基于MIKE21模型的河口地区洪水风险分析

和宛琳，王 振

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

河口地区是滨海城市环境特色最鲜明、形象最具代表性、活力最充盈和土地价值最宝贵的区域，土地开发建设速度加快，人水争地矛盾突出，天然排洪空间萎缩，同时，河口地区一般地处台风走廊，地势平坦，特殊的地理位置和自然条件造就了河口地区面临洪、涝、潮灾害交织的风险，水安全已成为河口地区开发建设中面临的首要难题。

水动力学模型能够模拟得到较详细的淹没要素时空分布，包括淹没范围、淹没水深、淹没历时及流速等，是目前运用最广泛的分析手段[1]。丹麦DHI公司开发的MIKE系列模型是国际上应用较为广泛的一款商业水动力学计算软件，曾在丹麦、埃及以及中国等地区得到广泛应用[2- 7]。针对我国河口地区洪涝潮问题，王秀杰等[8]构建一、二维耦合模型，以河道洪水、暴雨以及风暴潮为洪水来源，模拟多重现期洪水情境下的溃漫堤淹没风险，借鉴金融风险管理中风险度量和期望理论模拟研究，提出围海工程对工程附近水环境动力特征和泥沙回淤的影响；刘睿哲等[10]通过对“天鸽”风暴潮的模拟，验证了MIKE21模型和Holland风场构建的天文潮以及二维风暴潮模型的可靠性。以往研究表明，MIKE系列软件可较好的应用于河口地区洪涝潮影响分析。

本文针对大洪水时多条河流漫溢行洪，下游遭遇风暴潮的河口地区，以万泉河为例，构建设计洪水、设计涝水叠加外海风暴潮的洪涝潮水模拟模型，针对关键技术问题进行研究，模拟复杂水力条件下洪水漫溢及演进过程，以期为万泉河河口地区防洪体系完善、洪水风险管理及博鳌乐城国际医疗旅游先行区规划建设提供依据和支撑。

1 MIKE21模型原理

万泉河河口地区二维水动力模型，计算原理依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组，包括3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，形式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，x，y—直角坐标系的横纵坐标，m；u，v—x，y方向的流速分量，m/s；z，h—x，y处的水位和水深，m。

根据以上方程组，利用迭代法求解即可得到每一时刻在(x，y)处的水位z、水深h以及x，y方向的流速u，v。模拟中考虑了线状阻水地物如堤防、道路及桥涵对洪水演进的影响。

2 洪水演进模型构建

2.1 区域概况及计算方案

万泉河位于海南岛东南偏东部，是海南岛第三大河流，流域面积3693km2，是我国未受污染、生态优美的热带河流，被誉为中国的“亚马逊河”。万泉河加积坝以下的河口地区在2001年成立博鳌亚洲论坛，2013年国务院正式批复设立博鳌乐城国际医疗旅游先行区。一方面，万泉河流域上游水利枢纽控制洪水能力有限，中下游地区地势平坦低洼，堤防建设滞后，已建堤防不足18km，大部分河段不足10年一遇防洪(潮)标准，防洪潮体系不完整；另一方面，万泉河下游贯穿规划建设中的博鳌乐城国际医疗旅游先行区，新区的发展离不开滨河岸滩土地资源的开发利用，但防洪安保亦需要足够的行洪河道。2016年规划建设中的乐城先行区已建园区遭受台风“莎莉嘉”的正面袭击，造成较为严重的洪涝损失。因此，研究万泉河河口地区存在的防洪潮风险已迫在眉睫。

万泉河河口地区淹没风险主要来源于万泉河、塔洋河、九曲江大洪水时的漫溢行洪、暴雨内涝以及风暴潮引发的海水倒灌。根据1976—2020年万泉河流域加积站实测洪峰流量和港北(外)实测洪潮资料分析，45年里仅有1985、1994年2年中，加积站年最大洪水和港北(外)站年最高潮位出现在同一天，且均未造成河口灾害，故认为洪潮遭遇机率较小，且遭遇情况不恶劣。因此计算方案分为以洪为主和以潮为主2种情况，共设定3个计算方案，见表1，以下以淹没情况最为严重的方案2进行说明。

表1 万泉河河口地区洪潮风险分析计算方案表

2.2 洪水演进模型构建

2.2.1模型范围及模型关键技术

选用MIKE21建立万泉河河口地区二维非恒定流模型，模型以万泉河河道为轴线，上至加积坝，下至入海口，河道两岸充分考虑降雨汇流方向，总体上以流域分水岭为界，面积132.6km2，模型计算范围内万泉河河长24km。

万泉河河口地区河网密布，由第三方软件GEOPAK Civil对模型范围内的万泉河干流和主要支流进行三维开挖，然后将开挖数据导入模型插值，从而得到反映完整河网形态的高精度网格。采用此种方法构建的二维模型，一方面避免了分别构建各河流的一维河道洪水演进模型，再与二维平面区域模型进行耦合存在的工作量大、模型不稳定，及耦合点地形不匹配，洪水无法在耦合点自由交换等问题，另一方面也更好地模拟了洪水的自然汇流过程。高出地面0.5m以上的道路等线状阻水地物，以DIKE的方式加入二维模型，其下桥涵以CULVERT的形式设置。模型信息见表2。

表2 二维模型信息表

2.2.2边界条件确定

模型控制边界主要包括上游入流(万泉河加积站设计洪水过程)、区间入流(塔洋河和九曲江设计洪水过程及设计暴雨过程)及下游出流(设计潮位过程)。

(1)入流边界条件。万泉河加积站控制流域面积3236km2，上游牛路岭水库、红岭水库控制流域面积分别占加积站控制面积的38.2%和23.0%，因此，加积站设计洪水考虑2水库调蓄影响，按照同频率和典型年2种地区组成方法分别进行计算；经过比选及与历史成果对比，最终采用对加积偏不利、1970年典型年法成果。九曲江、龙滚河流域内无实测洪水资料，根据1991年广东省暴雨参数等值线图查算暴雨参数，采用综合单位线法推算2条河流入万泉河口处设计洪水过程。

万泉河加积断面、塔洋河、九曲江20年一遇设计洪水过程如图1所示。

图1 模型入流边界各河流20年一遇设计洪水过程

(2)出流边界条件。万泉河下游河段出口受潮位顶托，出流边界条件为入海口处10年一遇设计潮位。万泉河入海口附近无实测潮位资料，设计潮位由港北、清澜站两站的设计潮位平均值，同时叠加未来海平面上升趋势值得到，成果如图2所示。

图2 万泉河入海口10年一遇设计潮位过程

2.2.3模型参数验证

按照模型应用的一般步骤，应该首先选择2—3场洪水资料率定模型参数，但由于研究区缺少必要的实测资料，本文直接根据相关资料和经验，初步选定相关参数，然后再借助有限的实测资料验证参数的合理性。糙率(n)是水力学计算的关键参数，反映了区域地表、河道底部以及岸坡影响水阻力的综合系数。在二维地表产汇流模型中，糙率以曼宁值表示(单位m1/3/s)，按公路、农田、绿地、建筑用地、村庄房屋、树林、水面等细分各类下垫面，并分别赋予不同的糙率值。根据《万泉河流域水生态文明建设与综合治理总体方案》及《洪水风险图编制导则》，结合现场查勘，河道及各下垫面糙率取值见表3。

表3 河道及各下垫面糙率取值表

由于模型计算范围内万泉河仅有加积水文站，且位于模型计算范围最上端，水文数据无法用来验证模型，因此采用实测洪痕数据对模型参数进行验证。2016年台风“莎莉嘉”在琼海市登陆，实测加积站最大洪峰流量4820m3/s，洪水量级约为3年一遇。根据实地调查，模型范围内共收集到3处洪痕点。采用2016年10月13日万泉河加积站实测洪水过程和塔洋河、九曲江对应量级的设计洪水过程作为入流，进行模拟计算，计算结果与实测洪水位对比见表4。由表可知，3处调查洪痕模拟水位与调查水位差值在0.20m范围内，故认为模型参数选取基本合理。

表4 模型模拟与实测洪痕对比表

3 洪水演进结果分析

根据所建万泉河河口区域二维水动力学模型，动态模拟其遭遇方案2情况下的洪水演进过程，采用非恒定流水动力学方法计算万泉河不同断面实时水位和流量以及漫溢洪水演进过程中任一网格不同时刻的洪水淹没风险要素。结果显示各方案的流场分布与DEM整体高程分布一致，洪水流动的趋势遵循从高到低的原则，考虑渗漏损失的情况下，模型总体满足水量平衡。

3.1 淹没风险分析

根据模拟结果，方案2情况下万泉河河口地区河段两岸漫溢情况较为严重，淹没风险大。5d 120个模拟时段中最大淹没水深分布情况如图3所示。

图3 最大淹没范围图

根据上边界入洪过程，从模拟的第43个时段开始，随着洪水流量的快速增加，洪水逐渐出槽漫溢行洪，初期主要集中在加积坝下游的万泉河右岸，到第56个时段，洪峰达到最大，万泉河左右岸及乐城岛、沙坡岛、东峪岛均有不同程度的淹没，模型范围内最大淹没面积45.06km2(不含水域面积24.60km2)，最大淹没水深3.75m，而后洪水逐渐消退，至第80个时段基本消退。

3.2 规划博鳌乐城国际医疗旅游先行区淹没风险分析

乐城先行区位于琼海市嘉积区和博鳌论坛核心区之间，横跨万泉河两岸，规划面积20.9km2，规划总体空间结构为“双心六片”，双心即万泉河北岸的综合服务中心和南岸的综合康养中心；六片即6个主要的医疗旅游功能组团。乐城先行区于2015年开始建设，截止2019年底，已建(在建)园区15个，以医疗康养为主要功能，集中在万泉河右岸的规划区南部。

以洪为主20年一遇方案下，乐城先行区陆域面积12.9km2范围内淹没影响区域达9.21km2，平均淹没水深1.27m，最大淹没水深2.37m，位于塔洋河支流翡翠湾沟左岸附近区域。其中万泉河左右岸规划区淹没面积分别为6.39、5.05km2，水深0.5m以上水深面积占比分别为59%、63%。15个已建园区中10个园区有洪水进入，地势较低的博鳌超级医院四周最低处淹没水深超过了1.0m。乐城岛面积约146万m2，仅有6万m2未被淹没，淹没比例达到了96%，岛上最大淹没水深6.1m，平均淹没水深2.6m，55%的面积淹没水深达到了2.0m以上。

4 结语

(1)本文基于MIKE21构建了洪涝水与风暴潮共同作用下的万泉河河口地区二维水动力学模型，能够有效模拟万泉河河口地区洪水演进过程及风险分布特征，结果较为合理可靠，相关成果已应用于博鳌乐城国际医疗旅游先行区水安全保障方案和控制性详细规划修编中[11]。

(2)健康的城市发展建设，是在遵循河流自然进程基础上的可选择性开发，是一种弹性的发展模式[12]。万泉河河口地区规划时应处理好防洪规划与城市规划建设之间的关系，根据现状防洪潮形势，划定防洪治导线，留足行洪通道；通过上游牛路岭、红岭水库联合调度，中下游新建堤防，构建“库堤结合”的防洪体系及“排涝河道+蓄滞涝区+挡洪潮闸”组成的排涝体系，提高区域防洪涝(潮)标准，提升水安全保障能力，保障地区经济持续稳定发展。