基于MIKE耦合模型的西苕溪洪水演进及风险分析

李小天，戚 蓝，胡琳琳，滕 晖，施 征，甄亿位

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020)

0 引 言

洪水灾害目前仍是世界上最为频发的自然灾害之一，每年往往会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。随着城市化进展的不断加快，下垫面原有的组成受到破坏；从而导致防洪形式发生新的变化。人们逐渐意识到单纯依靠工程措施已经不能满足防洪要求；同时，超标准洪水风险已经对城市发展构成极大的威胁[1]。正是在这种背景下，防洪战略从“控制洪水”转为“洪水管理”显得尤为必要。洪水管理是人类按照可持续发展的原则，以协调人与洪水关系为目的，理性规范洪水调控行为与增强适应能力等一系列活动的总称[2]。

洪水风险管理包括洪灾风险分析、洪灾风险评价和洪灾风险管理与决策。洪灾风险分析是洪灾风险评价的前提，而洪灾风险评价又是洪灾风险管理和决策的依据。城市洪灾风险分析是指借助洪水模拟技术对城市不同强度暴雨洪水可能形成的淹没特征进行研究。目前，采用的模拟方法包括水文学和水力学。随着计算机及数值计算技术的提高，城市洪涝模拟的水力学方法得以迅速发展并在城市雨洪模拟中取得了许多成功。Mark等[3]采用隐式差分求解圣维南方程组，建立了城市街道与地下管网联动的一维水动力学模型，成功模拟了地表一维非恒定流过程。Schmitt等[4]采用有限体积法求解浅水波方程组，用于模拟城市暴雨地表二维非恒定流过程。张新华等[5]建立的任意多边形网格2D FVM模型在时空上均具有二阶精度，应用于城市的二维非恒定流模拟取得了较好的计算结果。

图1 计算范围及阻水建筑物概化示意

本文以西苕溪干流长潭以下至长兴界之间的区域为例，构建了一、二维水动力耦合模型，模拟了多种计算方案下洪水淹没演进过程并进行灾害风险分析，为研究区防洪减灾和洪水风险管理等提供重要参考。

1 研究区域概化及模型构建

1.1 区域概化

西苕溪干流长潭以下至长兴界河道蜿蜒扭转，水流不畅，为洪水多发区；所以，将此区域作为此次洪水风险分析的研究区域。该区对应河长约48.0 km，区域面积约180 km2，此处河段弯曲支流上溯到大溪蒋塘里、浒溪白水湾及递铺溪凤凰水库坝下。根据洪水来源、河道走向、乡镇道路等阻水建筑物的分布情况，将计算边界概化为：将西溪赋石水库、南溪老石坎水库、大溪蒋塘里、浒溪白水湾、递铺港凤凰水库、浑泥港、昆铜港等7处作为上边界，采用洪水流量过程线；将港口水文站作为下边界，采用水位过程线；研究区涉及支流概化为9条集中入流和12段沿程入流，概化水工建筑物84个，其中堰坝53座、水闸4座、阻水桥梁27座；最终得到的洪水风险分析计算边界及主要阻水建筑物(见图1)。

1.2 模型方案构建

考虑安吉县西苕溪流域洪水特性、基础资料等因素，本次采用河道一维和区域二维水动力耦合模型模拟洪水要素。基于MIKE FLOOD对MIKE 11和MIKE 21进行耦合，分析河道洪水演进及区域洪水淹没过程。

(1)一维水动力模型(MIKE11)。采用MIKE11河流模型建立适合西苕溪流域的一维河道非恒定流数学模型。该数学模型对分析区域的河道及现有工程做了合理概化处理，以便较好地反映流域的水流特性。连续性方程

(1)

运动方程

(2)

式中，Q为断面洪水流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；q为均匀旁侧入流的单宽流量，m2/s；x为沿程距离，m；t为时间，s；R为水力半径，m；C为谢才系数，s/m1/3；Z为断面水位，m；α为动量修正系数。

(2)二维水动力模型(MIKE 21)。堤防外平面水流模拟，采用MIKE 21中的FM模块。该模块的计算采用非结构化网格划分系统，能有效控制划分数量和单元数量。模型依据的是描述平面水流运动的二维非恒定流方程组，共包括三个方程：水流连续性方程、水流沿x方向的动量方程及水流沿y方向的动量方程。即

(3)

(4)

(5)

式中，Z为水深，m；H为水位，m；q为连续方程中的源汇项，m/s；M为垂直于x方向的平均单宽流量，m2/s；N为垂直于y方向的平均单宽流量，m2/s；u为x方向的平均流速，m/s ；v为y方向的平均流速，m/s ；n为糙率；g为重力加速度，m/s2。

(3)一、二维模块耦合(MIKE FLOOD)。MIKE FLOOD模型耦合连接一、二维模块计算，采用侧向连接方式耦合两个模块。侧向连接允许MIKE 21的网络从侧面连接到MIKE 11的部分河道或整个河道，利用结构物能量公式来计算通过侧向连接的水流。溃堤部分计算采用能量方程，一维模块提供溃口位置河道侧水位，二维模块提供溃口位置堤后水位，两侧水位按照模型时间步长进行实时更新，互相影响，并维持模型的总水量守恒。能量方程

(6)

式中,Z1、Z2为上、下断面的水位，m；hf、hj为上下断面间的沿程、局部水头损失，m；u1、u2为上、下断面的流速，m/s；α1、α2为上、下断面的动能修正系数；g为重力加速度，m/s2。

本次采用侧向连接的方式耦合河道一维模型与二维保护区模型，以适用性较好的堰流公式计算通过侧向连接的水流，模拟一维河道洪水以漫堤的方式向二维保护区演进过程。模型共设置侧向连接45处。一、二维耦合模型如图2所示。

图2 一、二维耦合模型示意(单位:m)

2 模型参数率定与验证

2.1 参数率定

结合研究区域的历史洪水资料，选择2009年作为参数率定年份，2013年作为验证年份。在水动力模型中，需要率定的主要参数是糙率系数，糙率是反映水流流动时受阻程度的一个综合系数。本研究对不同的河段分别赋予不同的糙率。参数率定时将已有的参数成果作为糙率初值，在此基础上不断进行调试。

表1 计算区域糙率取值分布

2.2 率定结果

将梅溪水文站与横塘水文站实测资料与模型计算值进行比较，通过不断调整参数，使模拟结果达到最优。2009年的率定误差结果见表2。

表2 洪水率定计算成果

由表2可知，率定误差满足《洪水风险图编制技术细则(试行)》规定的最大水位误差绝对值小于等于0.2 m，计算值与实测值吻合较好。

2.3 参数验证

为了检验西苕溪流域洪水演进计算模型的准确性及合理性，根据率定的模型参数，选取2013年“菲特”典型洪水进行参数验证，验证误差结果见表3。

表3 洪水验证计算成果

由表3可知，梅溪站与横塘站最大水位误差绝对值分别为0.05 m和0.08 m，远小于《洪水风险图编制技术细则(试行)》规定的最大水位误差绝对值小于等于0.2 m，说明计算采用的网格概化及参数是合理有效的。

3 洪水演进计算及风险分析

3.1 计算方案设定

根据分析安吉西苕溪流域防洪标准和边界洪水来源分析，本文拟定计算方案数量11个，包括5个漫溢方案和6个溃堤方案，如表4所示。

表4 计算方案

3.2 计算成果

根据计算结果可知，方案1～5的洪水淹没面积分别为2.81、8.77、21.84、37.07、45.57 km2。5年一遇仍有少量的淹没面积，表明西苕溪流域部分河段防洪能力较低，洪水淹没概率较高。横塘和梅溪站个重现期下设计水位见表5，主要漫堤点见表6。

以方案4为例，漫堤发生在泥河沙河汇合口～草荡水库左、右岸和西苕溪左岸安城。不同淹没水深对应的淹没面积、不同淹没历时对应的面积见表7和表8，淹没水深、淹没历时见图3和图4。

表5 水位成果 m

表6 主要漫堤点位统计 m

表7 淹没水深—淹没面积关系

表8 淹没历时—淹没面积关系

由表7和表8可知，西苕溪流域遭遇50年一遇洪水时最大淹没面积为37.07 km2，以大于3 m水深为主，占总淹没面积的53.96%。淹没面积随着淹没历时先增加后减少，以24～72 h为主，占总淹没面积的80.32%。

图3 西苕溪流域50年一遇漫堤淹没水深

3.3 合理性分析

(1)水量平衡。根据模型运算结果统计出计算区域上游来水量、下游出水量、河道槽蓄量与淹没区域积水量，各变量满足洪水淹没区域积水量=上游来水量-下游出水量-河道槽蓄量，说明构建模型洪水计算满足水量平衡[6]。

(2)淹没面积与重现期相关性[7]。统计出不同重现期洪水淹没面积，并绘制其与重现期的相关图，如图5所示。由图5可知，随着设计洪水重现期的增加，淹没面积随之增大，但增速随着重现期的增大而减小，这是由于设计洪量增速随重现期的增大而减小，与实际相符，说明计算结果合理。

图5 淹没面积—重现期关系

(3)高防洪能力区域分析。针对西苕溪流域100年一遇淹没水深分布图中未受淹的区域，将本次淹没图层叠加到2 m×2 m精度DEM上，分析未受淹位置与周围受淹区域之间的地形关系。分析可知，未受淹位置高程明显高于周围受淹区域高程，说明淹没范围分布合理。

(4)束窄断面流场分析。以涉水建筑物桥梁为例，分析涉桥处模拟流场分布。由模拟结果可知，洪水进入束窄断面后流场收缩，流速增大，水位抬高，符合实际情况。

4 结 论

(1)本文选取西苕溪干流长潭以下至长兴界之间河段作为研究区域，基于实测河道断面资料和3 m×3 m高精度DEM构建了MIKE一二维耦合模型，选用历史洪水数据进行模型参数率定验证。利用水文学方法给定各个计算方案对应的模型边界条件，进行洪水演进及风险分析。

(2)本文从水量平衡、淹没面积与重现期相关性、淹没范围与地形相关性以及流场分布对计算结果进行了合理性分析，研究表明，建模精度满足精度要求、结果较为合理可靠。可为当地防洪减灾制定策略提供参考。

(3)针对发生五年一遇洪水就淹没的防洪能力较低的地区，应当对河道进行疏浚清淤，适度拓宽河道，加高加固堤防，提高河道过流能力，从而提高河道整体防洪能力。