基于一二維耦合水動力模型的海游溪流域洪水風(fēng)險(xiǎn)研究

占 亮，鄒天遠(yuǎn)，葉昕瀅

（1.浙江省臺州市三門縣水利局，浙江 三門 317100；2.航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195）

0 引言

從自然災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空強(qiáng)度以及對人類生存與發(fā)展的威脅程度而言，洪水災(zāi)害一直位居各種自然災(zāi)害之首[1]。洪水風(fēng)險(xiǎn)評估作為一種重要的非工程減災(zāi)措施，可廣泛應(yīng)用于洪泛區(qū)管理、防洪規(guī)劃與應(yīng)急決策、災(zāi)情評估、居民避險(xiǎn)、土地利用開發(fā)、災(zāi)害保險(xiǎn)、公共減災(zāi)對策以及災(zāi)害教育與宣傳[2-3]。目前，我國防汛工作正逐步從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變，即通過洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，建立風(fēng)險(xiǎn)管理制度[4]。這是開展洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的重要基礎(chǔ)支撐，是國家的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、前瞻性、戰(zhàn)略性工作[5]。

沿海地區(qū)由于低山丘陵地區(qū)的地形地貌和季風(fēng)濕潤的水文氣象特征，洪、澇、臺災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害損失十分嚴(yán)重。與內(nèi)陸流域相比，沿海地區(qū)臺風(fēng)暴雨天氣發(fā)生更加頻發(fā)，下游潮水頂托也進(jìn)一步加劇洪災(zāi)影響。因此，需采用科學(xué)合理的方法對沿海流域洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評估，進(jìn)而因地制宜采取減災(zāi)對策，協(xié)調(diào)人水關(guān)系，保障社會安定和國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。洪水風(fēng)險(xiǎn)評估一般是通過編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖進(jìn)行，通過構(gòu)建一維或多維數(shù)學(xué)模型對洪水過程進(jìn)行模擬演算，以獲得洪澇的時(shí)空分布特征值。本文以浙江省臺州市海游溪流域?yàn)槔?，采用MIKE FLOOD 構(gòu)建海游溪一二維耦合水動力模型，模擬極端洪水（P=1%）條件下流域內(nèi)洪水淹沒情況，分析評估洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究區(qū)域概況

海游溪流域位于浙江省臺州市東北部沿海地區(qū)，流域面積461.2 km2，干流河長42.9 km，起源于臨海市羊巖山，流入三門縣境內(nèi)后與亭旁溪匯合，終點(diǎn)匯至出?？?。干流分為上、下游兩段，上游段珠游溪長27.8 km，下游段海游港至出?？诙魏娱L為15.1 km，支流分別為吳岙溪、珠岙溪、亭旁溪。海游溪流域多年平均降水深1719.4 mm，多年平均徑流深1031.0 mm。流域降水時(shí)間分布不均勻，全年分兩個(gè)雨季，4 月～6 月為梅雨季節(jié)，7月～9 月為臺風(fēng)暴雨期。

海游溪流域內(nèi)現(xiàn)有中型水庫1 座、?。?）型水庫6 座，中型水庫為佃石水庫，庫容3009 萬m3，?。?）型水庫合計(jì)總庫容103.38 萬m3。流域內(nèi)主要防洪設(shè)施是海游防洪大壩，長約7.8 km，保護(hù)區(qū)域?yàn)槿T縣縣城區(qū)域。海游溪流域防洪體系初具成型，但現(xiàn)狀防洪地方仍存在過于低矮、標(biāo)準(zhǔn)較低的問題，區(qū)域內(nèi)還未形成有效的防洪閉合區(qū)。

2 技術(shù)路線及方法

2.1 技術(shù)路線

本文研究技術(shù)路線是通過區(qū)域基本情況調(diào)查，獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，識別洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子，建立MIKE FLOOD 一二維耦合模型，并對模型進(jìn)行率定，對極端洪水情況進(jìn)行模擬和分析，得出海游溪洪水風(fēng)險(xiǎn)情況，見圖1。

圖1 海游溪洪水風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)路線圖

2.2 模型方法

（1）一維河道模型

MIKE11 水動力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant 方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。一維非恒定流Saint-Venant 方程組：

式中：x、t 分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；A 為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q 為過流流量，m3/s；h 為水位，m；q 為旁側(cè)入流流量，m3/s；n 為河道糙率；R 為水力半徑，m；α 為動量校正系數(shù)；g 為重力加速度，m/s2。

方程組利用Abbott-Ionescu 六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱為h 點(diǎn)和Q 點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

（2）二維地表模型

Mike21 采用二維非恒定流計(jì)算模塊的原理，基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，服從布辛涅斯克假設(shè)和靜水壓力假設(shè)。

式中：h 為水深，m；U 為x 方向的流速，m/s；V 為y 方向的流速，m/s；sx，sy為源項(xiàng)，m2/s2。

（3）一二維水動力模型耦合

一二維水動力模型耦合是通過側(cè)向連接進(jìn)行，側(cè)向連接允許MIKE 21 的網(wǎng)格從側(cè)面連接到MIKE 11 的整個(gè)河道，利用結(jié)構(gòu)物流量公式來計(jì)算通過側(cè)向連接的水流，用側(cè)向連接來模擬水從河道漫流到保護(hù)區(qū)的運(yùn)動。

2.3 洪災(zāi)影響分析方法

洪災(zāi)影響分析主要包括淹沒范圍和各級淹沒水深區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析、洪災(zāi)損失評估等，根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素和土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)范的社會經(jīng)濟(jì)情況（主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括GDP、耕地面積、省級以上公路里程；社會指標(biāo)為人口），綜合分析評估洪水影響程度，包括淹沒范圍內(nèi)不同淹沒水深區(qū)域內(nèi)的人口、資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析等，并評估洪水損失。

左達(dá)把那張拍賣推薦函挑出來，刷刷地簽好字，端詳一下，湊到嘴邊，吹口氣，在徐藝面前抖抖，然后，伸開兩只胳膊把面前的五十萬現(xiàn)鈔往徐藝面前一推，道：“這錢現(xiàn)在還是你老板張仲平的。我……不借了?！?/p>

本研究中損失率主要根據(jù)《三門縣水利志》歷史發(fā)生的水災(zāi)，洪災(zāi)發(fā)生后，調(diào)查收集各類承載體的災(zāi)后價(jià)值，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采用參數(shù)統(tǒng)計(jì)模型建立單項(xiàng)的洪水淹沒特性與洪災(zāi)損失率的關(guān)系得到。

3 模型構(gòu)建

3.1 建模范圍

對海游溪流域采用MIKE FLOOD 模型軟件進(jìn)行一二維水動力模型構(gòu)建，一維建模范圍為海游溪和支流亭旁溪、吳岙溪；為更好地分析洪水對人口聚居地的影響，二維建模范圍擴(kuò)大至為三門縣全縣陸域范圍。

一維河道水動力模型以海游溪梅坑斷面、佃石水庫、吳岙溪源頭為上邊界，以海游溪水岙門大橋?yàn)橄逻吔?，上邊界以流量過程線作為邊界條件，下邊界以潮位過程作為條件，河道每隔0.8 km 布置一個(gè)測量斷面。一維河道建模范圍及斷面布置見圖2。

圖2 一維河道建模范圍及斷面布置

二維地表水動力模型建模范圍為三門縣陸域范圍，共1072 km2，共剖分矩形網(wǎng)格40006 個(gè)，城區(qū)處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，同時(shí)將構(gòu)筑物的線狀圖層加入到網(wǎng)格生成器中作為內(nèi)邊界。二維建模范圍及網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖3。

圖3 二維建模范圍及網(wǎng)格剖分結(jié)果

圖4 一二維水動力模型耦合側(cè)向連接設(shè)置

3.2 邊界條件

模型邊界條件需根據(jù)研究區(qū)域洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子確定。海游溪流域致災(zāi)因子主要分為三類：上游河道洪水、區(qū)間暴雨和下游高潮位頂托。因此設(shè)置上邊界條件為海游溪上游梅坑洪水、亭旁溪上游佃石水庫泄洪放水、吳岙溪上游來水以及區(qū)間暴雨，下邊界設(shè)置為水岙門大橋處潮位過程。

3.3 模型參數(shù)選取與率定

一維河道水動力模型參數(shù)主要為河道糙率，由于海游溪流域內(nèi)缺乏歷史洪水洪痕和水文測站實(shí)測資料，因此難以通過歷史洪水對模型參數(shù)進(jìn)行率定。根據(jù)流域內(nèi)已有規(guī)劃成果并結(jié)合鄰近流域相關(guān)資料，采用浙江省水利水電設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)洪水代表站點(diǎn)成果進(jìn)行模型率定，最大水位誤差為0.15 m，滿足模型精度要求。

確定河道糙率結(jié)果見表1。

表1 三門縣海游溪各河段糙率率定結(jié)果表

二維模型糙率以土地利用圖層為基礎(chǔ)，參考浙江省內(nèi)其他地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果，按照樹叢、居民地、農(nóng)田等不同類型，賦予網(wǎng)格相應(yīng)的糙率，其中居民地取0.07～0.12，樹叢取0.065，旱田取0.06，水田取0.05，空地取0.035。

4 極端洪水事件情景模擬

4.1 極端洪水演進(jìn)過程模擬

經(jīng)計(jì)算，三門縣海游溪流域在目前的防洪體系下，當(dāng)發(fā)生100年一遇的設(shè)計(jì)洪水時(shí)，淹沒面積達(dá)到1.35 km2，淹沒水深平均在0.5～2.0 m，范圍內(nèi)受影響人口達(dá)到900 人。淹沒區(qū)域主要集中在海潤街道、海游街道和珠岙鎮(zhèn)，謝家、南岙、下洋、外俞等河道附近被淹沒，并且水岙門大橋處由于潮位影響隨漲落潮出現(xiàn)漫溢和退水情況。唯有亭旁溪上游由于佃石水庫的調(diào)洪作用，大大的削減了下游的洪峰，有效的保護(hù)了亭旁鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府、火車站等區(qū)域。

三門縣上游下洋村、南岙村、謝家村和外俞處由于堤防建設(shè)不健全，常年發(fā)生洪水漫堤；中游縣城海潤街道和海游街道曾在1963年、1989年、1997年大洪水中發(fā)生潰堤淹沒，淹沒水深達(dá)2m～3 m。本次百年一遇極端洪水淹沒情景模擬結(jié)果與歷史洪災(zāi)情況基本一致，具有一定的可靠性。

研究區(qū)域淹沒面積見表2。

表2 海游溪流域發(fā)生P=1%設(shè)計(jì)洪水漫溢方案不同水深等級淹沒面積分布

4.2 極端洪水事件洪災(zāi)損失預(yù)測

由洪災(zāi)損失評估結(jié)果（表3～表6）可知，淹沒家庭財(cái)產(chǎn)損失所占的比重最大；其次為居民房屋損失；第三產(chǎn)業(yè)損失所占比重較小。這主要是因?yàn)楹Ｓ蜗饔蚓用竦刂饕蟹植荚诤Ｓ蜗⑼づ韵?、珠岙溪等河流附近，易受洪?zāi)的影響，并且三門縣多山地，居民地所處的海拔較低所導(dǎo)致。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上看，居民房屋和家庭財(cái)產(chǎn)損失相對嚴(yán)重，其次是工商業(yè)損失和道路損失，而農(nóng)業(yè)損失較輕。

表3 海游溪流域發(fā)生P=1%設(shè)計(jì)洪水漫溢方案不同水深等級受影響人口分布

表4 海游溪流域發(fā)生P=1%洪水漫溢方案不同水深等級影響各類資產(chǎn)分布

表5 洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失估算 單位：萬元

表6 淹沒地物統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

（1）本文采用MIKE FLOOD 構(gòu)建海游溪流域一二維水動力模型，根據(jù)沿海地區(qū)地形地貌和水文氣象特征，設(shè)置上游洪水、區(qū)間暴雨和下游潮位為致災(zāi)因子，通過數(shù)值模擬得到100年一遇設(shè)計(jì)洪水情景下淹沒范圍、淹沒水深等水情信息，能夠?yàn)檠芯繀^(qū)域防洪調(diào)度管理提供了科學(xué)決策依據(jù)。

（2）本文對海游溪流域100年一遇設(shè)計(jì)洪水情景下洪水淹沒進(jìn)行了模擬，對洪水損失進(jìn)行了預(yù)測評估，結(jié)果表明海游溪流域防洪薄弱區(qū)沿河居民區(qū)受洪災(zāi)影響較大。海游溪流域通過上游水庫調(diào)洪和重點(diǎn)防洪區(qū)域防洪堤壩的建設(shè)能夠保證部分區(qū)域不發(fā)生洪水淹沒，但其下游入?？诩暗谭牢催_(dá)標(biāo)區(qū)域仍存在洪水風(fēng)險(xiǎn)，其防洪體系仍需進(jìn)一步完善。