。然而，基于概率統(tǒng)計方法的洪水風(fēng)險分析，缺乏對系統(tǒng)不確定性和復(fù)雜性的全面考慮；二維淺水動力模型可以解析洪泛區(qū)洪水平面運(yùn)動過程，但尚無法準(zhǔn)確、實時的描述窄深河道內(nèi)任意時刻水位與流量等水力要素[78]。所以，河道與洪泛區(qū)一、二維水動力耦合模型融合了各自獨特的優(yōu)勢，在洪災(zāi)風(fēng)險管理與洪水演進(jìn)分析中發(fā)揮著非常重要的作用[914]。

本文以海南省塔洋河下游河段為研究對象，根據(jù)水量平衡和動量守恒原理，基于MIKE FLOOD 建立塔洋河下游河段一、二維水動力耦合模型，模擬計算其遭遇50年一遇洪水時的漫溢洪水淹沒過程及災(zāi)害風(fēng)險，為塔洋河防洪體系完善、防汛應(yīng)急搶險、洪水風(fēng)險管理等提供重要參考。

1 洪水演進(jìn)分析方法及原理

1.1 洪水分析方法確定

塔洋河為海南省萬泉河的一級支流，干流全長6360 km，平均坡降136‰，流域集水面積357 km2。據(jù)記載，歷史上萬泉河洪水災(zāi)情較為嚴(yán)重的年份主要有1948年、1954年、1970年、1976年、 1983年和2013年等。由于缺少塔洋河下游區(qū)域詳細(xì)的歷史洪水災(zāi)害數(shù)據(jù)，水文學(xué)法和歷史水災(zāi)法均不適用于該河段洪水風(fēng)險分析。因此，本文采用水力學(xué)方法開展塔洋河下游河段50年一遇洪水風(fēng)險分析，基于MIKE FLOOD建立河道及兩岸洪水威脅區(qū)域一、二維水動力耦合模型，實現(xiàn)漫溢處堤內(nèi)外水流的實時動態(tài)交互模擬，分析計算洪水動態(tài)演進(jìn)過程中不同時刻對應(yīng)的水位、流量和水深等水力要素。

1.2 洪水演進(jìn)計算模型原理

（1）一維水動力模型。

塔洋河下游河段一維水動力模型基本方程如下：

（2） 二維水動力模型。

塔洋河下游河段兩岸洪水威脅區(qū)域二維水動力模型基本方程如下：

連續(xù)方程：

（3） 一、二維水動力模型的耦合銜接。

為了充分利用一維模型和二維模型在各自領(lǐng)域單獨應(yīng)用時的優(yōu)勢，避免模型單獨使用時存在的網(wǎng)格精度和準(zhǔn)確性問題，本文基于MIKE FLOOD 采用側(cè)向連接方式實現(xiàn)一維模型和二維模型的動態(tài)耦合，由塔洋河下游河段一維水動力模型實時動態(tài)提供兩岸洪水威脅區(qū)域二維模型固定時間步長內(nèi)的入流條件，模擬計算河道洪水沿堤線漫溢淹沒過程及風(fēng)險分布情況。

2 洪水演進(jìn)計算耦合模型建立

2.1 模型計算范圍

根據(jù)塔洋河下游河段洪水風(fēng)險圖編制成果，確定模型計算范圍為福寨村至南面村段（塔洋河入河口）及兩岸洪水威脅區(qū)域（圖1），計算河段長度1637 km，堤防設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)10年一遇，兩岸洪水威脅區(qū)計算面積6387 km2。采用水力學(xué)洪水分析方法，建立塔洋河下游河段河道與兩岸洪水威脅區(qū)域一、二維水動力耦合模型，模擬其遭遇50年一遇洪水時的漫溢分流過程及演進(jìn)淹沒風(fēng)險。

2.2 河道斷面設(shè)置與網(wǎng)格剖分

（1）斷面設(shè)置。河道斷面是一維水動力模型重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文根據(jù)塔洋河下游河段實際寬度及其蜿蜒曲折情況，在1∶10 000矢量地形圖和測量斷面基礎(chǔ)上對河道斷面進(jìn)行內(nèi)插加密處理，共設(shè)置80個斷面，斷面平均間距為20463 m。

（2）網(wǎng)格剖分。采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格剖分技術(shù)對兩岸洪水威脅區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)線性阻水建筑物和地勢地形確定網(wǎng)格尺度及其分布情況，充分反映計算區(qū)域的地形特征。不規(guī)則三角形網(wǎng)格最大面積不超過0003 km2，適度加密重要地區(qū)或地形變化較大區(qū)域的計算網(wǎng)格，共剖分網(wǎng)格數(shù)量687萬個，網(wǎng)格平均面積為929×104 km2。

2.3 主要參數(shù)設(shè)置

（1）糙率。糙率是水動力學(xué)模型最重要且較為靈敏的計算參數(shù)，反映了洪泛區(qū)地表、河道底部以及岸坡影響水流阻力的綜合系數(shù)[12]。塔洋河下游河段河道內(nèi)具有少量石塊或雜草，根據(jù)《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細(xì)則（試行）》及《海南省瓊海市塔洋河防洪整治工程初步設(shè)計報告》，確定塔洋河下游河段河道綜合糙率為0036；根據(jù)《水力計算手冊（第二版）》，確定塔洋河下游段兩岸洪水威脅區(qū)域農(nóng)田植被糙率值為006，居民地糙率值為004。

（2）計算時間步長。綜合考慮模型穩(wěn)定性及運(yùn)算效率等因素，設(shè)定塔洋河下游段河道一維水動力模型計算時間步長為1 s，兩岸洪水威脅區(qū)域二維水動力模型最大計算步長為1 s、最小計算步長為001 s，模型可根據(jù)洪水信息與地形條件自動調(diào)整計算時間步長。

2.4 邊界條件確定

塔洋河下游河段一、二維水動力耦合模型控制邊界主要包括上游入流邊界（福寨村斷面）、區(qū)間匯流及下游出流邊界（末端出口入萬泉河），對應(yīng)邊界條件分別為福寨村斷面50年洪水流量過程、區(qū)間匯流流量過程、塔洋河河口（接萬泉河）斷面50年一遇洪水過程。

（1）入流邊界條件。 塔洋河下游河段洪水主要來源于上游降雨產(chǎn)匯流，由于塔洋河流域內(nèi)無實測洪水資料，故根據(jù)1991年廣東省暴雨參數(shù)等值線圖查算暴雨參數(shù)，采用綜合單位線法間接推算福寨村斷面50年一遇洪水流量過程見圖2。塔洋河區(qū)間洪水即福寨村至南面村（塔洋河入河口）范圍內(nèi)的匯流洪水，采用綜合單位線法推算區(qū)間來流洪水過程，見圖3，按照區(qū)間洪水沿河均勻匯入方式對其進(jìn)行概化處理。

（2）出流邊界條件。塔洋河下游河段出口受干流萬泉河洪水頂托影響，出流邊界條件為河口處萬泉河斷面相應(yīng)的50年一遇洪水過程，見圖4。

3 洪水演進(jìn)計算及結(jié)果分析

3.1 洪水淹沒風(fēng)險分析

根據(jù)所建塔洋河下游段一、二維水動力耦合模型，動態(tài)模擬其遭遇50年一遇洪水情況下的河道洪水演進(jìn)過程及漫堤洪水淹沒風(fēng)險，采用非恒定流水動力學(xué)方法計算河段不同斷面實時水位和流量以及漫堤洪水演進(jìn)過程中任一網(wǎng)格不同時刻的洪水淹沒風(fēng)險要素。提取河道計算斷面最高水位，連接繪制河道最高水面線，見圖5。

由圖5分析可知，當(dāng)塔洋河下游河段遭遇50年一遇洪水時，全線堤段發(fā)生洪水漫溢現(xiàn)象，堤防漫溢長度1637 km，漫溢水頭高，淹沒風(fēng)險大。兩岸洪水威脅區(qū)域主要時刻淹沒水深見圖6，洪水演進(jìn)初始出現(xiàn)多個淹沒區(qū)，淹沒范圍與積水深隨時間增加不斷加大而后逐漸減小。當(dāng)洪水演進(jìn)12 h，加堆村附近水深迅速增加，最大水深122 m，淹沒區(qū)積水量27851萬m3；洪水演進(jìn)45 h，河道兩岸堤段均發(fā)生洪水漫溢現(xiàn)象，此時淹沒區(qū)洪水演進(jìn)至萬泉河，大璞村附近淹沒水深最大，多達(dá)542 m，淹沒區(qū)積水量4 25723萬m3；洪水演進(jìn)120 h，淹沒區(qū)大部分洪水退回至塔洋河，此時淹沒區(qū)積水量49564萬m3。

3.2 計算結(jié)果合理性分析

塔洋河下游區(qū)域無詳細(xì)的歷史實測洪澇災(zāi)害資料，本文主要從水量平衡、流場分布、地形水深比較等方面對模型計算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，一定程度上保證模型計算精準(zhǔn)度、可靠性和合理性。

（1）水量平衡分析。根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果統(tǒng)計計算區(qū)域進(jìn)出水量、河道槽蓄量與淹沒區(qū)積水量，經(jīng)驗證滿足“洪水威脅區(qū)域積水量=上游來水量-下游出水量-河道槽蓄量”關(guān)系式，說明所建模型洪水計算滿足水量平衡要求。

（2）流場分布及地形分析。淹沒區(qū)局部水深、流速、流場、DEM高程統(tǒng)[HJ2.1mm]計見圖7，對比分析圖7（a）與圖7（b）可知：局部積水深和流場走向均符合地形分布特征，即洪水由高向低流動、低洼地帶積水且水深較大、地形較高區(qū)域水深較小或無淹沒；對比分析圖7（a）與圖7（c）可知：沿堤線部位洪水流速較大（由漫溢水頭較高導(dǎo)致），離堤線距離越遠(yuǎn)流速越小，這與流場箭頭長度和密度分布相吻合?？梢?，洪水流場光滑且分布均勻，洪水淹沒水深、洪水流速、流場分布均與區(qū)域地形起伏分布特征相匹配且存在一定規(guī)律性，本文所建模型計算結(jié)果是基本合理可靠的。

4 結(jié)論

（1）基于MIKE FLOOD構(gòu)建了塔洋河下游段河道及兩岸洪水威脅區(qū)域一、二維水動力耦合模型，模擬了50年一遇洪水情景下河道水面線、漫堤洪水演進(jìn)過程及淹沒風(fēng)險，并從水量平衡、流場分布、地形水深比較等方面對計算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，研究表明，所建模型精度較高、結(jié)果較為合理可靠，可為區(qū)域防洪減災(zāi)措施制定提供參考。

（2）塔洋河下游段河道具有蜿蜒、淺窄的特點，遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下河道過水能力嚴(yán)重不足，將造成兩岸較大面積的洪水淹沒范圍，洪災(zāi)風(fēng)險很大，需對塔洋河下游段進(jìn)行河道疏浚清淤、堤防加高、護(hù)坡護(hù)岸等處理，適度拓寬河道，提高過流能力，降低洪災(zāi)風(fēng)險。

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