基于一二维耦合水动力模型的海游溪流域洪水风险研究

占 亮，邹天远，叶昕滢

（1.浙江省台州市三门县水利局，浙江 三门 317100；2.航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100195）

0 引言

从自然灾害发生的时空强度以及对人类生存与发展的威胁程度而言，洪水灾害一直位居各种自然灾害之首[1]。洪水风险评估作为一种重要的非工程减灾措施，可广泛应用于洪泛区管理、防洪规划与应急决策、灾情评估、居民避险、土地利用开发、灾害保险、公共减灾对策以及灾害教育与宣传[2-3]。目前，我国防汛工作正逐步从“控制洪水”向“洪水管理”转变，即通过洪水风险分析，建立风险管理制度[4]。这是开展洪水风险管理的重要基础支撑，是国家的一项基础性、前瞻性、战略性工作[5]。

沿海地区由于低山丘陵地区的地形地貌和季风湿润的水文气象特征，洪、涝、台灾害频发，灾害损失十分严重。与内陆流域相比，沿海地区台风暴雨天气发生更加频发，下游潮水顶托也进一步加剧洪灾影响。因此，需采用科学合理的方法对沿海流域洪水风险进行分析和评估，进而因地制宜采取减灾对策，协调人水关系，保障社会安定和国民经济的持续稳定发展。洪水风险评估一般是通过编制洪水风险图进行，通过构建一维或多维数学模型对洪水过程进行模拟演算，以获得洪涝的时空分布特征值。本文以浙江省台州市海游溪流域为例，采用MIKE FLOOD 构建海游溪一二维耦合水动力模型，模拟极端洪水（P=1%）条件下流域内洪水淹没情况，分析评估洪灾风险。

1 研究区域概况

海游溪流域位于浙江省台州市东北部沿海地区，流域面积461.2 km2，干流河长42.9 km，起源于临海市羊岩山，流入三门县境内后与亭旁溪汇合，终点汇至出海口。干流分为上、下游两段，上游段珠游溪长27.8 km，下游段海游港至出海口段河长为15.1 km，支流分别为吴岙溪、珠岙溪、亭旁溪。海游溪流域多年平均降水深1719.4 mm，多年平均径流深1031.0 mm。流域降水时间分布不均匀，全年分两个雨季，4 月～6 月为梅雨季节，7月～9 月为台风暴雨期。

海游溪流域内现有中型水库1 座、小（2）型水库6 座，中型水库为佃石水库，库容3009 万m3，小（2）型水库合计总库容103.38 万m3。流域内主要防洪设施是海游防洪大坝，长约7.8 km，保护区域为三门县县城区域。海游溪流域防洪体系初具成型，但现状防洪地方仍存在过于低矮、标准较低的问题，区域内还未形成有效的防洪闭合区。

2 技术路线及方法

2.1 技术路线

本文研究技术路线是通过区域基本情况调查，获取基础数据，识别洪涝灾害致灾因子，建立MIKE FLOOD 一二维耦合模型，并对模型进行率定，对极端洪水情况进行模拟和分析，得出海游溪洪水风险情况，见图1。

图1 海游溪洪水风险评估技术路线图

2.2 模型方法

（1）一维河道模型

MIKE11 水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant 方程组来模拟河流或河口的水流状态。一维非恒定流Saint-Venant 方程组：

式中：x、t 分别为计算点空间和时间的坐标；A 为过水断面面积，m2；Q 为过流流量，m3/s；h 为水位，m；q 为旁侧入流流量，m3/s；n 为河道糙率；R 为水力半径，m；α 为动量校正系数；g 为重力加速度，m/s2。

方程组利用Abbott-Ionescu 六点隐式有限差分格式求解。该格式在每一个网格点不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h 点和Q 点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

（2）二维地表模型

Mike21 采用二维非恒定流计算模块的原理，基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，服从布辛涅斯克假设和静水压力假设。

式中：h 为水深，m；U 为x 方向的流速，m/s；V 为y 方向的流速，m/s；sx，sy为源项，m2/s2。

（3）一二维水动力模型耦合

一二维水动力模型耦合是通过侧向连接进行，侧向连接允许MIKE 21 的网格从侧面连接到MIKE 11 的整个河道，利用结构物流量公式来计算通过侧向连接的水流，用侧向连接来模拟水从河道漫流到保护区的运动。

2.3 洪灾影响分析方法

洪灾影响分析主要包括淹没范围和各级淹没水深区域内社会经济指标的统计分析、洪灾损失评估等，根据洪水风险分析计算得到的淹没范围、淹没水深等要素和土地利用数据，结合研究区范的社会经济情况（主要经济指标包括GDP、耕地面积、省级以上公路里程；社会指标为人口），综合分析评估洪水影响程度，包括淹没范围内不同淹没水深区域内的人口、资产统计分析等，并评估洪水损失。

左达把那张拍卖推荐函挑出来，刷刷地签好字，端详一下，凑到嘴边，吹口气，在徐艺面前抖抖，然后，伸开两只胳膊把面前的五十万现钞往徐艺面前一推，道：“这钱现在还是你老板张仲平的。我……不借了。”

本研究中损失率主要根据《三门县水利志》历史发生的水灾，洪灾发生后，调查收集各类承载体的灾后价值，运用统计学方法，采用参数统计模型建立单项的洪水淹没特性与洪灾损失率的关系得到。

3 模型构建

3.1 建模范围

对海游溪流域采用MIKE FLOOD 模型软件进行一二维水动力模型构建，一维建模范围为海游溪和支流亭旁溪、吴岙溪；为更好地分析洪水对人口聚居地的影响，二维建模范围扩大至为三门县全县陆域范围。

一维河道水动力模型以海游溪梅坑断面、佃石水库、吴岙溪源头为上边界，以海游溪水岙门大桥为下边界，上边界以流量过程线作为边界条件，下边界以潮位过程作为条件，河道每隔0.8 km 布置一个测量断面。一维河道建模范围及断面布置见图2。

图2 一维河道建模范围及断面布置

二维地表水动力模型建模范围为三门县陆域范围，共1072 km2，共剖分矩形网格40006 个，城区处网格进行加密处理，同时将构筑物的线状图层加入到网格生成器中作为内边界。二维建模范围及网格剖分结果见图3。

图3 二维建模范围及网格剖分结果

图4 一二维水动力模型耦合侧向连接设置

3.2 边界条件

模型边界条件需根据研究区域洪涝灾害致灾因子确定。海游溪流域致灾因子主要分为三类：上游河道洪水、区间暴雨和下游高潮位顶托。因此设置上边界条件为海游溪上游梅坑洪水、亭旁溪上游佃石水库泄洪放水、吴岙溪上游来水以及区间暴雨，下边界设置为水岙门大桥处潮位过程。

3.3 模型参数选取与率定

一维河道水动力模型参数主要为河道糙率，由于海游溪流域内缺乏历史洪水洪痕和水文测站实测资料，因此难以通过历史洪水对模型参数进行率定。根据流域内已有规划成果并结合邻近流域相关资料，采用浙江省水利水电设计院的设计洪水代表站点成果进行模型率定，最大水位误差为0.15 m，满足模型精度要求。

确定河道糙率结果见表1。

表1 三门县海游溪各河段糙率率定结果表

二维模型糙率以土地利用图层为基础，参考浙江省内其他地区洪水风险图成果，按照树丛、居民地、农田等不同类型，赋予网格相应的糙率，其中居民地取0.07～0.12，树丛取0.065，旱田取0.06，水田取0.05，空地取0.035。

4 极端洪水事件情景模拟

4.1 极端洪水演进过程模拟

经计算，三门县海游溪流域在目前的防洪体系下，当发生100年一遇的设计洪水时，淹没面积达到1.35 km2，淹没水深平均在0.5～2.0 m，范围内受影响人口达到900 人。淹没区域主要集中在海润街道、海游街道和珠岙镇，谢家、南岙、下洋、外俞等河道附近被淹没，并且水岙门大桥处由于潮位影响随涨落潮出现漫溢和退水情况。唯有亭旁溪上游由于佃石水库的调洪作用，大大的削减了下游的洪峰，有效的保护了亭旁镇镇政府、火车站等区域。

三门县上游下洋村、南岙村、谢家村和外俞处由于堤防建设不健全，常年发生洪水漫堤；中游县城海润街道和海游街道曾在1963年、1989年、1997年大洪水中发生溃堤淹没，淹没水深达2m～3 m。本次百年一遇极端洪水淹没情景模拟结果与历史洪灾情况基本一致，具有一定的可靠性。

研究区域淹没面积见表2。

表2 海游溪流域发生P=1%设计洪水漫溢方案不同水深等级淹没面积分布

4.2 极端洪水事件洪灾损失预测

由洪灾损失评估结果（表3～表6）可知，淹没家庭财产损失所占的比重最大；其次为居民房屋损失；第三产业损失所占比重较小。这主要是因为海游溪流域居民地主要集中分布在海游溪、亭旁溪、珠岙溪等河流附近，易受洪灾的影响，并且三门县多山地，居民地所处的海拔较低所导致。从产业结构上看，居民房屋和家庭财产损失相对严重，其次是工商业损失和道路损失，而农业损失较轻。

表3 海游溪流域发生P=1%设计洪水漫溢方案不同水深等级受影响人口分布

表4 海游溪流域发生P=1%洪水漫溢方案不同水深等级影响各类资产分布

表5 洪灾经济损失估算 单位：万元

表6 淹没地物统计

5 结论

（1）本文采用MIKE FLOOD 构建海游溪流域一二维水动力模型，根据沿海地区地形地貌和水文气象特征，设置上游洪水、区间暴雨和下游潮位为致灾因子，通过数值模拟得到100年一遇设计洪水情景下淹没范围、淹没水深等水情信息，能够为研究区域防洪调度管理提供了科学决策依据。

（2）本文对海游溪流域100年一遇设计洪水情景下洪水淹没进行了模拟，对洪水损失进行了预测评估，结果表明海游溪流域防洪薄弱区沿河居民区受洪灾影响较大。海游溪流域通过上游水库调洪和重点防洪区域防洪堤坝的建设能够保证部分区域不发生洪水淹没，但其下游入海口及堤防未达标区域仍存在洪水风险，其防洪体系仍需进一步完善。