Mike flood在五泄江漫堤洪水演进模拟中的应用

2018-05-29李少卿

中国农村水利水电 2018年5期

赵琳，李少卿，黄燕

(1.浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002；2.福建省水利水电勘测设计院，福州 350000)

0 引言

洪水演进数值模拟是进行防洪保护区洪水风险分析的重要途径。针对长河段的防洪保护区，采用全二维模型，存在网格数量大、时间步长小、计算效率低等问题；将河道及防洪保护区的洪水演进分别概化为一、二维流动问题，并将两个模型进行侧向型耦合，既可以反映溃堤及漫堤洪水的特征，又可以减少网格数量提高模型效率[1]，特别适用于河道与其旁侧洪泛区的联合模拟[2]。Mike Flood软件将一维模型(mike11)和二维模型(mike21)进行动态耦合，以漫流或堰流方式计算主槽与滩地间水量交换[2]，近年来被广泛用于洪水数值模拟，且取得较好的成效[3-5]。

陈智洋等[3]采用一二维耦合水动力模型搭建横阳支江耦合模型，计算了超标准洪水造成的漫堤、溃堤等洪水淹没的复杂情况；叶爱民等[4]模拟嘉兴地区河道溃堤洪水在区域内的演进情况，分析洪水风险，为其洪水风险图编制提供技术支撑；刘卫林等[5]建立了贵溪市罗塘河下游段的一二维耦合水动力模型，得到溃口流量过程和堤防保护区洪水淹没过程，为中小河流洪水风险分析提供支撑。但这些成果对于Mike Flood模型搭建中水工建筑物设置、参数选取、一维二维模型耦合连接缺乏研究与详细说明。

本文在前人研究成果的基础上，采用mike flood软件构建侧向连接的五泄江一二维动态耦合水动力模型，详尽叙述模型构建方法及各种参数选取，并模拟超标准洪水下防洪保护区内洪水淹没过程，分析总结洪水演进特性，为洪水演进模型的搭建、洪水风险分析提供一定的参考。

1 洪水演进模型构建

1.1 Mike 11一维模型

研究区域五泄江流域位于浦阳江的中游西部地区，流域面积286 km2，全长42.3 km，河流平均坡降1.52%，落差622 m，属山溪河流。沿程有两条较大支流分别是渎溪和冠山溪。渎溪江从青山水库坝址到合溪口长7.5 km，永庆桥～燕至塘桥河道纵坡为0.375%，燕至塘桥～合溪口河道纵坡为0.415%。冠山溪起源于鸡冠山支峰南麓，长14 km，源短流急，洪水暴涨暴落。境内还有西山渠道、友谊渠道两条渠道汇入，下游分布有四个湖畈，分别是筏畈、东大湖、联湖、道士湖。

Mike11模型具有算法可靠、计算稳定、前后处理方便、水工建筑物调节功能强大等优点，在洪水预报、河道治理等方便得到研究与应用，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况[6]。Mike11水动力模块输入信息包括河网数(.nwk11)、断面数据(.xns11)、边界条件(.bnd11)、水动力学参数(.hd11)、模拟时间(time)以及输出数据类型[5](.res11)。河网概化的基本原则是反映天然河网的基本水力特性，即概化后的河网在输水和调蓄能力上需与实际河网基本一致[7]。本文根据五泄江流域特点进行一维模型构建。

(1)河网概化及断面布置。河网概化信息输入于.nwk11文件中，生成各节点和河段信息，设置五泄江主流和渎溪江、冠山溪2条支流的连接关系；添加下游筏畈(A5)和东大湖(A6)2个湖畈。为反映河网的实际输水和调蓄能力，考虑五泄镇区间平原入流(A1)、渎溪区间平原入流(A2)、区间平原1(A3)、区间平原2(A4)，并将4个区间入流虚拟为概湖；添加河道上的堰坝建筑、湖畈和概湖的节制闸。河网概化图如图1所示。

河道断面信息以起点距，高程数据格式输入于.xns11中。为保证模型计算精度，断面间距不超过500 m，河道形态变化显著的河段、堰坝上下游需布置断面。按照这个原则，整个河网模型共布置河道断面148个，平均密度为3.67个/km。河道断面信息输入文件中后，要设置每个断面的标记，包括左岸堤防点mark1、河道最低点mark2、右岸堤防点mark3如图1(图中横纵坐标为国家大地坐标系)。

图1 Mike11河网概化图Fig.1 River network figure by mike 11

(2)水工建筑物设置。为反映河道实际的过流能力，需对水工建筑物进行概化。五泄江流域涉及的水工建筑物主要有堰坝和节制闸两种，堰坝通过weirs功能设置，节制闸通过control str功能设置。Weirs主要设置要素包括位置、堰流公式、几何参数；Control str建筑物主要设置要素包括建筑物类型、基本参数、水头损失、控制方案及控制方式[8]。五泄江沿程共分布14个堰坝，支流渎溪江上8个堰坝，支流冠山溪9个堰坝，设置如表1所示。

表1 水工建筑物堰坝设置Tab.1 Hydraulic structure setting by weirs

2个湖畈和4个虚拟概湖的节制闸设置见表2 ，“This Gate dH>0 m且H>34 m，全开”表示当上游水位大于下游水位，以及上游水位大于34 m时候，闸门全开泄洪。

表2 虚拟闸设置Tab.2 Virtual water gate setting by control structure

(3)边界条件。根据概化的一维河网，共设置了11个流量开边界和1个水位开边界，以时间序列的形式输入于 .bnd11中。边界时间序列的起始时间与mike11 模型计算时间段，及二维模型的模拟时段保持一致。

干流、支流上边界3个，分别是五泄水库下泄，渎溪青山水库下泄、冠山溪上游来水为流量边界；为合理反映五泄江沿线小片山区和丘陵平原汇水，拟定8个旁侧入流，分别是五泄水库～五泄镇区间(p4)、东风水库(p5)、五泄镇区间平原入流(A1)、渎溪区间平原入流(A2)、区间平原1(A3)、区间平原2(A4)、筏畈(A5)、东大湖(A6)；模型下边界采用浦阳江西江水位过程。

(4)率定与验证。模型率定以糙率为基本参数[3,5]，率定结果主河道五泄江糙率范围0.027 5～0.028 5，支流冠山溪、渎溪江糙率范围0.027 5～0.03，于. hd11文件中进行设置。选用水磨头、过水桥、跨湖桥等5个特征地点为验证计算点，采用“20110616”梅雨洪水过程进行验证。

“2011.616” 洪水为梅雨洪水，浦阳江流域全流域降雨，此次降雨历时较长，为近期具有代表性的洪水。从6月3日开始至6月20日，五泄江流域面平均雨量525 mm，其中青山水库库区面平均雨量526.8 mm，五泄水库库区面平均雨量569.1 mm，青山、五泄～浦阳江汇合口区间面平均雨量515.9 mm。本次洪水过程，诸暨水文站第一次洪水从6月14日9时8.34 m起涨， 6月16日9时出现洪峰水位12.48 m，超保证水位0.35 m，洪峰流量1 050 m3/s；第二次洪水从6月19日5时9.05 m起涨，19日17时35分出现最高水位11.29 m，超警戒水位0.65 m，洪峰流量901 m3/s。从6月14日21时起，共有111 h超过警戒水位，连续超警戒水位时间长达80 h。

洪水验证水位计算成果，见表3，可知模型计算水位与历史洪水调查值，相差范围-0.03～-0.19 m，平均相差在±0.10 m以内。可见，模型计算水位成果和精度能较好地反映河流沿线实际洪水风险大小。

表3 洪水验证水位计算成果Tab.3 Validation of flood water level

1.2 Mike21 FM 二维模型

(1)研究范围确定。二维模型范围为五泄江水库坝址以下，沿干流一路由西向东，至浦阳江汇合口，南北两侧以山脚线和两岸防洪保护边界为界，研究范围涉及五泄镇、大唐镇、草塔镇、陶朱街道等行政区。

(2)网格剖分及地形处理。矩形网格计算模块采用矩形网格有限差分法，对不规则边界常处理成齿状，计算出的结果不尽理想[9]。为更好地适应复杂地形，依照网格剖分原则和方法[10]，选用非结构三角网格对计算区域进行剖分。基础地形采用五泄江1∶10 000的测量数据，考虑区域内阻水建筑物包括杭长高铁，浙赣铁路，诸永高速，省道杭金公路进行局部高程修正。根据五泄江干流，两条支流渎溪和冠山溪的分布，将研究区域概化为4个闭合的独立部分，见图2和图3，概化范围总面积57.4 km2。计算区域剖分成52 304个单元，27 352个节点，最大网格面积2 200 m2，平均网格面积1 097 m2。

图2 二维模型网格Fig.2 Computational grids of 2D model

图3 二维模型地形高程Fig.3 Topography elevation of 2D model

(3)参数设置。MIKE 21 FM模块主要参数信息包括基本参数和水动力学模块物理参数2类，其中基本参数包括地形数据、模拟时段和模型选择等；水动力学模块物理参数包括干湿水深、涡黏系数、糙率以及初始条件等[5]。本次搭建的五泄江二维模型的参数设置见表4。

表4 Mike21参数设置Tab.4 Parameters setting of mike 21

(1)耦合原理。侧向连接是指mike 21的一系列网格以旁侧的方式同Mike 11的部分或者整个河道相连，如图4。通过侧向连接的水流利用水工建筑物公式来计算。这种方式的连接特别适合用于从河道到洪泛区的洪水模拟[2]。用于计算侧向流量的结构物以堰为主，该堰的尺寸参照一维河道的断面左右岸标记点高程，或二维网格的地形高程。堰上下游的水位则通过两侧mike11水位点和mike21网格相关数据内差得出。具体的内差方式见图5。

图4 mike flood侧向连接Fig.4 Lateral link of mike flood

图5 侧向连接水位内差Fig.5 Water level interpolation of lateral link

(2)连接搭建。根据概化的一维河网模型和二维模型，在五泄江、渎溪江和冠山溪上共搭建8条侧向连接。输入连接的起始里程，及左岸或者右岸方式，软件自动生成连接的mike21网格数及连接点的xy坐标。Flood侧向耦合图见图6。具体连接数据见表5。

图6 五泄江flood侧向耦合图Fig.6 Lateral coupling of Wuxie river

序号连接方式河流名称起始里程/m终点里程/m河道左右岸连接的mike21网格数1侧向连接五泄江10005800右岸832侧向连接五泄江55008100左岸353侧向连接五泄江690012700右岸904侧向连接五泄江890017000左岸1255侧向连接渎溪江32007200左岸856侧向连接渎溪江62607400右岸257侧向连接冠山溪13706820左岸1088侧向连接冠山溪13706820右岸109

(3)参数选择。本次模拟选用堰流公式(1)：

式中：W为堰宽；C为堰的因子系数；k为指数系数；Hu为堰上游水位；Hw为堰顶高程；Hd为堰下游水位。

其中堰的因子系数取值1.838，指数系数取值1.5，堰的几何尺寸由一维河流断面堤岸高程及同一地点的二维地形最高点确定，flood里设置为HGH。

2 漫堤洪水演进过程分析

2.1 超标准洪水边界过程

流域设计洪水采用暴雨资料推求。各频率设计洪峰流量见表6。

表6 五泄江设计洪峰流量成果Tab.6 Peak flow results of the Wuxie river

为分析洪水演进及极端淹没情况，选用洪峰流量最大的100年一遇的超标准洪水进行模拟分析，模拟时段为2005/1/1 0∶0∶00-2005/1/4 0∶00∶00，历时3 d。洪水从第2天6小时左右开始起涨，洪峰流量在第3天0点左右达到最大值。根据概化的mike11一维河网，共设置了11个流量开边界和1个水位开边界。根据水文计算分析，100年一遇的设计洪水边界过程见图7。

图7 100年一遇设计洪水边界过程Fig.7 Process of a design 100-year flood

2.2 漫堤洪水演进过程

图8～图13为百年一遇洪水下五泄江不同时刻洪水淹没图。可见，当五泄江发生100年一遇的洪水时，冠山溪左岸最先发生漫堤，从第2天6小时开始洪水侵入左边防洪保护区，并持续扩大淹没范围，平均淹没水深在0.1～0.2 m左右，最大淹没水深达0.3 m；第2天18小时开始，五泄江上游发生漫堤，洪水侵入五泄镇，平均淹没水深在0.1左右，最大淹没水深达0.15 m；第2天21小时开始，冠山溪下游右岸发生漫堤，洪水侵入大唐镇并持续扩大淹没范围；第2天24小时开始，渎溪江左右岸均发生漫堤，洪水侵入草塔镇，此时五泄江流域达到最大淹没范围，平均淹没水深在1 m左右。之后各淹没区域开始退水，至第3天8小时平均淹没水深减小至0.1～0.2 m左右。

图8 第2天6 h洪水淹没Fig.8 The 6 th hour flooding of the second day

图9 第2天9 h洪水淹没Fig.9 The 9 th hour flooding of the second day

图10 第2天18 h洪水淹没Fig.10 The 18 th hour flooding of the second day

图11 第2天21 h洪水淹没Fig.11 The 21 h hour flooding of the second day

图12 第2天24 h洪水淹没Fig.12 The 24 th hour flooding of the second day

图13 第3天8 h洪水淹没Fig.13 The 8 th hour flooding of the third day

2.3 重点区域淹没过程

根据洪水演进过程分析，可知淹没区域主要分布在冠山溪左岸，五泄镇，大唐镇和草塔镇局部。在这4个区域分别选取人口密集的村庄典型分析，4个典型地点(t1、t2、t3、t4)位置见图14，整个模拟时段的淹没水深过程见图15。可见，冠山溪左岸从1/2 5∶00左右开始淹没，初始淹没水深0.1 m，随后逐渐增大，到1/2 22∶00达到最大淹没水深0.75 m，随后开始退水，淹没水深逐渐减小；五泄镇从1/2 17∶00左右开始淹没，初始淹没水深0.1 m，随后逐渐增大，到1/2 23∶00达到最大淹没水深0.5 m，然后退水淹没水深逐渐减小；大唐镇从1/2 23∶00开始淹没，初始淹没水深0.1 m，2 h后达到最大淹没水深0.17 m；草塔镇从1/2 23∶00开始淹没，初始淹没水深0.1 m，1 h后达到最大淹没水深0.5 m。