MIKE模型在城市超标准洪水风险分析中的应用

王怀志

(上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

目前国内外常用的洪水风险分析方法包括文动力学分析、水力计算、洪灾损失估算等[1-3]。水文动力学方法由于效率高，可视化程度高、技术成熟，越来受到人们的重视，如MIKE模型[4]、HEC模型[5]等。2012年沈洋和王佳妮采用用MIKE软件模拟了金牛山水库主坝溃决后洪水在下游的演进过程[6]。2018年史常乐利用MIKE 11溃坝模型对某山区河流综合整治工程中的溢流堰进行了溃坝模拟，模型可以较好地模拟一维水动力过程和溃坝非恒定水流[7]。马利平等于2019年采用源项法耦合了溃口演变模型DB-IWHR与基于GPU加速技术的二维水动力模型，将耦合模型应用于土石坝和堰塞坝溃决模拟，所得结果与实测吻合较好[8]。

本次采用应用广泛的MIKE一维和二维水动力学模型，将其应用到南淝河超标准洪水风险中，用于模拟溃口洪水和洪水淹没过程，为预案编制提供技术支撑。

1 模型构建

1.1 MIKE 11

南淝河干流于董铺水库坝下，经合肥市区左纳四里河、板桥河来水，穿屯溪路桥至河上口左纳二十埠河来水，至三汊河口左纳店埠河来水，折西南流，于施口注入巢湖。本次洪水一维分析主要利用MIKE 11 HD水动力模块和DB溃坝模块。

1.1.1 基础数据

模型范围上自董铺水库坝下，下至巢湖河口。模型建模基础资料包括南淝河实测断面以及沿线主要水工建筑物位置和尺寸资料。

1.1.2 边界条件

模型上边界为50年一遇洪水水库正常下泄过程，并叠加支流区间洪水，支流四里河、板桥河、二十埠河以及店埠河来水分别以点源形式加载入南淝河干流，模型下边界为相应50年一遇南淝河入巢湖口水位。

1.1.3 率定与验证

水动力学模型的率定参数为糙率。由于南淝河干流缺乏实测流量过程线，无法通过模拟系列与实测系列对比对模型参数率定。本方案根据《合肥市城市防洪规划报告》50年一遇设计洪水成果，通过选用不同的河道糙率值对50年一遇洪水过程进行演算。由演算结果可知，当河道糙率为0.027、滩地糙率为0.03时，各断面模拟水位与《合肥市城市防洪规划报告》中设计水位契合度较好，表明模型结构及所选用参数是合理的。

1.2 溃口设置

对于河道堤防溃决，溃坝建筑物类型属于侧向建筑物，在DB溃坝模块中，基于能量方程法定义当堤防水位超过溃堤水位时开始发生溃坝，并指定溃口发展函数，即溃口底高、底宽以及坡度随时间变化的函数[9]。根据防洪体系现状及险工险段的分布，参考《洪水风险图编制技术细则附录》，溃口设置采用以下经验公式分析确定。

汇流点：

Bb=4.5(log10B)3.5+50

其他地点：

Bb=1.9(log10B)4.8+20

式中：Bb为溃口宽，m；B为河宽，m。

根据经验公式法计算结果，结合实地调查资料、洪水量级，确定本次溃口均采用矩形断面，怀宁北路与当涂路桥下溃口宽度均取60 m。两种工况的溃口设置如下：

1.2.1 上游怀宁北路桥下溃口

溃口处位于怀宁北路桥下，桩号1+200，溃口处地面高程约13.0 m，对应50年一遇溃口水位为15.0 m，溃口方式为瞬间溃决。

1.2.2 下游当涂路桥下溃口

溃口处位于当涂路桥下，桩号17+300处，溃口处地面高程约11.0 m，对应的50年一遇的溃口水位为13.5 m，溃口方式为瞬间溃决。

考虑到遭遇同一等级洪水的最大风险，分洪量应尽可能大，堤防溃决方式设定为瞬间溃决，溃口处纵向冲刷全溃。

1.3 MIKE 21

1.3.1 网格划分

模型基础数据主要为1∶10 000实测地形图和谷歌30 m×30 m数字高程数据。于叠加的高程数据建立区域整体地形变化的不规则三角形网格，最大网格面积不大于0.05 hm2。

1.3.2 下垫面糙率设置

下垫面糙率与该区域土地利用类型有关，由于缺乏实测的洪水淹没范围调查资料，无法进行糙率确定。本次二维水动力模型的糙率结合本地区土地利用类型分布，同时参考邻近地区情况进行取值。

1.3.3 边界条件

溃口洪水演进计算主要的边界条件是流量，由MIKE 11溃口洪水模拟结果确定。

1.4 模型连接

一维河道水动力学模型和二维保护区水动力学模型的连接关系为标准连接形式，相应的耦合点为河道的溃口处。在一维模型的河道溃口处建立虚拟河道，可连接一、二维模型，可获得溃坝洪水流量过程和洪水淹没过程[10]。

2 溃口洪水模拟结果分析

2.1 溃口洪水

上游怀宁北路桥下溃口洪峰流量为69 m3/s，进洪时长6.5 h，进洪总量97万m3。上游怀宁北路桥下溃口50年一遇洪水溃口水位流量过程如图1a所示。下游当涂路桥下溃口洪峰流量为183 m3/s，进洪时长11 h，进洪总量442万m3。下游当涂路桥下溃口50年一遇洪水溃口水位流量过程如图1b所示。

图1 遭遇50年一遇洪水溃口水位流量过程线

由图1可知，溃口处河道水位出现了先升后降的过程，最终保持在一定值。伴随着河道水位变化，溃口处流量迅速增大，后逐渐减小。分析其原因，上游河道洪水引起河道水位升高，当水位达到堤防溃决水位时，溃口产生并快速发展，溃口处洪水出现明显陡涨，迅速分洪了主河道洪水，导致溃口处洪水逐渐降低，流量也不断减少，直至河道水位降至溃口底高程，溃口处洪水降至0。

2.2 溃口洪水的演进

堤防溃决发生后，洪水从溃口处下泄，在河道范围外形成一定范围的淹没溃口洪水的演进模拟结果如图2所示。根据MIKE 21二维洪水演进模拟结果，上游怀宁北路桥下溃口淹没范围主要位于蜀山区井岗镇，淹没面积约0.48 km2，最大淹没水深为2.5 m，大部分区域淹没水深在2 m以下。下游当涂路桥下溃口淹没范围主要位于包河区望湖街道及淝河镇，洪水淹没面积为3.58 km2。最大淹没水深为3.5 m，大部分区域淹没水深在1.5 m以下。堤防溃决发生时，溃口处洪水演进速度较快，约为3.0 m/s，随后沿地势低洼处往周边扩散，速度随之降低，大部分区域流速在0.5 m/s以下。

图2 南淝河50年一遇洪水溃口淹没分析图

3 结束语

在河道溃堤洪水模拟中的关键是合理确定溃决时机、形状和方式，其不仅影响溃堤洪水量的大小，而且影响溃堤洪水流量过程。在河道水位达到防洪保证水位时，溃口等效为矩形，并采用瞬间溃决的方式，能较好地模拟河道溃堤洪水过程。

本次研究仅考虑河道堤防溃口单独发生，现实中堤防溃口同时发生的可能性也是存在的，上下游溃口洪水存在着影响，需要进一步研究。