韓 嶺，蓋永崗，劉 楊，張瑞海

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003)

0 引 言

我國(guó)是世界上洪水災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家之一，近年來(lái)，受全球氣候變化的影響，暴雨極端天氣頻發(fā)，對(duì)于山區(qū)性河流，這種突發(fā)暴雨所引起的洪水對(duì)其影響更為顯著，對(duì)河流兩岸居民的生產(chǎn)生活造成了巨大影響，加之部分河流的防洪工程建設(shè)滯后，防洪應(yīng)急管理能力不足，出現(xiàn)了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。隨著防洪理念由控制洪水向洪水管理的轉(zhuǎn)變，洪水?dāng)?shù)值模擬已成為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水損失評(píng)估的一個(gè)重要手段，是洪水管理的科學(xué)依據(jù)[1-3]。

目前比較流行的水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件有荷蘭的Delft 3D模型[4,5]、英國(guó)的InfoWorks RS模型[6]、丹麥的MIKE模型[7,8]及其他自主開發(fā)的軟件模型[9-11]，雖然這些軟件在功能實(shí)現(xiàn)、計(jì)算算法和建模方法上各有不同，但都得到了廣泛的使用和工程驗(yàn)證，具有很高的可信性。其中MIKE模型因其強(qiáng)大的前、后處理功能，是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的水力學(xué)模型之一[12-18]。針對(duì)湟水河上游段的河道特征及地形地貌，本文擬采用MIKE FLOOD 模型建立該河段的一二維耦合水動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)不同量級(jí)的洪水方案進(jìn)行模擬，獲得不同水文要素的時(shí)空分布及洪水淹沒(méi)信息。

1 研究區(qū)概況

湟水流域位于青藏高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，地勢(shì)西北高、東南低，境內(nèi)高山、丘陵交錯(cuò)分布，高差懸殊，區(qū)域內(nèi)地形多變，有高山、中山、黃土覆蓋的低山丘陵和河谷盆地，古老基地局部隆起形成峽谷，分隔了中生代斷陷盆地，各盆地呈串珠展布。湟水流域夏秋多暴雨，沿途溝道發(fā)育，山區(qū)地面坡降陡，匯流時(shí)間短，易在短時(shí)間內(nèi)形成洪峰，引起河道水位暴漲，使人民生命財(cái)產(chǎn)遭受嚴(yán)重?fù)p失。根據(jù)湟水干流的地形地貌特征，湟水干流分為上、中、下游三段。西寧以上為上游，河段長(zhǎng)174 km左右，面積9 022 km2，落差1 976 m，平均比降1.14%；西寧至民和為中游，民和以下為下游。

本次研究區(qū)域?yàn)殇宜嫌蔚臇|大灘水庫(kù)溢洪道壩下至湟中縣多巴鎮(zhèn)黑嘴橋河段，河道長(zhǎng)約56.2 km，研究范圍40.8 km2，河道細(xì)長(zhǎng)彎曲屬于典型的山區(qū)性河道。湟水河上游河道干流主要流經(jīng)湟源縣和湟中縣，其中湟源縣境內(nèi)河道長(zhǎng)約41.9 km，已建堤防(護(hù)岸)長(zhǎng)度34.68km，其中左岸14.4 km，右岸20.28 km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；湟中縣境內(nèi)河道長(zhǎng)約14.26 km，已建堤防長(zhǎng)度7.7 km，其中左岸4.03 km，右岸3.67 km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，防洪工程建設(shè)情況見表1。

表1 湟水河上游段防洪工程統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The upper reaches of Huangshui River flood control projects statistical

2 模型原理

2.1 一維模型原理

河道一維模型采用MIKE11水動(dòng)力模塊，模型基本方程為圣維南方程組，包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)和動(dòng)量方程：

(2)

式中：q為旁側(cè)流量；Q為總流量；s為距離坐標(biāo)；V為斷面平均流速；h為水深；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；i為渠底坡降；C為謝才系數(shù)。

Mike11模型采用6點(diǎn)Abbott～I(xiàn)onescu有限差分格式對(duì)圣維南方程組求解，該模型基于反映有關(guān)物理定律的微分方程組，并對(duì)微分方程組進(jìn)行線性化的有限差分格式，以及求解線性方程組的算法。

2.2 二維模型原理

河道外二維區(qū)域采用MIKE21 FM (非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)水動(dòng)力模塊建模，其原理基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，服從布辛涅斯克假設(shè)和靜水壓力假設(shè)：

h=η+d

(3)

連續(xù)方程：

(4)

動(dòng)量方程：

(5)

(6)

(7)

2.3 模型耦合

河道一維模型(MIKE11)和河道外二維模型(MIKE21)通過(guò)MIKE FLOOD模塊連接在一起，成為動(dòng)態(tài)耦合地模型系統(tǒng)，使模型既繼承了一維和二維模型的優(yōu)點(diǎn)，又避免了采用單一模型時(shí)遇到的網(wǎng)格精度和準(zhǔn)確性方面的問(wèn)題。本文通過(guò)側(cè)向連接方式將一維模型連接到二維模型中，在計(jì)算時(shí)，一二維模型同時(shí)計(jì)算，在連接處進(jìn)行動(dòng)量傳遞，可以較好地模擬洪水匯入河道的匯流過(guò)程和洪水從河道漫溢到堤防外的淹沒(méi)過(guò)程。

3 模型建立與驗(yàn)證

3.1 一維模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)提取水系圖層文件，構(gòu)建湟水河上游段河道一維模型(MIKE11)的河網(wǎng)文件。為保證建立模型的合理性，在一維水動(dòng)力學(xué)模型中，堤防(護(hù)岸)在河道斷面文件中以堤岸的形式體現(xiàn)在模型中；引橋路基則根據(jù)距離該處最近的河道上下游斷面形態(tài)，通過(guò)適當(dāng)修正以河道斷面的形式加入模型中；攔河閘壩通過(guò)添加河道建筑物中的溢流堰加入模型中。

根據(jù)河道斷面設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)實(shí)測(cè)資料，湟水河上游河道平均300 m設(shè)置一個(gè)斷面，共設(shè)置河道斷面144個(gè)，其中河道斷面116處，引橋路基斷面28處；概化攔河閘壩13座，一維水動(dòng)力學(xué)河網(wǎng)概化見圖1。

圖1 一維水動(dòng)力學(xué)模型河網(wǎng)概化圖Fig.1 River network generation of 1D model

3.2 二維模型構(gòu)建

湟水河上游段河道外采用二維水動(dòng)力學(xué)模型(MIKE21)進(jìn)行搭建。湟水河上游二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算區(qū)域面積為40.8 km2。將計(jì)算范圍邊界線及網(wǎng)格剖分的分區(qū)線圖層文件導(dǎo)入MIKE21 FM模型，為滿足模型計(jì)算精度，分區(qū)設(shè)定網(wǎng)格剖分最大面積、最大角度等參數(shù)，然后生成網(wǎng)格。二維模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)37 533個(gè)，網(wǎng)格數(shù)為60 435個(gè)，平均網(wǎng)格面積1 587 m2，單網(wǎng)格最大面積為10 000 m2，最小面積46 m2，網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖2。

圖2 二維水動(dòng)力學(xué)模型網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Mesh generation of 2D model

對(duì)各計(jì)算分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分后，采用1∶2 000比例尺的DEM高程數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格高程插值，得到二維模型的地形云圖。

在湟水河上游二維水動(dòng)力學(xué)模型建立過(guò)程中，高速、國(guó)道等阻水線狀地物均以堤防建筑物的形式加入模型中，不考慮風(fēng)、浪、潮汐、溫度、鹽度等因素的影響。

3.3 邊界條件

研究區(qū)域內(nèi)的MIKE11一維水動(dòng)力學(xué)模型上游開邊界為東大灘水庫(kù)尾水?dāng)嗝娴脑O(shè)計(jì)流量過(guò)程線，下游開邊界為湟水河黑嘴橋河道大斷面的水位流量關(guān)系，見圖4。

圖3 黑嘴橋斷面水位流量關(guān)系Fig.3 Relationship between water level and water level in the section of HEI Zui bridge

湟水干流兩岸支流眾多，上下游干支流的洪水常有遭遇的情況，設(shè)計(jì)洪峰沿程逐漸增加。為保證湟水河上游干流河段洪水分析的連續(xù)性，且各斷面均能達(dá)到設(shè)計(jì)洪峰流量數(shù)值，在洪水分析時(shí)，干支流交匯處均假設(shè)以支流匯合口上下游斷面同頻，各支流(區(qū)間)相應(yīng)。根據(jù)湟水河干流上段洪水設(shè)計(jì)成果資料，分別在胡旦橋、大路橋、石崖莊、西納川入?yún)R口處將區(qū)間設(shè)計(jì)洪水過(guò)程作為點(diǎn)源加入，使干流上下游洪水與設(shè)計(jì)洪水保持一致。東大灘尾水?dāng)嗝婧透鼽c(diǎn)源洪峰流量，見表2。

表2 上邊界及點(diǎn)源洪峰流量 m3/s

研究區(qū)域內(nèi)的MIKE21二維水動(dòng)力學(xué)模型中除開邊界外，其余邊界為固定邊界。開邊界通常指計(jì)算區(qū)的出流和入流邊界。研究區(qū)域內(nèi)河道外二維水動(dòng)力模型的入流設(shè)置通過(guò)MIKE FLOOD耦合模型一二維側(cè)向連接實(shí)現(xiàn)，二維模型本身不再設(shè)置出入流邊界。

3.4 耦合參數(shù)

由于一維模型中的構(gòu)筑物高程和二維模型中的網(wǎng)格地形存在偏差，且本次研究區(qū)域內(nèi)的地形采用較為精細(xì)的1∶2 000的地形圖，為了更為準(zhǔn)確的模擬洪水漫堤的情況，耦合模型中堰的底高程采用二維模型的單元高程。

3.5 模型參數(shù)率定

湟水河上游段河道一維水動(dòng)力學(xué)模型率定選用2010年石崖莊站(湟源站)實(shí)測(cè)的水位進(jìn)行率定。采用2010年7月7日?qǐng)龃魏樗髁窟^(guò)程作為模型上游邊界條件，進(jìn)行洪水演進(jìn)模型計(jì)算，提取計(jì)算成果中石崖莊水文站觀測(cè)斷面所對(duì)應(yīng)模型河道斷面的水位與流量結(jié)果文件，分析整理后與石崖莊水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見表3。

表3 石崖莊站斷面水位流量關(guān)系實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比表Tab.3 Relationship between water level and water level in the section of SHI Yazhuang

從表3中可以看出：模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位相差較小，基本一致?？紤]到模型本身等誤差，可以認(rèn)為湟水河上游段一維水動(dòng)力學(xué)模型模擬效果良好，模型參數(shù)設(shè)置合理。

二維水動(dòng)力學(xué)模型建模中，需要著重分析論證的是二維模型地形糙率。根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》[19]、《水力計(jì)算手冊(cè)》[20]等資料，對(duì)不同下墊面賦予不同的糙率值。為保證模型計(jì)算精度，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型為每個(gè)網(wǎng)格設(shè)定不同的糙率值，通過(guò)插值得到計(jì)算區(qū)域糙率值云圖，見圖4。研究區(qū)域內(nèi)的主要土地利用類型包括耕地、居民地、灘地、林地、草地等，其分布比例見表4。

圖4 二維模型地面糙率值云圖Fig.4 Surface roughness map of two dimensional model

表4 土里利用類型分布情況表 %

3.6 模型驗(yàn)證

根據(jù)洪水資料的收集情況，本次模型驗(yàn)證采用相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告中并已正在實(shí)施的湟水河八敗溝至石板溝河段的設(shè)計(jì)水面線，對(duì)河道模型進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。

選取湟水河八敗溝至石板溝河段9個(gè)斷面進(jìn)行模型驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比分析，設(shè)計(jì)報(bào)告水位和本次計(jì)算水位相差比較小，可以認(rèn)為模型搭建合理。水面線對(duì)比見表5。

表5 湟水河上游段一維河道模型水面線成果對(duì)比表Tab.5 Contrast of water line results of the one-dimensional channel model of the upper reaches of Huangshui River

4 計(jì)算結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)洪水分析計(jì)算方案，研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生10年一遇洪水時(shí)，主要在下胡旦橋至大路橋河段及果米灘河段、石板溝村河段、扎麻隆村以下河段漫溢；發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，主要在下胡旦橋至大路橋河段及石崖莊至多巴鎮(zhèn)河段漫溢；發(fā)生100年一遇洪水時(shí)，主要在下胡旦橋至大路橋河段及湟源縣城內(nèi)的立達(dá)橋至東風(fēng)橋段、石崖莊至黑嘴橋全段漫溢，且漫溢最大范圍都發(fā)生在洪峰到達(dá)河道斷面的時(shí)刻。

研究區(qū)域內(nèi)10年、50年和100年一遇淹沒(méi)水深面積分別為0.47、2.26和2.46 km2，隨著洪水量級(jí)的增加，淹沒(méi)總面積逐漸增大。不同頻率洪水淹沒(méi)主要集中在0.05～2.5 m之間，淹沒(méi)面積占到總淹沒(méi)面積的95%以上，研究區(qū)域內(nèi)的洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)情況見圖5。

圖5 湟水河上游段洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)圖Fig.5 Inundation risk map of the upper reaches of Huangshui River flood

結(jié)合目前研究區(qū)域內(nèi)防洪工程的現(xiàn)狀，湟水河大路橋—八敗溝段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，八敗溝—石板溝段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，多巴鎮(zhèn)—黑嘴橋堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，由圖5可知，當(dāng)發(fā)生10年一遇及50年一遇洪水時(shí)，湟源縣大路橋至湟源縣城段洪水不出槽；在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水(100年一遇洪水)時(shí)，在湟源縣城段局部洪水漫溢出河槽進(jìn)入城區(qū)；在遭遇10年、50年、100年一遇量級(jí)洪水時(shí)，均在局部河段存在漫溢情況，并且隨量級(jí)增大其洪水要素也逐漸增大。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)當(dāng)發(fā)生10年、50年一遇洪水時(shí)，湟水河上游段防洪工程基本上能防御相應(yīng)級(jí)別的洪水，能較好地發(fā)揮防洪作用。特別是湟源縣城段河道防洪工程的修建對(duì)區(qū)域防洪安全起到了非常重要的作用。

(2)當(dāng)發(fā)生100年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，由于主槽的過(guò)流能力有限，在湟源縣城段局部洪水漫溢出河槽進(jìn)入城區(qū)，但淹沒(méi)范圍相對(duì)很小且平均水深不足0.5 m；在申中鄉(xiāng)、多巴鎮(zhèn)河段洪水大面積漫溢，淹沒(méi)河道兩岸耕地和村莊，防洪能力略顯不足。

(3)建議根據(jù)洪水分析的結(jié)果，完善各地區(qū)防洪搶險(xiǎn)預(yù)案，合理安排工程建設(shè)尤其湟水河上游段的申中鄉(xiāng)、多巴鎮(zhèn)河段的部分河道防洪工程建設(shè)。

(4)根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知，MIKE FLOOD耦合模型合理的模擬了湟水河上游段遭遇不同頻率洪水時(shí)的洪水匯入河道的匯流過(guò)程和洪水從河道漫溢到堤防外的淹沒(méi)過(guò)程，為該地區(qū)的防洪救災(zāi)提供了技術(shù)支撐，表明MIKE FLOOD耦合模型在山區(qū)性河流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有良好的適用性。

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