基于MIKE FLOOD模型的西北城市河道橡胶坝群洪水风险分析研究

刘 杨，张瑞海，韩 岭，刘 娟(黄河勘测规划设计有限公司, 河南 郑州 450003)

基于MIKE FLOOD模型的西北城市河道橡胶坝群洪水风险分析研究

刘 杨，张瑞海，韩 岭，刘 娟
(黄河勘测规划设计有限公司, 河南 郑州 450003)

由于西北城市河道比降大，暴雨和山洪形成河道洪水突发性强，河道橡胶坝群的修建改善了城市生态环境，同时也客观上增大了城市洪水风险。基于MIKE FLOOD水动力学模型，对西北城市橡胶坝群河道典型案例进行了一二维耦合水动力学模型计算，研究了在河道遭遇大洪水时橡胶坝群未塌坝运行的洪水动态演进情况，定量计算了对城市可能造成的淹没情况以及洪灾损失，指明了橡胶坝群未按照防汛预案采取度汛措施而造成的潜在洪水风险，并且提出了降低城市河道橡胶坝群洪水风险的建设管理措施。

MIKE FLOOD；橡胶坝群；西北城市河道；城市防洪；洪水风险

城市依水而生，因水而兴，河流穿城而过，成为城市不可缺少的组成部分。随着社会经济的发展，城市对河流的功能性需求不断提升，河流对于塑造城市景观、构建宜居环境、实现生态文明的作用日益突显，河道整治与水景观设计相结合，在河道上修建橡胶坝群[1-3]，营建景观水面则成为了城市河流治理的可行方案。

与此同时，城市河流橡胶坝群的修建也对城市防洪[4]造成了巨大影响，对防洪体系的建设提出了更高的要求。由于全球气候变化，极端气象频发，突发暴雨与山洪对于西北山区城市影响尤为显著，西北城市河道多级橡胶坝在不利工况甚至防汛预案无法及时启动情况下对城市的洪水风险影响是亟待论证分析的。本文基于MIKE FLOOD模型构建城市河道及城区一二维耦合水动力学模型，对西北城市大比降多级橡胶坝河道进行洪水风险分析研究。本研究选取巴音河德令哈市城区河段进行建模计算，对巴音河上八级橡胶坝概化模拟，进行洪水风险分析研究。

1 研究区域概况

巴音河为柴达木盆地第四大内陆河，流经青海省海西蒙古族藏族自治州首府德令哈市，本文研究区域即为巴音河德令哈市城区段，河道比降平均为13‰，河道比降较大，遭遇突发暴雨和洪水时，易在短时间内形成较大洪峰。巴音河德令哈市区段河道已经过整治，河道断面形态规整，河道防洪工程达到50年一遇防洪标准。在巴音河二级电站到旧青藏铁路桥之间约4.5 km河道上分布了八级橡胶坝，各级橡胶坝平均回水长度约400 m，形成景观水面。根据德令哈市防汛预案，进入汛期橡胶坝群塌坝运行，迎接洪峰，本文则针对突发情况下防汛预案未及时启动，洪峰到达时橡胶坝群没有完成塌坝运行的不利情况进行洪水风险分析研究。

2 模型原理

本文选用的洪水分析计算软件是丹麦DHI公司开发生产的DHI MIKE模型系列标准化商业软件，曾在世界多个国家和地区得到过成功应用[5-6]，其精度高、守恒性高、使用方便，是业界洪水分析管理研究的良好工具。本研究主要使用该系列软件中的MIKE 11、MIKE 21和MIKE FLOOD组件对研究区域建立一二维耦合水动力学模型进行仿真计算[7]。

2.1 一维模型原理

河道一维模型MIKE 11水动力模块采用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。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：

(1)

(2)

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

2.2 二维模型原理

巴音河河道外二维区域采用MIKE 21 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

本文采用MIKE FLOOD模块将河道内一维模型(MIKE 11)和河道外二维模型(MIKE 21)连接在一起，成为动态耦合的模型系统。它可以运用于复杂河网系统的模拟，既有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。

3 模型构建与验证

巴音河德令哈市城区河段中河道采用一维水动力学模型，河道外侧城区的洪水风险分析采用二维水动力学模型，并用MIKE FLOOD模型进行一二维模型耦合计算[8-14]。

3.1 建模范围

为全面反映洪水风险，根据历史洪水淹没范围及试算结果，确定巴音河一维建模范围是从黑石山水库溢洪道出口至茶德高速，河长约15.0 km，德令哈市城区二维模型为该段巴音河左右两岸各约4 km范围，二维模型建模面积为100.53 km2。详见图1。

图1 巴音河水动力学模型建模范围

3.2 一维模型构建

(1) 河网概化及河道断面设置。根据巴音河流域德令哈市区域基础地理信息数据提取整理的巴音河水系图层文件，构建巴音河德令哈市城区河段河道一维模型(MIKE 11)河网文件。利用巴音河河道断面设计资料以及相关实测资料，设置河道一维模型河道断面，并在拦河建筑物(如巴音河八级拦河橡胶坝)与跨河桥梁处增设断面。巴音河河道一维模型共设置河道断面49个，平均300 m设置一个断面。

(2) 橡胶坝群概化设置。巴音河德令哈市城区河段建有八级橡胶坝，自巴音河二级电站以下沿河依次分布(详见图2)，每两个橡胶坝之间相距约400 m至700 m，橡胶坝坝袋壅水高度1.5 m至2.1 m，巴音河八级拦河橡胶坝设计资料详细，其基本情况详见表1。根据巴音河橡胶坝设计资料与运行情况，在一维模型搭建中将其概化为河道建筑物中的溢流堰进行模型计算。

图2 巴音河橡胶坝群分布

3.3 二维模型构建

(1) 模型搭建。巴音河河道外德令哈城区采用二维水动力学模型(MIKE 21)进行搭建。将计算范围边界线及网格剖分的分区线图层文件导入MIKE 21 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75 331个，网格数为147 295个，平均网格面积680 m2，单网格最大面积为8 764 m2，最小面积50 m2。

(2) 高程差值。对各计算分区进行网格剖分后，采用1∶10000比例尺的DEM高程数据，通过ArcGIS导出离散高程点，然后以文本形式导入MIKE 21的网格文件里，进行网格高程插值，插值得到的地形云图，详见图3。

3.4 边界条件

(1) MIKE 11一维水动力学模型边界条件包括6种不同的自然边界条件，分别为开边界、点源、分布源、全域、建筑物和闭边界，根据计算需要，模型中需设置开边界。巴音河河道一维模型上游开边界是巴音河德令哈城区段洪水流量过程，下游开边界为巴音河茶德高速断面水位流量关系。

图3 模型网格高程插值地形云图

(2) MIKE 21二维水动力模型涉及到的控制边界主要有开边界、固定边界和内边界三种。本文二维模型计算中除开边界外，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。巴音河河道外城区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入流边界；二维模型下游边界范围至茶德高速，根据试算结果中洪水演进流路，选取茶德高速中5处桥涵设置为下边界，详见图4。根据基础地形资料并料按照曼宁公式进行试算，得到各边界水位流量关系。

图4 二维模型下边界分布图

3.5 模型参数

(1) 一维模型参数选取。巴音河河道糙率参数根据《水力计算手册》[15]、水文站实测资料以及已有研究成果分析选取。根据德令哈水文站水文资料，该站大流量时糙率0.028～0.039之间，考虑到该河段已修建河道治理工程，并已建成八级拦河橡胶坝和跨河桥梁等涉河建筑物，河道形态发生较大变化，阻水作用增强，综合糙率适度增大，在0.030～0.039之间。巴音河河道糙率分析情况与巴音河德令哈水文站流量糙率关系详见表2和图5。

表2 巴音河河道糙率分析表

图5 巴音河德令哈站流量糙率关系图

(2) 二维模型参数选取。二维水动力学模型建模中需要设置的主要参数有：计算时间和步长、糙率、干湿边界、水体密度、风场、涡黏系数等，对于计算结果无明显影响的计算参数均采用默认值，需着重分析论证的是二维模型地形糙率。本次计算中，利用德令哈市区土地利用图，考虑区域内地形、地貌、植被、建筑物分布状况，根据《水力计算手册》等资料，对不同类型下垫面赋予不同的糙率值，并将结果以坐标加糙率的文本格式导入MIKE模型，通过插值得到计算区域糙率值云图，详见图6。

图6 二维模型地面糙率值云图

3.6 模型验证

(1) 一维模型验证。巴音河河道一维水动力学模型采用德令哈水文站2006年实测洪水资料验证。以该场大洪水的流量过程作为巴音河一维水动力学模型的上边界条件进行模型计算，得到德令哈水文站对应断面处的水位流量关系，并与实测水位流量关系进行对比，详见图7。通过对比分析，模型计算水位和实测水位之间差值在0～0.2 m之间，满足验证精度要求。

图7 德令哈水文站实测和计算水位流量对比图

由于2006年之后，巴音河河道已经进行河道治理，修建了八级拦河橡胶坝，河道形态发生一定变化，故采用相关设计报告中巴音河河道设计水面线对河道模型再次进行参数验证。共选取巴音河建模河段中14个断面，其中2号断面至9号断面是八级橡胶坝所在断面。根据相关设计报告中巴音河河道设计水面线推求条件，在验证中八级橡胶坝塌坝运行。通过对比分析，设计报告各断面水位和本次计算各断面水位之间差值在0～0.2 m，满足验证精度要求。水位对比详见表3。

表3 巴音河一维河道模型水面线成果对比表

(2) 二维模型验证。巴音河河道外城区二维模型验证根据巴音河2012年历史洪灾记录中的淹没范围、淹没水深和洪水损失进行模型验证。经验证分析，该次洪灾范围、具体类别、损失程度与模型50年一遇洪水计算结果相协调，河道外城区二维模型参数取值基本合理。

4 模型计算及结果分析

4.1 模型计算

模型计算设置对比方案以研究橡胶坝群塌坝运行与否对西北地区大比降城市河流河道防洪和洪水损失的影响。共设置4种计算方案，即巴音河发生50年一遇、100年一遇洪水时，巴音河德令哈城区段河道八级橡胶坝分别塌坝运行与正常蓄水运行。巴音河德令哈市区段设计洪水计算成果如表4所示，按照以上4种方案分别进行模型计算，对比分析橡胶坝群对巴音河德令哈市区段洪水动态演进及淹没情况的影响。

4.2 结果分析

当橡胶坝群塌坝运行时，经模型计算，巴音河德令哈市城区河段遭遇50年一遇和100年一遇洪水情况下，洪峰到达时河道最高水位均没有高于巴音河德令哈城区河道工程顶部高程，没有发生洪水漫溢。

表4 巴音河河道断面设计洪水成果

当橡胶坝群正常蓄水运行时，八级橡胶坝正常蓄水位与河道工程顶部高程高差只有0.4 m～1.2 m，河道有效行洪断面面积严重不足，阻水作用显著。经模型计算，在遭遇50年一遇和100年一遇洪水情况下，河道一维模型中3#、4#、5#、6#橡胶坝处河道水位首先超过河道工程顶部高程，造成洪水漫溢，之后1 h内2#、8#、7#、1#橡胶坝处河道水位相继超过河道工程顶部高程，发生洪水漫溢，洪水进入河道外城区。在二维模型计算结果中，八级橡胶坝所在河段外侧区域均发生洪水淹没情况，由于地形因素，左岸淹没范围较大。洪水发生漫溢3 h内先后淹没德令哈部分主城区、青海碱业公司厂区、德令哈市火车站等， 50年一遇和100年一遇洪水淹没情况如图8、图9所示。经FDAM洪水影响分析软件计算，50年一遇和100年一遇洪水情况下淹没总面积为15.32 km2、17.02 km2，详见表5，两种计算方案下淹没损失估算情况为2.10亿元、2.33亿元，详见表6。

由此可见，在遭遇突发洪水时由于橡胶坝群未及时塌坝运行，市区河段水面整体雍高，从而将会造成巨大的洪水淹没损失。

图8 50年一遇洪水淹没情况

图9 100年一遇洪水淹没情况

表6 洪灾损失分析表 单位：万元

5 结 论

本文基于DHI MIKE水动力学模型，对西北城市多级橡胶坝河道典型案例进行了一二维耦合水动力学模型计算，着重研究了河道橡胶坝群对城市防洪潜在风险的影响，主要成果如下：

(1) 通过建立一二维耦合水动力学模型，模拟了橡胶坝群正常蓄水与塌坝运行时的洪水演进情况，具体分析了河道内橡胶坝群逐个漫堤溢出以及河道外城区洪水淹没范围不断变化的动态过程。

(2) 定量计算了巴音河遭遇50年一遇和100年一遇洪水且橡胶坝群未塌坝运行情况下德令哈市城区洪水淹没范围以及洪灾损失情况，明确了河道橡胶坝群对城市防洪潜在的洪水风险。

为了更加有效减免橡胶坝群对城市河道防洪威胁，建议明确并细化防汛紧急预案，加强上游暴雨洪水预警机制，完善城市内渠排水系统，建设城市滞洪蓄洪湿地，同时定期进行河道清淤疏浚，在发挥河道橡胶坝群改善城市生态环境作用的同时，最大限度降低其可能带来的城市洪水风险。

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Flood Risk Analysis of Rubber Dams Group in the Urban Rivers of Northwest China Based on MIKE FLOOD Model

LIU Yang, ZHANG Ruihai, HAN Ling, LIU Juan

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450003,China)

Due to the large stream gradient in the cities of Northwest China and the outburst river floods formed from heavy rain and flash floods, the construction of rubber dams group improves the urban ecological environment on the other hand increase the urban flood risk inevitably. This paper made a coupled one-dimensional and two-dimensional hydrodynamic calculation for typical cases of rubber dams group in the urban river of Northwest China based on MIKE FLOOD hydrodynamics model. The flood dynamic evolution was studied in the case of rubber dams group not collapsed and confronted with the flood river. A quantitative calculation was made for the possible submerged situation and flood loss of the city from flooding. The potential flood risk was analyzed which is caused by the rubber dams group not taking flood control measures according to the flood control plan. Finally, this paper proposed the construction management measures which could reduce the risk of flood risk caused by rubber dams group in the urban river.

MIKE FLOOD; rubber dams group; urban river; city flood control; flood risk

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.023

2016-07-26

青海省重点项目(青海省洪水风险图项目)；十二五科技支撑计划项目(2013BAC10B02)

刘 杨(1986—)，男，河南洛阳人，硕士，工程师，主要从事水利规划与设计方面研究。 E-mail:liuyang9921@126.com

TV122；TV131.2

A

1672—1144(2016)06—0113—07