基于MIKE21模型的河口地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

和宛琳，王 振

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

河口地區(qū)是濱海城市環(huán)境特色最鮮明、形象最具代表性、活力最充盈和土地價(jià)值最寶貴的區(qū)域，土地開(kāi)發(fā)建設(shè)速度加快，人水爭(zhēng)地矛盾突出，天然排洪空間萎縮，同時(shí)，河口地區(qū)一般地處臺(tái)風(fēng)走廊，地勢(shì)平坦，特殊的地理位置和自然條件造就了河口地區(qū)面臨洪、澇、潮災(zāi)害交織的風(fēng)險(xiǎn)，水安全已成為河口地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)中面臨的首要難題。

水動(dòng)力學(xué)模型能夠模擬得到較詳細(xì)的淹沒(méi)要素時(shí)空分布，包括淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)及流速等，是目前運(yùn)用最廣泛的分析手段[1]。丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE系列模型是國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的一款商業(yè)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，曾在丹麥、埃及以及中國(guó)等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[2- 7]。針對(duì)我國(guó)河口地區(qū)洪澇潮問(wèn)題，王秀杰等[8]構(gòu)建一、二維耦合模型，以河道洪水、暴雨以及風(fēng)暴潮為洪水來(lái)源，模擬多重現(xiàn)期洪水情境下的潰漫堤淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，借鑒金融風(fēng)險(xiǎn)管理中風(fēng)險(xiǎn)度量和期望理論模擬研究，提出圍海工程對(duì)工程附近水環(huán)境動(dòng)力特征和泥沙回淤的影響；劉睿哲等[10]通過(guò)對(duì)“天鴿”風(fēng)暴潮的模擬，驗(yàn)證了MIKE21模型和Holland風(fēng)場(chǎng)構(gòu)建的天文潮以及二維風(fēng)暴潮模型的可靠性。以往研究表明，MIKE系列軟件可較好的應(yīng)用于河口地區(qū)洪澇潮影響分析。

本文針對(duì)大洪水時(shí)多條河流漫溢行洪，下游遭遇風(fēng)暴潮的河口地區(qū)，以萬(wàn)泉河為例，構(gòu)建設(shè)計(jì)洪水、設(shè)計(jì)澇水疊加外海風(fēng)暴潮的洪澇潮水模擬模型，針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，模擬復(fù)雜水力條件下洪水漫溢及演進(jìn)過(guò)程，以期為萬(wàn)泉河河口地區(qū)防洪體系完善、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)和支撐。

1 MIKE21模型原理

萬(wàn)泉河河口地區(qū)二維水動(dòng)力模型，計(jì)算原理依據(jù)的是描述水流運(yùn)動(dòng)的二維非恒定流方程組，包括3個(gè)方程：水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動(dòng)量方程及水流沿y方向的動(dòng)量方程，形式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，x，y—直角坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)，m；u，v—x，y方向的流速分量，m/s；z，h—x，y處的水位和水深，m。

根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時(shí)刻在(x，y)處的水位z、水深h以及x，y方向的流速u，v。模擬中考慮了線狀阻水地物如堤防、道路及橋涵對(duì)洪水演進(jìn)的影響。

2 洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

2.1 區(qū)域概況及計(jì)算方案

萬(wàn)泉河位于海南島東南偏東部，是海南島第三大河流，流域面積3693km2，是我國(guó)未受污染、生態(tài)優(yōu)美的熱帶河流，被譽(yù)為中國(guó)的“亞馬遜河”。萬(wàn)泉河加積壩以下的河口地區(qū)在2001年成立博鰲亞洲論壇，2013年國(guó)務(wù)院正式批復(fù)設(shè)立博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)。一方面，萬(wàn)泉河流域上游水利樞紐控制洪水能力有限，中下游地區(qū)地勢(shì)平坦低洼，堤防建設(shè)滯后，已建堤防不足18km，大部分河段不足10年一遇防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)，防洪潮體系不完整；另一方面，萬(wàn)泉河下游貫穿規(guī)劃建設(shè)中的博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)，新區(qū)的發(fā)展離不開(kāi)濱河岸灘土地資源的開(kāi)發(fā)利用，但防洪安保亦需要足夠的行洪河道。2016年規(guī)劃建設(shè)中的樂(lè)城先行區(qū)已建園區(qū)遭受臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”的正面襲擊，造成較為嚴(yán)重的洪澇損失。因此，研究萬(wàn)泉河河口地區(qū)存在的防洪潮風(fēng)險(xiǎn)已迫在眉睫。

萬(wàn)泉河河口地區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于萬(wàn)泉河、塔洋河、九曲江大洪水時(shí)的漫溢行洪、暴雨內(nèi)澇以及風(fēng)暴潮引發(fā)的海水倒灌。根據(jù)1976—2020年萬(wàn)泉河流域加積站實(shí)測(cè)洪峰流量和港北(外)實(shí)測(cè)洪潮資料分析，45年里僅有1985、1994年2年中，加積站年最大洪水和港北(外)站年最高潮位出現(xiàn)在同一天，且均未造成河口災(zāi)害，故認(rèn)為洪潮遭遇機(jī)率較小，且遭遇情況不惡劣。因此計(jì)算方案分為以洪為主和以潮為主2種情況，共設(shè)定3個(gè)計(jì)算方案，見(jiàn)表1，以下以淹沒(méi)情況最為嚴(yán)重的方案2進(jìn)行說(shuō)明。

表1 萬(wàn)泉河河口地區(qū)洪潮風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算方案表

2.2 洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

2.2.1模型范圍及模型關(guān)鍵技術(shù)

選用MIKE21建立萬(wàn)泉河河口地區(qū)二維非恒定流模型，模型以萬(wàn)泉河河道為軸線，上至加積壩，下至入?？?，河道兩岸充分考慮降雨匯流方向，總體上以流域分水嶺為界，面積132.6km2，模型計(jì)算范圍內(nèi)萬(wàn)泉河河長(zhǎng)24km。

萬(wàn)泉河河口地區(qū)河網(wǎng)密布，由第三方軟件GEOPAK Civil對(duì)模型范圍內(nèi)的萬(wàn)泉河干流和主要支流進(jìn)行三維開(kāi)挖，然后將開(kāi)挖數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型插值，從而得到反映完整河網(wǎng)形態(tài)的高精度網(wǎng)格。采用此種方法構(gòu)建的二維模型，一方面避免了分別構(gòu)建各河流的一維河道洪水演進(jìn)模型，再與二維平面區(qū)域模型進(jìn)行耦合存在的工作量大、模型不穩(wěn)定，及耦合點(diǎn)地形不匹配，洪水無(wú)法在耦合點(diǎn)自由交換等問(wèn)題，另一方面也更好地模擬了洪水的自然匯流過(guò)程。高出地面0.5m以上的道路等線狀阻水地物，以DIKE的方式加入二維模型，其下橋涵以CULVERT的形式設(shè)置。模型信息見(jiàn)表2。

表2 二維模型信息表

2.2.2邊界條件確定

模型控制邊界主要包括上游入流(萬(wàn)泉河加積站設(shè)計(jì)洪水過(guò)程)、區(qū)間入流(塔洋河和九曲江設(shè)計(jì)洪水過(guò)程及設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程)及下游出流(設(shè)計(jì)潮位過(guò)程)。

(1)入流邊界條件。萬(wàn)泉河加積站控制流域面積3236km2，上游牛路嶺水庫(kù)、紅嶺水庫(kù)控制流域面積分別占加積站控制面積的38.2%和23.0%，因此，加積站設(shè)計(jì)洪水考慮2水庫(kù)調(diào)蓄影響，按照同頻率和典型年2種地區(qū)組成方法分別進(jìn)行計(jì)算；經(jīng)過(guò)比選及與歷史成果對(duì)比，最終采用對(duì)加積偏不利、1970年典型年法成果。九曲江、龍滾河流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，根據(jù)1991年廣東省暴雨參數(shù)等值線圖查算暴雨參數(shù)，采用綜合單位線法推算2條河流入萬(wàn)泉河口處設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

萬(wàn)泉河加積斷面、塔洋河、九曲江20年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程如圖1所示。

圖1 模型入流邊界各河流20年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

(2)出流邊界條件。萬(wàn)泉河下游河段出口受潮位頂托，出流邊界條件為入?？谔?0年一遇設(shè)計(jì)潮位。萬(wàn)泉河入?？诟浇鼰o(wú)實(shí)測(cè)潮位資料，設(shè)計(jì)潮位由港北、清瀾站兩站的設(shè)計(jì)潮位平均值，同時(shí)疊加未來(lái)海平面上升趨勢(shì)值得到，成果如圖2所示。

圖2 萬(wàn)泉河入海口10年一遇設(shè)計(jì)潮位過(guò)程

2.2.3模型參數(shù)驗(yàn)證

按照模型應(yīng)用的一般步驟，應(yīng)該首先選擇2—3場(chǎng)洪水資料率定模型參數(shù)，但由于研究區(qū)缺少必要的實(shí)測(cè)資料，本文直接根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，初步選定相關(guān)參數(shù)，然后再借助有限的實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證參數(shù)的合理性。糙率(n)是水力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，反映了區(qū)域地表、河道底部以及岸坡影響水阻力的綜合系數(shù)。在二維地表產(chǎn)匯流模型中，糙率以曼寧值表示(單位m1/3/s)，按公路、農(nóng)田、綠地、建筑用地、村莊房屋、樹(shù)林、水面等細(xì)分各類下墊面，并分別賦予不同的糙率值。根據(jù)《萬(wàn)泉河流域水生態(tài)文明建設(shè)與綜合治理總體方案》及《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘，河道及各下墊面糙率取值見(jiàn)表3。

表3 河道及各下墊面糙率取值表

由于模型計(jì)算范圍內(nèi)萬(wàn)泉河僅有加積水文站，且位于模型計(jì)算范圍最上端，水文數(shù)據(jù)無(wú)法用來(lái)驗(yàn)證模型，因此采用實(shí)測(cè)洪痕數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2016年臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”在瓊海市登陸，實(shí)測(cè)加積站最大洪峰流量4820m3/s，洪水量級(jí)約為3年一遇。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，模型范圍內(nèi)共收集到3處洪痕點(diǎn)。采用2016年10月13日萬(wàn)泉河加積站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程和塔洋河、九曲江對(duì)應(yīng)量級(jí)的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程作為入流，進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)洪水位對(duì)比見(jiàn)表4。由表可知，3處調(diào)查洪痕模擬水位與調(diào)查水位差值在0.20m范圍內(nèi)，故認(rèn)為模型參數(shù)選取基本合理。

表4 模型模擬與實(shí)測(cè)洪痕對(duì)比表

3 洪水演進(jìn)結(jié)果分析

根據(jù)所建萬(wàn)泉河河口區(qū)域二維水動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)態(tài)模擬其遭遇方案2情況下的洪水演進(jìn)過(guò)程，采用非恒定流水動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算萬(wàn)泉河不同斷面實(shí)時(shí)水位和流量以及漫溢洪水演進(jìn)過(guò)程中任一網(wǎng)格不同時(shí)刻的洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)要素。結(jié)果顯示各方案的流場(chǎng)分布與DEM整體高程分布一致，洪水流動(dòng)的趨勢(shì)遵循從高到低的原則，考慮滲漏損失的情況下，模型總體滿足水量平衡。

3.1 淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)模擬結(jié)果，方案2情況下萬(wàn)泉河河口地區(qū)河段兩岸漫溢情況較為嚴(yán)重，淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)大。5d 120個(gè)模擬時(shí)段中最大淹沒(méi)水深分布情況如圖3所示。

圖3 最大淹沒(méi)范圍圖

根據(jù)上邊界入洪過(guò)程，從模擬的第43個(gè)時(shí)段開(kāi)始，隨著洪水流量的快速增加，洪水逐漸出槽漫溢行洪，初期主要集中在加積壩下游的萬(wàn)泉河右岸，到第56個(gè)時(shí)段，洪峰達(dá)到最大，萬(wàn)泉河左右岸及樂(lè)城島、沙坡島、東峪島均有不同程度的淹沒(méi)，模型范圍內(nèi)最大淹沒(méi)面積45.06km2(不含水域面積24.60km2)，最大淹沒(méi)水深3.75m，而后洪水逐漸消退，至第80個(gè)時(shí)段基本消退。

3.2 規(guī)劃博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析

樂(lè)城先行區(qū)位于瓊海市嘉積區(qū)和博鰲論壇核心區(qū)之間，橫跨萬(wàn)泉河兩岸，規(guī)劃面積20.9km2，規(guī)劃總體空間結(jié)構(gòu)為“雙心六片”，雙心即萬(wàn)泉河北岸的綜合服務(wù)中心和南岸的綜合康養(yǎng)中心；六片即6個(gè)主要的醫(yī)療旅游功能組團(tuán)。樂(lè)城先行區(qū)于2015年開(kāi)始建設(shè)，截止2019年底，已建(在建)園區(qū)15個(gè)，以醫(yī)療康養(yǎng)為主要功能，集中在萬(wàn)泉河右岸的規(guī)劃區(qū)南部。

以洪為主20年一遇方案下，樂(lè)城先行區(qū)陸域面積12.9km2范圍內(nèi)淹沒(méi)影響區(qū)域達(dá)9.21km2，平均淹沒(méi)水深1.27m，最大淹沒(méi)水深2.37m，位于塔洋河支流翡翠灣溝左岸附近區(qū)域。其中萬(wàn)泉河左右岸規(guī)劃區(qū)淹沒(méi)面積分別為6.39、5.05km2，水深0.5m以上水深面積占比分別為59%、63%。15個(gè)已建園區(qū)中10個(gè)園區(qū)有洪水進(jìn)入，地勢(shì)較低的博鰲超級(jí)醫(yī)院四周最低處淹沒(méi)水深超過(guò)了1.0m。樂(lè)城島面積約146萬(wàn)m2，僅有6萬(wàn)m2未被淹沒(méi)，淹沒(méi)比例達(dá)到了96%，島上最大淹沒(méi)水深6.1m，平均淹沒(méi)水深2.6m，55%的面積淹沒(méi)水深達(dá)到了2.0m以上。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文基于MIKE21構(gòu)建了洪澇水與風(fēng)暴潮共同作用下的萬(wàn)泉河河口地區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)模型，能夠有效模擬萬(wàn)泉河河口地區(qū)洪水演進(jìn)過(guò)程及風(fēng)險(xiǎn)分布特征，結(jié)果較為合理可靠，相關(guān)成果已應(yīng)用于博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)水安全保障方案和控制性詳細(xì)規(guī)劃修編中[11]。

(2)健康的城市發(fā)展建設(shè)，是在遵循河流自然進(jìn)程基礎(chǔ)上的可選擇性開(kāi)發(fā)，是一種彈性的發(fā)展模式[12]。萬(wàn)泉河河口地區(qū)規(guī)劃時(shí)應(yīng)處理好防洪規(guī)劃與城市規(guī)劃建設(shè)之間的關(guān)系，根據(jù)現(xiàn)狀防洪潮形勢(shì)，劃定防洪治導(dǎo)線，留足行洪通道；通過(guò)上游牛路嶺、紅嶺水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，中下游新建堤防，構(gòu)建“庫(kù)堤結(jié)合”的防洪體系及“排澇河道+蓄滯澇區(qū)+擋洪潮閘”組成的排澇體系，提高區(qū)域防洪澇(潮)標(biāo)準(zhǔn)，提升水安全保障能力，保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。