基于水动力模型的小流域洪水淹没分析

2024-01-03黎达通

水利科学与寒区工程 2023年11期

黎达通

(广东省水文局梅州水文分局，广东梅州 514000)

1 研究区概况

1.1 流域水系

梅州地处韩江中、上游，是一个以山地、丘陵为主的地区。境内水系发育，河流溪涧纵横密布，有53条集水面积100 km2以上的河流，其中主要有琴江、五华河、宁江、程江、石窟河、松源河、梅江、汀江、梅潭河、丰良河、八乡河及榕江北河12条河流。全市分属韩江、粤东沿海诸小河及东江三个流域，其中韩江流域在梅州境内的集水面积14 778 km2，占全市总面积(15 890 km2)的93.0%，粤东诸小河流域集水面积858 km2，占5.4%，东江流域集水面积254 km2，占1.6%，梅江与汀江为韩江流域两大水系，在大埔县三河坝汇合后称为韩江，然后南流经潮州市入南海。

1.2 流域降雨特性

工程区域属南亚热带海洋性季风气候区，气候温和湿润，雨量充沛[1]。由于区域内地理条件不一，降雨量时空分配极不平衡，易形成局部暴雨和洪涝灾害；夏季常受台风侵袭，往往造成灾害性天气。

由于本地区位于沿海地区，暴雨的水汽、热力、动力条件皆强于我国大陆的其他沿海省份。暴雨一般表现为强度大、季节长，全年均可能发生暴雨，虽然年内干湿两季明显，暴雨主要集中在汛期(4—9月)，但非汛期(10月—次年3月)也可能出现暴雨或大暴雨。根据雨量站降雨资料分析，本地区暴雨有明显的季节性。前汛期(4—6月)：每年4月开始，受西南季风影响，与南下冷空气遭遇，形成静止锋、冷锋，雨量充沛，常造成暴雨和大暴雨。5月、6月西风槽、西南槽低空急流、切变线、低涡等天气系统进一步活跃，锋面类暴雨增多，雨量增大；后汛期(7—9月)，暴雨主要受热带环流系统如台风、热带辐合带、东风波等影响，是台风活动的盛期。暴雨量的年际变化相对较大，根据实测年最大24 h降雨资料统计，历年最大24 h降雨量为631.0 mm(2008年6月13日)，历年最小24 h降雨量为60.5 mm(1991年8月11日)，前者为后者的10.4倍，多年平均24 h降雨量为174.6 mm。

1.3 流域洪水特性

流域的洪水主要由暴雨形成，通常4—9月频发，峰面雨导致4—6月份洪水，7—10月份因为台风雨和热带气旋造成洪水。因为城区贯穿上寮河，改变了流域的天然汇流条件，天然状态下的壤中流因为硬化的地面直接形成了地表径流，地表径流的比例明显增加，汇流时间缩短。另外，该区域暴雨的特点历时短强度大，暴雨陡涨陡落[2-3]。

2 一二维水动力模型构建

针对梅州河流域陡涨陡落洪水分布特征进行水动力数值模拟研究，利用 MIKE FLOOD模块建立一二维水动力模型[3-5]，模拟该地区的洪水时空分布特征和淹没情况。

2.1 水动力模型原理

采用MIKE11计算模型基于非恒定流理论[6]，软件计算模型是有关非稳态流动的数学模拟程序，以圣维南方程作为基础理论，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Q为流量，m3/s；x为距水道某固定断面沿流程的距离，m；h为水位，m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；g为重力加速度，m/s2。

线性方程的求解算法，利用微分方程进行线性化的有限差分格式。模型的假定依托静水压分布、一维流态、均质流体，以及动量方程、连续性方程等。

2.2 模型构建范围

基于研究区流域划分情况建立水动力模型，确定模型构建范围为[7]：北至梅江与宁江交汇区，南至龙村镇下游排区，西至岐岭河边界，东至榕江北河与丰良河交汇处。覆盖面积36.5 km2，网格分辨率采用10 000 mm×10 000 mm，均为正交网格，网格最终划分数量为53 952个。

2.3 模型参数设置

根据2016年实测1∶1000梅州电子版地形图，同时考虑片区现状及规划雨水管网、路网的布置情况及设计需要，对工程区段流域面积F、河长L及河道平均坡降J等地理参数进行量算作为建模取值依据。洪水采用初损后损法进行产流计算[8]，查用广东省分区产流参数查算图表，求得不同频率的平均后损率f及三天平均损失率值fd。应用m1～θ关系图中的大陆低区B线，Ⅲ号无因次单位线Ui～Xi，Um=0.750，K=1.547。模型主要参数成果见表1。

表1 流域水动力模型计算参数

2.4 模型降雨边界设定

本工程集雨面积较小，设计洪水成果主要由1 h及24 h控制。模型计算在进行河道率定时，上游边界为恒定流量过程，下游边界为设计水位。根据雨量站历年实测雨量系列，统计其年实测最大1 h、6 h、24 h及3 d各时段暴雨资料系列，适线采用P-Ⅲ曲线，暴雨的地区分布规律按照珠江三角洲区域进行设计，采用Cs/Cv=3.5，进行变差系数和各个时段暴雨均值的计算。求得各时段不同频率设计暴雨量作为模型的降雨边界。

3 水动力模型合理性验证

基于各控制断面以上流域的自然地理参数及流域的设计暴雨成果，应用“广东省水文水利计算工作平台”推算出各控制断面的设计洪水综合单位线法[9]和MIKE FLOOD模块模拟法验证水动力模型的合理性。

3.1 模型洪峰模数合理性验证

本次设计洪水从洪峰模数论述其合理性。基于MIKE FLOOD模块计算，现状各控制断面洪峰流量模数模拟结果见表2。

表2 各控制断面洪峰流量模数模拟值

由表2可见，同一河流从上游至下游断面的设计洪峰流量模数符合由大到小的规律；同一断面洪峰流量模数由低频率至高频率符合由大到小的规律。为进一步验证其合理性，现将梅州河现状工程区河口断面与水系内其他集雨面积相当的河涌洪峰流量模数做比较分析。经分析，河涌P=2%～50%设计洪水洪峰模数范围基本与本工程治理终点控制断面设计洪水洪峰模数模拟值相当。

3.2 模型设计洪水合理性验证

在控制断面洪水洪峰模数合理性验证的基础上，采用综合单位线法与MIKE FLOOD模块计算出各控制断面的设计洪水，结果见表3。

表3 控制断面设计洪水成理论值与模拟值对比表

由表3可以看出，本工程各控制断面设计洪水成果采用MIKE FLOOD模拟比综合单位线法成果大1.57%～6.53%，总体模拟值与理论值吻合较好，水动力模型显示水量平衡相对误差为0.000 57%，可忽略不计，模型整体计算精度准确。因此可通过本次构建的梅江流域一二维水动力模型进一步计算洪水时空分布特征和淹没情况。

4 洪水模拟结果

在模型验证的基础上，根据水文水动力耦合模型计算梅江区域淹没水深及覆盖面积。

4.1 洪水淹没风险分析

表4为梅江五华县区域现状河道20年一遇、50年一遇、100年一遇不同淹没水深对应的淹没面积结果。由表4可以看出梅江五华县流域20年一遇、50年一遇、100年一遇的淹没面积分别为8.78 km2、15.32 km2、20.82 km2，基本满足地势越高洪水淹没风险越小的分布特征，淹没水深在h≤0.5 m 和0.5 m

表4 现状河道洪水淹没风险汇总

梅江河五华县段全长6.98 km，大部分河道进行了10年一遇至50年一遇的整治。根据河道现状分析其原因，岗头调节池至五孔箱涵出口段为天然河道，宽约30～60 m，该段已纳入桥头片区排涝工程中进行整治。本工程治理范围为五孔箱涵出口至屋山水库主坝下游段。其中，创新路以下河段周边地势低洼，地面高程在3～4 m之间，局部低点高程<3 m，同时受岗头调节池水位顶托、中心路-宝安大道箱涵压低的影响，导致该片区内涝严重。片区内涝问题已启动桥头片区排涝工程可行性研究，应重点解决河道的排洪工程。

4.2 滞洪区调蓄能力分析

本工程拟在S-1断面处新建1#滞洪区，此处滞洪区占地0.60万m2，最大滞洪容积为1.76万m3。滞洪区采用河湖结合的方式，河宽22～40 m。S-4断面处新建2#滞洪区，此处滞洪区占地1.50万m2，最大滞洪容积为4.53万m3。滞洪区采用河湖结合的方式，河宽18～140 m。拟新建的滞洪区对流域洪水均有一定的调蓄作用。调蓄后设计洪水的计算根据水量平衡原理，采用MIKE FLOOD模拟对各调蓄工程进行调洪演算[10]，下游设计洪水为区间设计洪水与下泄流量同频率同时段叠加。

各调蓄工程水位～库容成果见表5；各调蓄工程出水口水位～流量关系成果见表6。