韓 嶺，蓋永崗，劉 楊，張瑞海

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

0 引 言

我國是世界上洪水災(zāi)害多發(fā)的國家之一，近年來，受全球氣候變化的影響，暴雨極端天氣頻發(fā)，對于山區(qū)性河流，這種突發(fā)暴雨所引起的洪水對其影響更為顯著，對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，對不同量級的洪水方案進(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渡地帶，地勢西北高、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|大灘水庫溢洪道壩下至湟中縣多巴鎮(zhèn)黑嘴橋河段，河道長約56.2 km，研究范圍40.8 km2，河道細(xì)長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)河道長約41.9 km，已建堤防(護(hù)岸)長度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)河道長約14.26 km，已建堤防長度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)確性方面的問題。本文通過側(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程和洪水從河道漫溢到堤防外的淹沒過程。

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)，通過適當(dāng)修正以河道斷面的形式加入模型中；攔河閘壩通過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)模型建立過程中，高速、國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尾水?dāng)嗝娴脑O(shè)計(jì)流量過程線，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)測的水位進(jìn)行率定。采用2010年7月7日場次洪水流量過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斷面所對應(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)測資料進(jìn)行對比分析，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)測與計(jì)算對比表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)測水位相差較小，基本一致。考慮到模型本身等誤差，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》[20]等資料，對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，通過對比分析，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。水面線對比見表5。

表5 湟水河上游段一維河道模型水面線成果對比表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年一遇淹沒水深面積分別為0.47、2.26和2.46 km2，隨著洪水量級的增加，淹沒總面積逐漸增大。不同頻率洪水淹沒主要集中在0.05～2.5 m之間，淹沒面積占到總淹沒面積的95%以上，研究區(qū)域內(nèi)的洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)情況見圖5。

圖5 湟水河上游段洪水淹沒風(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年一遇量級洪水時(shí)，均在局部河段存在漫溢情況，并且隨量級增大其洪水要素也逐漸增大。

5 結(jié) 語

(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)，但淹沒范圍相對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程和洪水從河道漫溢到堤防外的淹沒過程，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)評估中具有良好的適用性。

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