基于HydroInfo的嫩江湾湿地洪水模拟研究

杨浩淼，金 生

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

嫩江湾处于嫩江的下游其水环境格局与松花江流域航运、松嫩平原生态安全息息相关。嫩江湾湿地作为天然的港湾湿地发挥着重要的生态环境调节、净化和城市防洪排涝作用。为了更好地发展和利用嫩江湾湿地，寻求湿地防洪和发展模式的探索成为研究的重要内容[6]。

洪水影响分析的方法大致分为3种：水文分析法、水力学法和实际水灾法[1- 2]。水文学法是根据以往的水文年鉴对数据进行分析和预测。水力学法则是通过求解浅水方程的方法。随着计算机性能的迅猛提高和数值模拟技术的不断创新，数值模拟已经成为一种不可替代的研究方法之一。对于流域洪水演进模拟分析，国内外的诸多学者都进行了大量的研究，如：意大利的CALEFFI和VALIANI采用二维浅水方程对Toce河的洪水演进进行了模拟[5]；我国诸多学者如金生[9- 11]，许栋[12]，张婷[13]，刘强[14]等也对洪水模拟进行了深入研究。而关于湿地的洪水影响分析也不乏学者，如孙晓英[3]应用Mike21模型对北京市延芳淀湿地进行模拟，李彬[4]应用delft3d对苍海湿地公园进行模拟，都取得满意的结论。

为了保证嫩江湾湿地治理项目的顺利实施，根据数字高程进行洪水淹没数值模拟，得出不同安全格局洪水淹没范围[5]；洪水淹没范围是事关土地开发的重要因素，如何准确地界定淹没范围是洪灾损失评估的核心环节[15]。只有以洪水淹没为基础，才能合理布置建设内容。本文采用HydroInfo水利信息系统[10]搭建二维水动力模型模拟洪水淹没情况，为治理项目的规划提供重要依据。

1 数值模型建立

为了分析嫩江湾湿地工程治理项目完成后的洪水影响，本次计算利用HydroInfo软件二维水动力模型，采用分层欧拉-拉格朗日计算模式[8]在平面上建立非结构化网格，在垂向上建立分层动网格，并采用VC方式(Vertex-Centered)的非结构化有限体积方法来对离散浅水方程进行求解，模拟水流的流动过程。

由于湿地的深度远小于它的广度，水流在垂直方向的变化率也远小于平面方向，因此假设深度方向的变化率是均化的。同时对基本的质量与动量守恒方程在水深方向积分以便引入平均化处理，于是产生了简化后的Navier-Stockes方程组，也就是二维浅水方程。

守恒型的二维浅水方程为：

(1)

式中，U—自变量；F，G—x，y方向的通量；S—源项；I，V—对流通量与粘性通量；h—水深；u，v—x，y方向的流速；g—重力加速度；S0x，S0y—x，y方向的底坡源项；Sfx，Sfy—x，y方向的底摩擦源项。

(3)

式中，n—糙率；Zb—河底高程。

水位函数z(x，y，t)可由水深h(x，y，t)和河底高程zb(x，y)确定。

2 模型应用与验证

2.1 模型范围

二维数值模拟的计算纵向范围为CS嫩92～CS嫩96断面，全长约20km，横向范围为嫩江两岸堤防之间，宽度约6.5km。所用地形数据采用2003年1∶5000地形图，嫩江干流堤防采用2014年批复的《嫩江干流治理工程可研报告》堤防工程堤顶高程，坐标系统采用了1954北京坐标系，高程系统则采用1956黄海系统。计算模型及断面布置如图1所示，模型三维视图如图2所示。

图1 计算域及断面布置

图2 模型三维视图

2.2 模型边界条件

本次采用《嫩江干流治理工程可研报告》水面线计算成果作为二维模型的边界条件，详见表1。湿地模型的上游CS嫩92断面给定流量边界条件，下游CS嫩96断面给定水位边界条件。

表1 二维模型边界条件

2.3 模型糙率选取

本次研究范围内二维模型糙率选取参照《嫩江干流治理工程可研报告》中尼尔基下端大赉水文站糙率成果表成果，见表2。

表2 糙率成果

2.4 模型糙率率定

本次糙率率定将二维数值模拟计算成果与《松花江流域防洪规划》水面线成果进行对比，见表3。由二维模拟计算结果与一维水面线成果对比可知，一二维模型计算结果较接近，二维模型能较好地模拟本河段水位情况。因此，认为模型选用的糙率是合理的，可以作为本项目壅水计算的依据。

表3 二维模型参数率定 单位：m

3 计算结果与分析

3.1 计算工况

本次模拟分析主要考虑了嫩江湾湿地治理项目建设前后2种不同的工况：工况1，嫩江湾自然条件下；工况2，嫩江湾按照湿地工程设计在滩地上建设道路，道路设计考虑从西侧圈河故道起始，向东到达嫩江主河道，全长4km。

通过调节初始条件和边界条件模拟在50、20a一遇洪水的时候，各个断面的流量、水位、流速情况，并根据模拟成果，绘制工程建设前后模拟河段水位和流速分布图，分析湿地建设洪水影响。

3.2 湿地滩地道路建设前后情况对比

根据湿地模型的模拟成果，对比分析滩地道路建设前后，嫩江湾湿地的水位、流速、流势等变化，明确建设滩地道路对湿地各项水力要素的影响程度。

3.2.1嫩江湾湿地水位对比

滩地道路建设前后，河道各断面平均水位对比情况见表4。

表4 道路建设前后水位对比 单位：m

由表4可得滩地道路工程建设对水位的影响。嫩江湾湿地综合治理工程滩地道路建设前后各处水位对比计算表明，发生20a一遇洪水时，断面平均水位较现状情况雍高0.113m。

3.2.2嫩江湾湿地特征点及流势对比

为了更加全面地分析滩地各个位置水力要素的变化，分别在嫩江、滩地、新建道路附近设置了19个特征点，如图3所示。

图3 特征点布置示意图

拟新建道路建设前后流速对比见表5。

表5 湿地道路建设前后流速对比 单位：m/s

湿地道路建设后，滩地的流势发生了变化。比对在50a一遇的洪水下的流场图，天然条件下如图4所示，建路后如图5所示。

图4 50a一遇洪水整体流场图-天然条件

图5 50a一遇洪水流场图-建路后

由于新建道路的建成阻碍了水流的原始方向，流场图变化更为明显，水流只能绕过新建道路，道路上游靠近右滩地的一侧水位升高，水只能绕过道路边缘往下流，于是水流变急流量增大。天然条件下如图6所示，建路后如图7所示。

图6 50a一遇洪水新建道路附近流场

图7 50a一遇洪水新建道路附近流场

3.3 结果分析

工程建设对水位的影响：道路建设前后各处水位对比计算表明，发生50a一遇洪水时，断面平均水位较现状情况壅高0.136m。受到新建道路的影响，壅水在新建道路上游边界处尚未结束。工程建设对流场的影响：通过计算可知，河道内的整体水流流态基本没有变化，仅新建道路处发生漫水和绕流现象。嫩江湾处流速在0.17～0.92m/s之间，滩地流速较小，基本在0.4m/s以内。新建道路附近河道水流流速升高基本在0.007～0.036m/s之间。

4 结论

通过对道路建设前后的4种工况进行数值模拟研究，对比分析水位、流速、流场图，得到以下结论。

(1)工程建设后断面平均水位升高。靠近滩地新建道路上游发生水位壅高，网格计算最大壅水高度小于0.2m，壅水对湿地项目上游影响范围较大。

(2)本项目在河滩地上建设的道路使河道的流速发生变化，道路上游侧会有泥沙淤积。

(3)本项目所在河段已建通往码头道路为阻水建筑物，改变了工程上下游的水流流速、流向，因此项目的建设对河势影响较大。