李小天，戚 藍(lán)，胡琳琳，滕 暉，施 征，甄億位

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020)

0 引 言

洪水災(zāi)害目前仍是世界上最為頻發(fā)的自然災(zāi)害之一，每年往往會造成大量的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。隨著城市化進(jìn)展的不斷加快，下墊面原有的組成受到破壞；從而導(dǎo)致防洪形式發(fā)生新的變化。人們逐漸意識到單純依靠工程措施已經(jīng)不能滿足防洪要求；同時，超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險已經(jīng)對城市發(fā)展構(gòu)成極大的威脅[1]。正是在這種背景下，防洪戰(zhàn)略從“控制洪水”轉(zhuǎn)為“洪水管理”顯得尤為必要。洪水管理是人類按照可持續(xù)發(fā)展的原則，以協(xié)調(diào)人與洪水關(guān)系為目的，理性規(guī)范洪水調(diào)控行為與增強(qiáng)適應(yīng)能力等一系列活動的總稱[2]。

洪水風(fēng)險管理包括洪災(zāi)風(fēng)險分析、洪災(zāi)風(fēng)險評價和洪災(zāi)風(fēng)險管理與決策。洪災(zāi)風(fēng)險分析是洪災(zāi)風(fēng)險評價的前提，而洪災(zāi)風(fēng)險評價又是洪災(zāi)風(fēng)險管理和決策的依據(jù)。城市洪災(zāi)風(fēng)險分析是指借助洪水模擬技術(shù)對城市不同強(qiáng)度暴雨洪水可能形成的淹沒特征進(jìn)行研究。目前，采用的模擬方法包括水文學(xué)和水力學(xué)。隨著計算機(jī)及數(shù)值計算技術(shù)的提高，城市洪澇模擬的水力學(xué)方法得以迅速發(fā)展并在城市雨洪模擬中取得了許多成功。Mark等[3]采用隱式差分求解圣維南方程組，建立了城市街道與地下管網(wǎng)聯(lián)動的一維水動力學(xué)模型，成功模擬了地表一維非恒定流過程。Schmitt等[4]采用有限體積法求解淺水波方程組，用于模擬城市暴雨地表二維非恒定流過程。張新華等[5]建立的任意多邊形網(wǎng)格2D FVM模型在時空上均具有二階精度，應(yīng)用于城市的二維非恒定流模擬取得了較好的計算結(jié)果。

圖1 計算范圍及阻水建筑物概化示意

本文以西苕溪干流長潭以下至長興界之間的區(qū)域為例，構(gòu)建了一、二維水動力耦合模型，模擬了多種計算方案下洪水淹沒演進(jìn)過程并進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險分析，為研究區(qū)防洪減災(zāi)和洪水風(fēng)險管理等提供重要參考。

1 研究區(qū)域概化及模型構(gòu)建

1.1 區(qū)域概化

西苕溪干流長潭以下至長興界河道蜿蜒扭轉(zhuǎn)，水流不暢，為洪水多發(fā)區(qū)；所以，將此區(qū)域作為此次洪水風(fēng)險分析的研究區(qū)域。該區(qū)對應(yīng)河長約48.0 km，區(qū)域面積約180 km2，此處河段彎曲支流上溯到大溪蔣塘里、滸溪白水灣及遞鋪溪鳳凰水庫壩下。根據(jù)洪水來源、河道走向、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路等阻水建筑物的分布情況，將計算邊界概化為：將西溪賦石水庫、南溪老石坎水庫、大溪蔣塘里、滸溪白水灣、遞鋪港鳳凰水庫、渾泥港、昆銅港等7處作為上邊界，采用洪水流量過程線；將港口水文站作為下邊界，采用水位過程線；研究區(qū)涉及支流概化為9條集中入流和12段沿程入流，概化水工建筑物84個，其中堰壩53座、水閘4座、阻水橋梁27座；最終得到的洪水風(fēng)險分析計算邊界及主要阻水建筑物(見圖1)。

1.2 模型方案構(gòu)建

考慮安吉縣西苕溪流域洪水特性、基礎(chǔ)資料等因素，本次采用河道一維和區(qū)域二維水動力耦合模型模擬洪水要素。基于MIKE FLOOD對MIKE 11和MIKE 21進(jìn)行耦合，分析河道洪水演進(jìn)及區(qū)域洪水淹沒過程。

(1)一維水動力模型(MIKE11)。采用MIKE11河流模型建立適合西苕溪流域的一維河道非恒定流數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型對分析區(qū)域的河道及現(xiàn)有工程做了合理概化處理，以便較好地反映流域的水流特性。連續(xù)性方程

(1)

運(yùn)動方程

(2)

式中，Q為斷面洪水流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；q為均勻旁側(cè)入流的單寬流量，m2/s；x為沿程距離，m；t為時間，s；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，s/m1/3；Z為斷面水位，m；α為動量修正系數(shù)。

(2)二維水動力模型(MIKE 21)。堤防外平面水流模擬，采用MIKE 21中的FM模塊。該模塊的計算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分系統(tǒng)，能有效控制劃分?jǐn)?shù)量和單元數(shù)量。模型依據(jù)的是描述平面水流運(yùn)動的二維非恒定流方程組，共包括三個方程：水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動量方程及水流沿y方向的動量方程。即

(3)

(4)

(5)

式中，Z為水深，m；H為水位，m；q為連續(xù)方程中的源匯項，m/s；M為垂直于x方向的平均單寬流量，m2/s；N為垂直于y方向的平均單寬流量，m2/s；u為x方向的平均流速，m/s ；v為y方向的平均流速，m/s ；n為糙率；g為重力加速度，m/s2。

(3)一、二維模塊耦合(MIKE FLOOD)。MIKE FLOOD模型耦合連接一、二維模塊計算，采用側(cè)向連接方式耦合兩個模塊。側(cè)向連接允許MIKE 21的網(wǎng)絡(luò)從側(cè)面連接到MIKE 11的部分河道或整個河道，利用結(jié)構(gòu)物能量公式來計算通過側(cè)向連接的水流。潰堤部分計算采用能量方程，一維模塊提供潰口位置河道側(cè)水位，二維模塊提供潰口位置堤后水位，兩側(cè)水位按照模型時間步長進(jìn)行實時更新，互相影響，并維持模型的總水量守恒。能量方程

(6)

式中,Z1、Z2為上、下斷面的水位，m；hf、hj為上下斷面間的沿程、局部水頭損失，m；u1、u2為上、下斷面的流速，m/s；α1、α2為上、下斷面的動能修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

本次采用側(cè)向連接的方式耦合河道一維模型與二維保護(hù)區(qū)模型，以適用性較好的堰流公式計算通過側(cè)向連接的水流，模擬一維河道洪水以漫堤的方式向二維保護(hù)區(qū)演進(jìn)過程。模型共設(shè)置側(cè)向連接45處。一、二維耦合模型如圖2所示。

圖2 一、二維耦合模型示意(單位:m)

2 模型參數(shù)率定與驗證

2.1 參數(shù)率定

結(jié)合研究區(qū)域的歷史洪水資料，選擇2009年作為參數(shù)率定年份，2013年作為驗證年份。在水動力模型中，需要率定的主要參數(shù)是糙率系數(shù)，糙率是反映水流流動時受阻程度的一個綜合系數(shù)。本研究對不同的河段分別賦予不同的糙率。參數(shù)率定時將已有的參數(shù)成果作為糙率初值，在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行調(diào)試。

表1 計算區(qū)域糙率取值分布

2.2 率定結(jié)果

將梅溪水文站與橫塘水文站實測資料與模型計算值進(jìn)行比較，通過不斷調(diào)整參數(shù)，使模擬結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。2009年的率定誤差結(jié)果見表2。

表2 洪水率定計算成果

由表2可知，率定誤差滿足《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細(xì)則(試行)》規(guī)定的最大水位誤差絕對值小于等于0.2 m，計算值與實測值吻合較好。

2.3 參數(shù)驗證

為了檢驗西苕溪流域洪水演進(jìn)計算模型的準(zhǔn)確性及合理性，根據(jù)率定的模型參數(shù)，選取2013年“菲特”典型洪水進(jìn)行參數(shù)驗證，驗證誤差結(jié)果見表3。

表3 洪水驗證計算成果

由表3可知，梅溪站與橫塘站最大水位誤差絕對值分別為0.05 m和0.08 m，遠(yuǎn)小于《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細(xì)則(試行)》規(guī)定的最大水位誤差絕對值小于等于0.2 m，說明計算采用的網(wǎng)格概化及參數(shù)是合理有效的。

3 洪水演進(jìn)計算及風(fēng)險分析

3.1 計算方案設(shè)定

根據(jù)分析安吉西苕溪流域防洪標(biāo)準(zhǔn)和邊界洪水來源分析，本文擬定計算方案數(shù)量11個，包括5個漫溢方案和6個潰堤方案，如表4所示。

表4 計算方案

3.2 計算成果

根據(jù)計算結(jié)果可知，方案1～5的洪水淹沒面積分別為2.81、8.77、21.84、37.07、45.57 km2。5年一遇仍有少量的淹沒面積，表明西苕溪流域部分河段防洪能力較低，洪水淹沒概率較高。橫塘和梅溪站個重現(xiàn)期下設(shè)計水位見表5，主要漫堤點見表6。

以方案4為例，漫堤發(fā)生在泥河沙河匯合口～草蕩水庫左、右岸和西苕溪左岸安城。不同淹沒水深對應(yīng)的淹沒面積、不同淹沒歷時對應(yīng)的面積見表7和表8，淹沒水深、淹沒歷時見圖3和圖4。

表5 水位成果 m

表6 主要漫堤點位統(tǒng)計 m

表7 淹沒水深—淹沒面積關(guān)系

表8 淹沒歷時—淹沒面積關(guān)系

由表7和表8可知，西苕溪流域遭遇50年一遇洪水時最大淹沒面積為37.07 km2，以大于3 m水深為主，占總淹沒面積的53.96%。淹沒面積隨著淹沒歷時先增加后減少，以24～72 h為主，占總淹沒面積的80.32%。

圖3 西苕溪流域50年一遇漫堤淹沒水深

3.3 合理性分析

(1)水量平衡。根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果統(tǒng)計出計算區(qū)域上游來水量、下游出水量、河道槽蓄量與淹沒區(qū)域積水量，各變量滿足洪水淹沒區(qū)域積水量=上游來水量-下游出水量-河道槽蓄量，說明構(gòu)建模型洪水計算滿足水量平衡[6]。

(2)淹沒面積與重現(xiàn)期相關(guān)性[7]。統(tǒng)計出不同重現(xiàn)期洪水淹沒面積，并繪制其與重現(xiàn)期的相關(guān)圖，如圖5所示。由圖5可知，隨著設(shè)計洪水重現(xiàn)期的增加，淹沒面積隨之增大，但增速隨著重現(xiàn)期的增大而減小，這是由于設(shè)計洪量增速隨重現(xiàn)期的增大而減小，與實際相符，說明計算結(jié)果合理。

圖5 淹沒面積—重現(xiàn)期關(guān)系

(3)高防洪能力區(qū)域分析。針對西苕溪流域100年一遇淹沒水深分布圖中未受淹的區(qū)域，將本次淹沒圖層疊加到2 m×2 m精度DEM上，分析未受淹位置與周圍受淹區(qū)域之間的地形關(guān)系。分析可知，未受淹位置高程明顯高于周圍受淹區(qū)域高程，說明淹沒范圍分布合理。

(4)束窄斷面流場分析。以涉水建筑物橋梁為例，分析涉橋處模擬流場分布。由模擬結(jié)果可知，洪水進(jìn)入束窄斷面后流場收縮，流速增大，水位抬高，符合實際情況。

4 結(jié) 論

(1)本文選取西苕溪干流長潭以下至長興界之間河段作為研究區(qū)域，基于實測河道斷面資料和3 m×3 m高精度DEM構(gòu)建了MIKE一二維耦合模型，選用歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定驗證。利用水文學(xué)方法給定各個計算方案對應(yīng)的模型邊界條件，進(jìn)行洪水演進(jìn)及風(fēng)險分析。

(2)本文從水量平衡、淹沒面積與重現(xiàn)期相關(guān)性、淹沒范圍與地形相關(guān)性以及流場分布對計算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，研究表明，建模精度滿足精度要求、結(jié)果較為合理可靠。可為當(dāng)?shù)胤篮闇p災(zāi)制定策略提供參考。

(3)針對發(fā)生五年一遇洪水就淹沒的防洪能力較低的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)對河道進(jìn)行疏浚清淤，適度拓寬河道，加高加固堤防，提高河道過流能力，從而提高河道整體防洪能力。