基于MIKE FLOOD耦合模型的塔洋河下游洪水演进分析

田福昌 赵胤懋 苑希民

摘要：海南省塔洋河下游段降水丰富，洪水灾害频发，急需构建该河段洪水演进分析模型，为科学防洪减灾措施制定提供支持。基于塔洋河下游河段实测断面资料与高精度DEM，采用MIKE FLOOD建立河段一维水动力模型和两岸洪水威胁区二维水动力模型并实现两者的实时动态耦合，模拟分析下游河段50年一遇洪水漫溢演进过程及淹没风险，计算不同时段内洪水淹没范围和水深分布，并从水量平衡和流场分布等角度对计算结果进行合理性分析。结果表明，所建模型能够有效模拟塔洋河下游洪水演进过程及风险分布特征，计算结果较为合理可靠，可为区域防汛指挥、洪水风险管理与防洪预案制定等提供重要基础信息。

关键词：塔洋河；洪水风险；水动力模型；洪水演进；MIKE FLOOD

中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05001605

Flood routing analysis of the lower reaches of Tayang river based on MIKE FLOOD

TIAN Fuchang，ZHAO Yinmao，YUAN Ximin

（

State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：

The rainfall in the lower reaches of the Tayang river is abundant and frequently causes flood disasters. It is urgent to build a flood routing analysis model for the river to provide support for the formulation of scientific flood control and disaster mitigation measures. Based on the measured section data and highprecision DEM of the lower reaches of the Tayang river， we established a 1D hydrodynamic model of the river section and a 2D hydrodynamic model of the flood threat zones on both banks by MIKE FLOOD， and realized the realtime dynamic coupling of the two. Then we analyzed the evolution process and inundation risk of a 50year flood in the lower reaches， calculated the inundation range and water depth distribution in different periods， and analyzed the rationality of the calculation results using water balance analysis and flow field distribution. The results showed that the model can effectively simulate the process of flood routing and risk distribution in the lower reaches of the Tayang River. The calculation results were reasonable and reliable， and can provide important basic information for regional flood control command， flood risk management， and flood control plan formulation.

Key words：

Tayang river； flood risk； hydrodynamic model； flood routing； MIKE FLOOD

近年，全球極端天气频繁出现，洪水灾害严重威胁临河城镇的发展。为减少城镇发展过程中的洪涝灾害影响，结合“洪涝风险管理”理念的洪水灾害风险分析是防洪减灾非工程措施发展的重要方向之一。

关于洪水灾害风险理论研究与实践，最早由国外学者发起。20世纪40年代，由美国吉尔伯特·怀特（Gilbert F.White ）首次提出洪灾风险分析理论[1]，之后于20世纪80年代引起全球学者广泛关注，并在洪水演进分析领域得到应用实践。Chua等[2]运用二维水动力模型模拟分析了莱茵河溃堤洪水在沿线洪泛区域内的淹没情况；Vacondio等[3]运用光滑粒子水动力数值模型模拟了开边界条件下的洪水浅水运动。在我国，冯平和朱元甡等[45]基于洪灾风险理论建立了二维复合事件风险组合模型并成功应用于南水北调中线工程防洪风险分析；槐文信等[6]采用曲线坐标系下的有限分析法离散数值格式模拟计算了不规则区域的二维非恒定流运动过程。然而，基于概率统计方法的洪水风险分析，缺乏对系统不确定性和复杂性的全面考虑；二维浅水动力模型可以解析洪泛区洪水平面运动过程，但尚无法准确、实时的描述窄深河道内任意时刻水位与流量等水力要素[78]。所以，河道与洪泛区一、二维水动力耦合模型融合了各自独特的优势，在洪灾风险管理与洪水演进分析中发挥着非常重要的作用[914]。

本文以海南省塔洋河下游河段为研究对象，根据水量平衡和动量守恒原理，基于MIKE FLOOD 建立塔洋河下游河段一、二维水动力耦合模型，模拟计算其遭遇50年一遇洪水时的漫溢洪水淹没过程及灾害风险，为塔洋河防洪体系完善、防汛应急抢险、洪水风险管理等提供重要参考。

1 洪水演进分析方法及原理

1.1 洪水分析方法确定

塔洋河为海南省万泉河的一级支流，干流全长6360 km，平均坡降136‰，流域集水面积357 km2。据记载，历史上万泉河洪水灾情较为严重的年份主要有1948年、1954年、1970年、1976年、 1983年和2013年等。由于缺少塔洋河下游区域详细的历史洪水灾害数据，水文学法和历史水灾法均不适用于该河段洪水风险分析。因此，本文采用水力学方法开展塔洋河下游河段50年一遇洪水风险分析，基于MIKE FLOOD建立河道及两岸洪水威脅区域一、二维水动力耦合模型，实现漫溢处堤内外水流的实时动态交互模拟，分析计算洪水动态演进过程中不同时刻对应的水位、流量和水深等水力要素。

1.2 洪水演进计算模型原理

（1）一维水动力模型。

塔洋河下游河段一维水动力模型基本方程如下：

（2） 二维水动力模型。

塔洋河下游河段两岸洪水威胁区域二维水动力模型基本方程如下：

连续方程：

（3） 一、二维水动力模型的耦合衔接。

为了充分利用一维模型和二维模型在各自领域单独应用时的优势，避免模型单独使用时存在的网格精度和准确性问题，本文基于MIKE FLOOD 采用侧向连接方式实现一维模型和二维模型的动态耦合，由塔洋河下游河段一维水动力模型实时动态提供两岸洪水威胁区域二维模型固定时间步长内的入流条件，模拟计算河道洪水沿堤线漫溢淹没过程及风险分布情况。

2 洪水演进计算耦合模型建立

2.1 模型计算范围

根据塔洋河下游河段洪水风险图编制成果，确定模型计算范围为福寨村至南面村段（塔洋河入河口）及两岸洪水威胁区域（图1），计算河段长度1637 km，堤防设计防洪标准10年一遇，两岸洪水威胁区计算面积6387 km2。采用水力学洪水分析方法，建立塔洋河下游河段河道与两岸洪水威胁区域一、二维水动力耦合模型，模拟其遭遇50年一遇洪水时的漫溢分流过程及演进淹没风险。

2.2 河道断面设置与网格剖分

（1）断面设置。河道断面是一维水动力模型重要的基础数据，本文根据塔洋河下游河段实际宽度及其蜿蜒曲折情况，在1∶10 000矢量地形图和测量断面基础上对河道断面进行内插加密处理，共设置80个断面，断面平均间距为20463 m。

（2）网格剖分。采用无结构不规则网格剖分技术对两岸洪水威胁区域进行网格划分，根据线性阻水建筑物和地势地形确定网格尺度及其分布情况，充分反映计算区域的地形特征。不规则三角形网格最大面积不超过0003 km2，适度加密重要地区或地形变化较大区域的计算网格，共剖分网格数量687万个，网格平均面积为929×104 km2。

2.3 主要参数设置

（1）糙率。糙率是水动力学模型最重要且较为灵敏的计算参数，反映了洪泛区地表、河道底部以及岸坡影响水流阻力的综合系数[12]。塔洋河下游河段河道内具有少量石块或杂草，根据《洪水风险图编制技术细则（试行）》及《海南省琼海市塔洋河防洪整治工程初步设计报告》，确定塔洋河下游河段河道综合糙率为0036；根据《水力计算手册（第二版）》，确定塔洋河下游段两岸洪水威胁区域农田植被糙率值为006，居民地糙率值为004。

（2）计算时间步长。综合考虑模型稳定性及运算效率等因素，设定塔洋河下游段河道一维水动力模型计算时间步长为1 s，两岸洪水威胁区域二维水动力模型最大计算步长为1 s、最小计算步长为001 s，模型可根据洪水信息与地形条件自动调整计算时间步长。

2.4 边界条件确定

塔洋河下游河段一、二维水动力耦合模型控制边界主要包括上游入流边界（福寨村断面）、区间汇流及下游出流边界（末端出口入万泉河），对应边界条件分别为福寨村断面50年洪水流量过程、区间汇流流量过程、塔洋河河口（接万泉河）断面50年一遇洪水过程。

（1）入流边界条件。 塔洋河下游河段洪水主要来源于上游降雨产汇流，由于塔洋河流域内无实测洪水资料，故根据1991年广东省暴雨参数等值线图查算暴雨参数，采用综合单位线法间接推算福寨村断面50年一遇洪水流量过程见图2。塔洋河区间洪水即福寨村至南面村（塔洋河入河口）范围内的汇流洪水，采用综合单位线法推算区间来流洪水过程，见图3，按照区间洪水沿河均匀汇入方式对其进行概化处理。

（2）出流边界条件。塔洋河下游河段出口受干流万泉河洪水顶托影响，出流边界条件为河口处万泉河断面相应的50年一遇洪水过程，见图4。

3 洪水演进计算及结果分析

3.1 洪水淹没风险分析

根据所建塔洋河下游段一、二维水动力耦合模型，动态模拟其遭遇50年一遇洪水情况下的河道洪水演进过程及漫堤洪水淹没风险，采用非恒定流水动力学方法计算河段不同断面实时水位和流量以及漫堤洪水演进过程中任一网格不同时刻的洪水淹没风险要素。提取河道计算断面最高水位，连接绘制河道最高水面线，见图5。

由图5分析可知，当塔洋河下游河段遭遇50年一遇洪水时，全线堤段发生洪水漫溢现象，堤防漫溢长度1637 km，漫溢水头高，淹没风险大。两岸洪水威胁区域主要时刻淹没水深见图6，洪水演进初始出现多个淹没区，淹没范围与积水深随时间增加不断加大而后逐渐减小。当洪水演进12 h，加堆村附近水深迅速增加，最大水深122 m，淹没区积水量27851万m3；洪水演进45 h，河道两岸堤段均发生洪水漫溢现象，此时淹没区洪水演进至万泉河，大璞村附近淹没水深最大，多达542 m，淹没区积水量4 25723万m3；洪水演进120 h，淹没区大部分洪水退回至塔洋河，此时淹没区积水量49564万m3。

3.2 计算结果合理性分析

塔洋河下游区域无详细的历史实测洪涝灾害资料，本文主要从水量平衡、流场分布、地形水深比较等方面对模型计算结果进行合理性分析，一定程度上保证模型计算精准度、可靠性和合理性。

（1）水量平衡分析。根据模型运算结果统计计算区域进出水量、河道槽蓄量与淹没区积水量，经验证满足“洪水威胁区域积水量=上游来水量-下游出水量-河道槽蓄量”关系式，说明所建模型洪水计算满足水量平衡要求。

（2）流场分布及地形分析。淹没区局部水深、流速、流场、DEM高程统[HJ2.1mm]计见图7，对比分析图7（a）与图7（b）可知：局部积水深和流场走向均符合地形分布特征，即洪水由高向低流动、低洼地带积水且水深较大、地形较高区域水深较小或无淹没；对比分析图7（a）与图7（c）可知：沿堤线部位洪水流速较大（由漫溢水頭较高导致），离堤线距离越远流速越小，这与流场箭头长度和密度分布相吻合。可见，洪水流场光滑且分布均匀，洪水淹没水深、洪水流速、流场分布均与区域地形起伏分布特征相匹配且存在一定规律性，本文所建模型计算结果是基本合理可靠的。

4 结论

（1）基于MIKE FLOOD构建了塔洋河下游段河道及两岸洪水威胁区域一、二维水动力耦合模型，模拟了50年一遇洪水情景下河道水面线、漫堤洪水演进过程及淹没风险，并从水量平衡、流场分布、地形水深比较等方面对计算结果进行了合理性分析，研究表明，所建模型精度较高、结果较为合理可靠，可为区域防洪减灾措施制定提供参考。

（2）塔洋河下游段河道具有蜿蜒、浅窄的特点，遭遇超标准洪水情况下河道过水能力严重不足，将造成两岸较大面积的洪水淹没范围，洪灾风险很大，需对塔洋河下游段进行河道疏浚清淤、堤防加高、护坡护岸等处理，适度拓宽河道，提高过流能力，降低洪灾风险。

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