區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型及其應(yīng)用

厲 凱,王澤民,唐斌斌,趙 俊,王 盼

(揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

從全球范圍來看，許多地區(qū)都受到由降雨、融雪、徑流等復(fù)雜因素相互作用引起的洪水災(zāi)害影響[1]。在大洪水期間，河岸周邊的洪泛區(qū)通常是受到影響的主要區(qū)域[2]，該區(qū)域的洪水泛濫有可能會(huì)導(dǎo)致人身和財(cái)產(chǎn)的重大損失[3]。河流周邊洪泛區(qū)需要高空間分辨率的模型才能進(jìn)行精確模擬，這一特征使得傳統(tǒng)水力模型應(yīng)用困難[4]。為了準(zhǔn)確、全面地解決這一問題，本文引入MSN_Flood系統(tǒng)，通過將嵌套邊界作為內(nèi)部計(jì)算邊界來模擬實(shí)際情況。在構(gòu)造嵌套系統(tǒng)時(shí)，最重要的部分是邊界處理。此外，為了計(jì)算效率，要求當(dāng)上游河流沒有淹沒時(shí)，邊界寬度較小，而在淹沒期間，邊界寬度增加，跨越嵌套邊界的流動(dòng)不必垂直于邊界，故水流可以沿MSN_Flood邊界進(jìn)行再循環(huán)流動(dòng)，從而解決現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜的水力條件模擬問題。本文將其應(yīng)用于洑西河宜興市河段的洪量模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究區(qū)概況

宜興市地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲地區(qū)，位于江、浙、皖三省結(jié)合部，隸屬江蘇省無錫市，其南部和西南部分別與浙江長興、安徽廣德毗鄰，西鄰溧陽，北接金壇和常州市武進(jìn)區(qū)，位于北緯31°07′～31°37′、東經(jīng)119°31′～120°03′，全市國土總面積為1996.6 km2。洑西河位于江蘇省宜興市，屬太湖流域的蠡河水系。洑西河自上游東省莊水庫(1973年竣工，集水面積3.2 km2，總庫容14.3萬m3)，向東流匯入湖父大河，是宜興市一條重要的排水河道。河道沿線保護(hù)人口20.63萬人，保護(hù)農(nóng)田6380 hm2。

2 研究方法

MSN_Flood的工作原理是在空間粗糙網(wǎng)格(父網(wǎng)格)和嵌套在父網(wǎng)格內(nèi)的高分辨率網(wǎng)格(子網(wǎng)格)之間進(jìn)行多級(jí)嵌套。該模型使用交替方向半隱式有限差分格式對(duì)所有水力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)了四個(gè)嵌套層次用于測試MSN_Flood，以9∶1的嵌套比例獲得了最好的結(jié)果。MSN_Flood在嵌套界面包含一個(gè)移動(dòng)邊界，邊界的寬度可以根據(jù)溢流階段而變化。嵌套建模系統(tǒng)的父網(wǎng)格和子網(wǎng)格之間的質(zhì)量和動(dòng)量守恒對(duì)建模精度至關(guān)重要。其中子網(wǎng)格邊界處的入射通量守恒是最重要的部分，在通量向內(nèi)傳播期間，邊界數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)部解的影響最大。引入了一種新的邊界形成方法，減少了邊界形成誤差，從而確保了進(jìn)入子網(wǎng)格的質(zhì)量和動(dòng)量通量的高度守恒。

本文在MSN_Flood的研究中，在實(shí)際嵌套邊界之外建立了重影單元，沿著內(nèi)部的粗糙網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算沿著嵌套邊界的動(dòng)量方程中的所有參數(shù)。這種方法可以保存嵌套邊界上的動(dòng)量。圖1為在MSN_Flood孤行的邊界配置。

圖1 MSN_Flood中所使用的邊界配置

3 案例研究

使用普林斯頓模型(POM)[5]，為研究區(qū)的MSN_Flood 模型提供邊界條件，通過嵌套，以90 m、30 m、6 m和2 m的空間分辨率解決了該區(qū)域的水動(dòng)力學(xué)問題。將由模型產(chǎn)生的聯(lián)合水位在空間和時(shí)間維度上插值，并在每個(gè)模型時(shí)間步長被輸入進(jìn)MSN_Flood模型。在第一級(jí)，將粗略父網(wǎng)格的水面高度、速度和速度梯度在空間維度中插值，提供更精細(xì)子網(wǎng)格的邊界數(shù)據(jù)。隨后，每個(gè)子網(wǎng)格分辨率提高，用于替代父網(wǎng)格。

以90 m的網(wǎng)格間距和18 s的時(shí)間步長(PG90模型)解決了整個(gè)區(qū)域的水動(dòng)力學(xué)問題。PG90模型中嵌入的第一級(jí)嵌套模型CG30模型以3∶1的嵌套比例縮小了區(qū)域，并以30 m的網(wǎng)格間距和6 s的時(shí)間步長計(jì)算流體力學(xué)參數(shù)。在嵌套比為5∶1的情況下，CG30模型為CG06模型的東邊界提供了6 m網(wǎng)格間距的邊界條件，這將區(qū)域縮小到河床及其河口范圍；CG06模型的時(shí)間步長為0.6 s。圖2為上游邊界的流量過程線。

圖2 宜興上游水文站2019年11月19日和20日的流量數(shù)據(jù)

空間分辨率最高的是網(wǎng)格間距為2 m的CG02模型。它以3∶1的嵌套比例完全嵌入到CG06模型中。該模型解決了李河下游及其洪泛區(qū)的水動(dòng)力學(xué)問題。區(qū)域地形由2 m分辨率的光探測和測距數(shù)據(jù)構(gòu)建而成。數(shù)據(jù)由數(shù)字表面模型和數(shù)字地形模型(DTM)組成，生成了圖3所示的洪泛區(qū)地形。

圖3 洪泛區(qū)地形

3.1 模型驗(yàn)證

綜上所述，所有的主要邊界條件都是可用的，并且有實(shí)際來洪最高水位的記錄。對(duì)MSN_Flood模型評(píng)估包括根據(jù)洪水的實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)CG06和超高分辨率CG02洪水模型進(jìn)行模型精度驗(yàn)證。洪水后，在CG06和CG02模型共同的淹沒區(qū)上的45個(gè)測量點(diǎn)收集高水位數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 測量高水位的位置

在圖4所示位置測量得到的高水位數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型。在驗(yàn)證期間，將模型后推洪水水位與洪水水位記錄進(jìn)行比較。出于分析目的，將它們分為五個(gè)位置：完整的區(qū)域、上洪泛區(qū)、河道、下泛洪區(qū)和城市中心。表1給出了觀察數(shù)據(jù)和模型后推法之間的比較結(jié)果。

表1 觀察數(shù)據(jù)和模型后推法之間的比較

表1所示的結(jié)果表明，該模型在整個(gè)區(qū)域的所有45個(gè)測點(diǎn)的平均水位差為0.060 m。這些差異受上游農(nóng)村洪泛區(qū)結(jié)果的影響，沒有到受下游城市洪泛區(qū)結(jié)果的影響，即上部洪泛區(qū)的洪水模擬是用低分辨率的CG06模型來模擬的，而城市洪泛區(qū)的洪水模擬是用CG02模型來模擬的。圖5沿CG06模型河道和實(shí)際觀測值的比對(duì)情況。其擬合情況說明整個(gè)模型區(qū)域的高度一致性。圖6為模型后推法和觀測數(shù)據(jù)的比較圖。從圖5和圖6中可以看出，MSN_Flood在模擬洪水最大水位時(shí)具有高精度。

圖5 沿CG06模型河道和實(shí)際觀測值的水位比對(duì)

圖6 模型后推法和觀測數(shù)據(jù)的比較

3.2 洪水泛濫的演變過程

當(dāng)極高的洪水流量(1000年一遇)與高水位同時(shí)作用時(shí)，應(yīng)該采用高度復(fù)雜的界面，即2 m超高分辨率MSN_Flood網(wǎng)格模型。在河流處于正常水流條件時(shí)，河水完全被控制在主河道內(nèi)，圖7所示，沿著該邊界模型的橫截面，模型將主河道和側(cè)河道分開，形成多段、非連續(xù)的嵌套邊界。在圖7中，4 h指洪水事件早期的河道情況，此時(shí)水被控制在主河道內(nèi)。其余時(shí)間表示洪水不同階段的水位；這些水位的時(shí)間進(jìn)程說明了此邊界是如何橫向擴(kuò)展的。

圖7 主河道西部邊界模型和水位

隨著洪水在西部邊界上漲，河道寬度增加。圖8為在洪水持續(xù)期間，邊界不同部分(A、B、C和D)水位上升和下降的過程。邊界動(dòng)態(tài)一個(gè)特別重要的特征是跨越嵌套邊界的水位的顯著梯度，尤其是D段和其他段之間的水位梯度變化。還可以看出，在洪水階段，梯度隨時(shí)間迅速變化。圖8為西部邊界水位程隨時(shí)間的發(fā)展過程。

圖8 西部邊界水位隨時(shí)間的發(fā)展

使用CG06模型進(jìn)行了后驗(yàn)分析。圖9為事件開始和結(jié)束時(shí)，由CG06模型模擬的上游農(nóng)村和下游城市洪泛區(qū)的淹沒范圍。圖9(a)表示模型從宜興市的東部邊界延伸，從這個(gè)邊界向西，河口變窄，直到市中心，河道分叉成圍繞城市的南北河道。在城市的西部，河道在一個(gè)大堰的下游重新匯合。在這次洪水中，洪水造成堰被完全淹沒，導(dǎo)致復(fù)雜的回水效應(yīng)。如圖9(a)所示，在正常水流條件下，堰以西的水流被限制在其兩岸內(nèi)。圖9(b)顯示了洪水結(jié)束時(shí)的淹沒程度。很明顯上游河流決堤，淹沒了大面積的城市區(qū)域。

圖9 上下游洪水泛濫的進(jìn)程

通過對(duì)CG02模型結(jié)果分析，對(duì)市區(qū)進(jìn)行了更深入的淹沒評(píng)估，該模型模擬了洪水開始和結(jié)束時(shí)的淹沒情況，如圖10所示。圖10(a)是早期大部分水流被控制在河道內(nèi)時(shí)的淹沒圖。圖10(b)為市區(qū)最終淹沒的高分辨率地圖。

圖10 市區(qū)洪水泛濫進(jìn)展

很明顯，在主要河道中產(chǎn)生了更大的水深，大部分城市洪泛區(qū)，尤其是城市西部被淹沒。圖9和圖10表明MSN_Flood模型真實(shí)地模擬了洪水波傳到農(nóng)村和城市的過程。洪水會(huì)給受災(zāi)地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。

4 結(jié) 論

洪水模擬系統(tǒng)能夠在與水流特征相稱的尺度上解決水動(dòng)力學(xué)問題。多尺度數(shù)值模擬中的嵌套子模型足以解決嵌套域尺度的動(dòng)態(tài)模擬問題。本研究最重要的一個(gè)結(jié)論是MSN_Flood模型能使嵌套域的邊界位于洪泛區(qū)域上，這種橫向移動(dòng)的邊界可以在區(qū)域的任何地方定位嵌套子域，從而降低計(jì)算量。2 m分辨率的城市洪水模型準(zhǔn)確再現(xiàn)了上游農(nóng)村洪泛區(qū)和下游城市的洪水淹沒情況，高分辨率激光雷達(dá)地形數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估淹沒至關(guān)重要。然而，需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行后處理，以校正某些表面物體(如樹木和樹籬)的存在與否，避免這些物體由于遮蓋而對(duì)流場產(chǎn)生影響。

在研究中，通過對(duì)洪水傳播的詳細(xì)時(shí)間和空間進(jìn)行分析，演示了數(shù)值模型如何模擬洪水波運(yùn)動(dòng)及其影響的過程。這可以應(yīng)用于識(shí)別未來洪水易發(fā)區(qū)、洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間、淹沒范圍和洪水高度，從而進(jìn)一步提升洪水管理工作的質(zhì)量，識(shí)別淹沒范圍和程度可以便于及時(shí)制定計(jì)劃，應(yīng)用于洪水后的救援行動(dòng)中。