防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用

张庆梓　刘小龙　陈俊鸿　彭思韦

（1.河海大学　南京　210098　2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京　210029）

防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用

张庆梓1刘小龙2陈俊鸿1彭思韦1

（1.河海大学南京2100982.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210029）

为准确合理地进行洪水演进模拟，完成防洪保护区的洪水风险图编制工作，本文建立了能够对防洪保护区溃堤洪水进行模拟的一、二维耦合水动力学模型。一维水动力学模型采用有限差分法求解，二维水动力学模型采用二维有限体积法求解浅水流方程组。模拟结果表明，与传统方法相比该模型能有效提高复杂区域内模型计算效率，所得信息可为防洪决策部门提供参考依据。

水动力学一、二维耦合模型洪水风险分析药湖联圩

1　引言

水动力数值模拟技术可以广泛地应用于灾害预警、避险转移、洪水影响评价、洪泛区管理等方面，为相关部门提供有力的决策支撑。目前，一维动力学模型主要用于长河段的洪水演进预报，主要优点是可以快速、准确地模拟复杂河网的水位、流量过程，同时在处理河道上的一些建筑物（如闸门、泵站等）时非常灵活方便。但溃堤后的洪水具有明显的二维特性，对于防洪保护区，水流运动复杂，人工建筑物（如房屋、道路等）常常改变水流流向，二维动力学模型更适宜进行此类复杂的水流运动模拟。相对于一维水动力学模型而言，二维水动力学模型能够提供更加丰富的计算信息，如洪水到达时间、淹没范围、淹没水深、淹没历时等。但二维水动力学模型也存在计算时间较长、对地形资料要求较高、在洪水风险图系统中数据调用效率较低等问题。对于解决具有多空间尺度的实际问题（如河道溃堤及溃堤水流演进问题），针对不同的研究区域，运用不同的数学模型，充分发挥模型各自的优势，满足实际需要与提高模型计算效率很有必要。

本文运用地理信息系统，整合防洪保护区地形、道路及建筑物等空间信息，建立基于防洪保护区一维河网模型与二维保护区模型一、二维水动力耦合模型，对道路进行抽稀处理后，将道路和堤防作为保护区内的挡水建筑物处理。将模型运用于药湖联圩防洪保护区的风险图制作中，能够合理反映保护区内人为设施对洪水演进的影响，使模拟结果更接近真实洪水运动情况。

2　基于水动力一二维耦合模型的药湖联圩防洪保护区洪水模拟

2.1研究区介绍

药湖联圩防洪保护区位于锦江下游南岸，江西省丰城市与南昌市新建区交界处，保护区面积166km2。保护区内河系众多，降水主要特点是降水量多、强度大、时空分布不均、年际和季节分配上有明显的季节性和地区性的变化规律。区域内共有人口7.93万，耕地面积15.6万亩。区域内国内生产总值145627万元（工农业生产总值56826万元，其中工业生产总值30742万元，农业生产总值15423万元）。

2.2模型建立

2.2.1河网模型

2.2.1.1断面整理

河道断面是河网模型计算的最基本的单元，断面数据的准确性直接影响到模型计算结果的精确程度。根据掌握资料的不同，断面的处理按如下两种方式分别进行。对有实测大断面资料的河道，直接利用实测的断面数据，包括大地坐标、相应点高程、糙率等信息。在影像地图上人工勾勒河道中心线，构建河段，创建横断面、河岸（线）、河道边界、河岸连接等。对无实测断面的河道，采用地形文件生成河道大断面。以0.5km左右为断面间距，由上游向下游逐一在地面模型上切割出大断面。

药湖联圩防洪保护区模型共创建断面172个，如图1所示。

2.2.1.2河道中心线

河道中心线为河段基本组成单元，通过空间位置与横断面线创建连接，两个断面的中心线长度即为两者之间的河流长度。药湖联圩防洪保护区外洪模型共创建3个河段，总长度65km。内洪内涝模型共创建20个河段，总长度为172.3km。

2.2.1.3水工建筑物

此次模型构建中所需概化的水工建筑物主要为自流排洪闸，这一类水工建筑物创建于断面之间或者保护区与河道断面之间，以连接型对象概化。该项目外洪模型不考虑闸门、泵站，内洪内涝模型共创建自流排洪闸3个。

2.2.1.4边界条件

药湖联圩防洪保护区洪水分析模型的河网结构如图2所示，可见：对于外洪模型，锦江一维河道模型的外边界条件为高安站、市汊站的实测/设计洪水流量过程；对于内洪内涝模型，锦江边界条件与外洪相同，导托以上集水区边界条件为相应的设计洪水过程，保护区区域为降水边界条件，外河、内河、导托均通过河岸线溢流连接以及溃口与保护区二维模型连接，保护区内河通过水闸调度连接到锦江。

2.2.1.5模型率定

一维水动力学模型参数主要为河道糙率，根据2010年5月21～28日锦江实况洪水进行率定，上边界为高安站实测流量过程，下边界为市汊实测水位。经率定，锦江糙率为0.03。松湖街站计算水位与实测水位的对比结果，见图3。

与率定期相应，将2012年5月11～18日松湖街站的计算水位过程与实测水位进行对比，如图4所示。从图4可以看出，在验证场次洪水模拟中，计算的松湖街站的水位变化趋势、最高洪水位到达时间与实测水位基本一致，最大水位误差不超过20cm。

2.2.2洪泛区二维模型

2.2.2.1地形处理

地形数据是二维模型网格剖分的基础，直接影响着洪水分析结果。本次药湖联圩防洪保护区的DEM为1∶10000的数据，以此数据进行地面模型的构建。

2.2.2.2区域降雨处理

药湖联圩防洪保护区内降雨直接降到二维计算网格上，根据网格之间的高程差别，采用二维模型计算方法计算汇流过程，当淹没水深高于河流两岸高程时，河道与淹没区域产生水流交换。

2.2.2.3线状地物处理

药湖联圩防洪保护区内线状地物处理主要为道路、堤防的处理。由于原始道路节点间距不规则，划分网格时容易产生小网格，对模型计算不利，为此，需要对道路的节点进行均匀化，即抽稀处理。另外，鉴于原始道路图层缺少高程值，在道路抽稀完成后，利用测量的道路高程值对其进行赋值，对于缺测的部分，则利用DEM进行补充。

此次道路抽稀长度控制为100m一个节点，然后根据道路测量高程点对道路进行打断，并将高程点作为分段道路的高程，之后对交汇点进行修正，使所有交汇点都完全拟合，作保护区内挡水建筑物处理。该区域共概化道路、堤防共计477段。

图1　断面处理示意图

图2　模型河网结构图

图3　松湖街站率定期（2010年）实测水位与计算水位对比图

图4　松湖街站验证期（2012年）实测水位与计算水位对比图

2.2.2.4网格剖分

采用非结构不规则网格对药湖联圩防洪保护区计算区域进行网格划分，网格设计成大小不等的三角形、四边形，使网格的大小随地形地势和阻水建筑物的分布灵活确定，而且尽可能地将影响水流的阻水建筑物作为网格边界，充分反映计算域的特征。但是，必要的时候对保护区内的一些典型的线性阻水建筑物，如堤防、公路等，经合理概化，并对网格适当加密，在二维地形中充分反映其特征。对于四边形网格，边长不超过300m，对于不规则三角形网格，最大网格面积不超过0.1km2，重要地区、地形变化较大部分的计算网格适当加密。

该项目采用2D区间概化二维模拟区域，2D区间以面状对象概化，最大三角形面积为20000m2。糙率则根据下垫面条件的不同分别确定。

网格划分时以计算域外边界、区域内堤防、阻水建筑物、较大河渠、主要公路、铁路作为依据，采用无结构不规则网格。药湖联圩防洪保护区外洪模型共生成计算网格160076个，内洪内涝模型共生成计算网格67940个。

2.2.2.5一二维耦合模型

将药湖联圩防洪保护区一维河网模型与二维洪泛区模型进行耦合，构建最终的洪水分析模型。选定侧堰流公式来实现溃口上下游水流信息的交互。在溃口处二维计算单元通过多个网格点与一维计算单元连接，由于一维模型计算结果中的水力参数是物理量的断面平均值，二维模型计算出的变量是各网格中心处的节点值，因此在溃口连接处需要对一维、二维模型的交换数据进行转化和衔接。一维模型为二维模型提供流量值Q作为二维模型的边界条件，将Q值分布到二维计算单元的各节点上；在连接处二维计算网格的水位值并不相等，因此取各个计算网格的平均水位值Z返回给一维模型，以进行下一时段的计算。一、二维耦合模型的求解过程见图5所示。

2.3模拟结果及分析

由于该项目难以考虑药湖联圩防洪保护区的退水方案，模型的计算时间一般设置为7d，模型需计算至外江水位低于防洪保护区内部水位时，形成自然的退水过程为止，因此，模型计算出洪水淹没历时结果较长。其次，由计算结果可知，溃口附近洪水流速较大（1m/s以上）；溃堤洪水主流区域流速达0.5～1.0m/s，溃口附近区域的洪水到达时间均在3h以内。

图5　耦合模型的求解过程图

表1　各外洪方案水量平衡验证表

另外，从防洪保护区内的淹没分布来看，基本遵从地形高低的原则，无论哪种方案下，由于进洪周期比较长，进洪量一般都较大，保护区内的淹没水深基本都大于3m。

药湖联圩防洪保护区洪水模型能够较精确的模拟保护区内水流分布特征。可以得到不同类型洪水、不同溃口条件下，防洪保护区内的最大淹没水深、洪水到达时间、洪水淹没历时、洪水淹没范围图等洪水风险要素。

2.3.1水量平衡分析

对两种外洪类型洪水、三个不同溃口条件下，药湖联圩防洪保护区内的水量平衡进行分析。结果表明，模型对于水量平衡计算的相对误差基本控制在0.1%以内，误差相对较小，模型计算结果基本合理，见表1。

2.3.2流场合理性分析

通过分析可知：总体上，溃口处进洪量大，故其溃口处流速较大并密集向四周散开；平缓地带的流场分布基本遵循防洪保护区内地势高低的原则，由地势高的地方向地势低的地方扩散；碰到铁路、高速和堤防时，首先通过桥涵进行演进，桥涵处流速有所增大，直至水位抬升后漫过道路和堤防，继续向另一侧演进；在遇到河流时，首先在河道内进行演进，进而漫堤向河道两侧扩散，河道内流速略大；整个计算过程中该区域洪水演进稳定无紊乱现象，流场分布基本合理。

3　结语

本文建立的一二维耦合的水动力学模型，可模拟防洪保护区的洪水演进过程，计算结果合理可靠，能够满足《洪水风险图编制技术细则（试行）》中的模型验证要求。在药湖联圩防洪保护区的洪水模拟中，虽然二维数值计算更准确且能获得更多的水力要素，但河道内采用二维数值计算会增加储存的数据量，影响洪水风险系统调用数据的效率。本文采用的一二维耦合水动力学模型进行洪水演算能有效的提高洪水模拟的精度，提供可信度较高的洪水风险评估，为科学进行洪水管理提供可靠依据