基于MIKE FLOOD模型的湟水河上游洪水风险评估

2017-03-22盖永岗张瑞海

中国农村水利水电 2017年7期

韩岭，盖永岗，刘杨，张瑞海

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003)

0 引言

我国是世界上洪水灾害多发的国家之一，近年来，受全球气候变化的影响，暴雨极端天气频发，对于山区性河流，这种突发暴雨所引起的洪水对其影响更为显著，对河流两岸居民的生产生活造成了巨大影响，加之部分河流的防洪工程建设滞后，防洪应急管理能力不足，出现了严重的洪水灾害。随着防洪理念由控制洪水向洪水管理的转变，洪水数值模拟已成为洪水风险图绘制、洪水风险分析、洪水损失评估的一个重要手段，是洪水管理的科学依据[1-3]。

目前比较流行的水动力数值模拟软件有荷兰的Delft 3D模型[4,5]、英国的InfoWorks RS模型[6]、丹麦的MIKE模型[7,8]及其他自主开发的软件模型[9-11]，虽然这些软件在功能实现、计算算法和建模方法上各有不同，但都得到了广泛的使用和工程验证，具有很高的可信性。其中MIKE模型因其强大的前、后处理功能，是目前世界范围内应用最为广泛的水力学模型之一[12-18]。针对湟水河上游段的河道特征及地形地貌，本文拟采用MIKE FLOOD 模型建立该河段的一二维耦合水动力学模型，对不同量级的洪水方案进行模拟，获得不同水文要素的时空分布及洪水淹没信息。

1 研究区概况

湟水流域位于青藏高原与黄土高原的过渡地带，地势西北高、东南低，境内高山、丘陵交错分布，高差悬殊，区域内地形多变，有高山、中山、黄土覆盖的低山丘陵和河谷盆地，古老基地局部隆起形成峡谷，分隔了中生代断陷盆地，各盆地呈串珠展布。湟水流域夏秋多暴雨，沿途沟道发育，山区地面坡降陡，汇流时间短，易在短时间内形成洪峰，引起河道水位暴涨，使人民生命财产遭受严重损失。根据湟水干流的地形地貌特征，湟水干流分为上、中、下游三段。西宁以上为上游，河段长174 km左右，面积9 022 km2，落差1 976 m，平均比降1.14%；西宁至民和为中游，民和以下为下游。

本次研究区域为湟水上游的东大滩水库溢洪道坝下至湟中县多巴镇黑嘴桥河段，河道长约56.2 km，研究范围40.8 km2，河道细长弯曲属于典型的山区性河道。湟水河上游河道干流主要流经湟源县和湟中县，其中湟源县境内河道长约41.9 km，已建堤防(护岸)长度34.68km，其中左岸14.4 km，右岸20.28 km，防洪标准为50年一遇；湟中县境内河道长约14.26 km，已建堤防长度7.7 km，其中左岸4.03 km，右岸3.67 km，防洪标准为30年一遇，防洪工程建设情况见表1。

表1 湟水河上游段防洪工程统计表Tab.1 The upper reaches of Huangshui River flood control projects statistical

2 模型原理

2.1 一维模型原理

河道一维模型采用MIKE11水动力模块，模型基本方程为圣维南方程组，包括质量守恒方程(连续方程)和动量方程：

(2)

式中：q为旁侧流量；Q为总流量；s为距离坐标；V为断面平均流速；h为水深；A为过水断面面积；i为渠底坡降；C为谢才系数。

Mike11模型采用6点Abbott～Ionescu有限差分格式对圣维南方程组求解，该模型基于反映有关物理定律的微分方程组，并对微分方程组进行线性化的有限差分格式，以及求解线性方程组的算法。

2.2 二维模型原理

河道外二维区域采用MIKE21 FM (非结构化网格)水动力模块建模，其原理基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，服从布辛涅斯克假设和静水压力假设：

h=η+d

(3)

连续方程：

(4)

动量方程：

(5)

(6)

(7)

2.3 模型耦合

河道一维模型(MIKE11)和河道外二维模型(MIKE21)通过MIKE FLOOD模块连接在一起，成为动态耦合地模型系统，使模型既继承了一维和二维模型的优点，又避免了采用单一模型时遇到的网格精度和准确性方面的问题。本文通过侧向连接方式将一维模型连接到二维模型中，在计算时，一二维模型同时计算，在连接处进行动量传递，可以较好地模拟洪水汇入河道的汇流过程和洪水从河道漫溢到堤防外的淹没过程。

3 模型建立与验证

3.1 一维模型构建

根据研究区域的基础地理信息数据提取水系图层文件，构建湟水河上游段河道一维模型(MIKE11)的河网文件。为保证建立模型的合理性，在一维水动力学模型中，堤防(护岸)在河道断面文件中以堤岸的形式体现在模型中；引桥路基则根据距离该处最近的河道上下游断面形态，通过适当修正以河道断面的形式加入模型中；拦河闸坝通过添加河道建筑物中的溢流堰加入模型中。

根据河道断面设计资料以及相关实测资料，湟水河上游河道平均300 m设置一个断面，共设置河道断面144个，其中河道断面116处，引桥路基断面28处；概化拦河闸坝13座，一维水动力学河网概化见图1。

图1 一维水动力学模型河网概化图Fig.1 River network generation of 1D model

3.2 二维模型构建

湟水河上游段河道外采用二维水动力学模型(MIKE21)进行搭建。湟水河上游二维水动力学模型计算区域面积为40.8 km2。将计算范围边界线及网格剖分的分区线图层文件导入MIKE21 FM模型，为满足模型计算精度，分区设定网格剖分最大面积、最大角度等参数，然后生成网格。二维模型网格节点数37 533个，网格数为60 435个，平均网格面积1 587 m2，单网格最大面积为10 000 m2，最小面积46 m2，网格剖分结果见图2。

图2 二维水动力学模型网格剖分图Fig.2 Mesh generation of 2D model

对各计算分区进行网格剖分后，采用1∶2 000比例尺的DEM高程数据，进行网格高程插值，得到二维模型的地形云图。

在湟水河上游二维水动力学模型建立过程中，高速、国道等阻水线状地物均以堤防建筑物的形式加入模型中，不考虑风、浪、潮汐、温度、盐度等因素的影响。

3.3 边界条件

研究区域内的MIKE11一维水动力学模型上游开边界为东大滩水库尾水断面的设计流量过程线，下游开边界为湟水河黑嘴桥河道大断面的水位流量关系，见图4。

图3 黑嘴桥断面水位流量关系Fig.3 Relationship between water level and water level in the section of HEI Zui bridge

湟水干流两岸支流众多，上下游干支流的洪水常有遭遇的情况，设计洪峰沿程逐渐增加。为保证湟水河上游干流河段洪水分析的连续性，且各断面均能达到设计洪峰流量数值，在洪水分析时，干支流交汇处均假设以支流汇合口上下游断面同频，各支流(区间)相应。根据湟水河干流上段洪水设计成果资料，分别在胡旦桥、大路桥、石崖庄、西纳川入汇口处将区间设计洪水过程作为点源加入，使干流上下游洪水与设计洪水保持一致。东大滩尾水断面和各点源洪峰流量，见表2。

表2 上边界及点源洪峰流量 m3/s

研究区域内的MIKE21二维水动力学模型中除开边界外，其余边界为固定边界。开边界通常指计算区的出流和入流边界。研究区域内河道外二维水动力模型的入流设置通过MIKE FLOOD耦合模型一二维侧向连接实现，二维模型本身不再设置出入流边界。

3.4 耦合参数

由于一维模型中的构筑物高程和二维模型中的网格地形存在偏差，且本次研究区域内的地形采用较为精细的1∶2 000的地形图，为了更为准确的模拟洪水漫堤的情况，耦合模型中堰的底高程采用二维模型的单元高程。

3.5 模型参数率定

湟水河上游段河道一维水动力学模型率定选用2010年石崖庄站(湟源站)实测的水位进行率定。采用2010年7月7日场次洪水流量过程作为模型上游边界条件，进行洪水演进模型计算，提取计算成果中石崖庄水文站观测断面所对应模型河道断面的水位与流量结果文件，分析整理后与石崖庄水文站实测资料进行对比分析，分析结果见表3。

表3 石崖庄站断面水位流量关系实测与计算对比表Tab.3 Relationship between water level and water level in the section of SHI Yazhuang

从表3中可以看出：模型计算水位与实测水位相差较小，基本一致。考虑到模型本身等误差，可以认为湟水河上游段一维水动力学模型模拟效果良好，模型参数设置合理。

二维水动力学模型建模中，需要着重分析论证的是二维模型地形糙率。根据《洪水风险图编制技术细则》[19]、《水力计算手册》[20]等资料，对不同下垫面赋予不同的糙率值。为保证模型计算精度，根据研究区域内的土地利用类型为每个网格设定不同的糙率值，通过插值得到计算区域糙率值云图，见图4。研究区域内的主要土地利用类型包括耕地、居民地、滩地、林地、草地等，其分布比例见表4。

图4 二维模型地面糙率值云图Fig.4 Surface roughness map of two dimensional model

表4 土里利用类型分布情况表 %

3.6 模型验证

根据洪水资料的收集情况，本次模型验证采用相关设计报告中并已正在实施的湟水河八败沟至石板沟河段的设计水面线，对河道模型进行参数验证。

选取湟水河八败沟至石板沟河段9个断面进行模型验证，通过对比分析，设计报告水位和本次计算水位相差比较小，可以认为模型搭建合理。水面线对比见表5。

表5 湟水河上游段一维河道模型水面线成果对比表Tab.5 Contrast of water line results of the one-dimensional channel model of the upper reaches of Huangshui River

4 计算结果与风险分析

根据洪水分析计算方案，研究区域内发生10年一遇洪水时，主要在下胡旦桥至大路桥河段及果米滩河段、石板沟村河段、扎麻隆村以下河段漫溢；发生50年一遇洪水时，主要在下胡旦桥至大路桥河段及石崖庄至多巴镇河段漫溢；发生100年一遇洪水时，主要在下胡旦桥至大路桥河段及湟源县城内的立达桥至东风桥段、石崖庄至黑嘴桥全段漫溢，且漫溢最大范围都发生在洪峰到达河道断面的时刻。

研究区域内10年、50年和100年一遇淹没水深面积分别为0.47、2.26和2.46 km2，随着洪水量级的增加，淹没总面积逐渐增大。不同频率洪水淹没主要集中在0.05～2.5 m之间，淹没面积占到总淹没面积的95%以上，研究区域内的洪水淹没风险情况见图5。

图5 湟水河上游段洪水淹没风险图Fig.5 Inundation risk map of the upper reaches of Huangshui River flood

结合目前研究区域内防洪工程的现状，湟水河大路桥—八败沟段堤防防洪标准为50年一遇，八败沟—石板沟段堤防防洪标准为10年一遇，多巴镇—黑嘴桥堤防防洪标准为30年一遇，由图5可知，当发生10年一遇及50年一遇洪水时，湟源县大路桥至湟源县城段洪水不出槽；在遭遇超标准洪水(100年一遇洪水)时，在湟源县城段局部洪水漫溢出河槽进入城区；在遭遇10年、50年、100年一遇量级洪水时，均在局部河段存在漫溢情况，并且随量级增大其洪水要素也逐渐增大。