查 理

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

近年來，隨著全球氣候變化的加劇，極端天氣事件增多，由洪水引起的各種災害呈現(xiàn)出頻發(fā)和多發(fā)的態(tài)勢。隨著防洪理念由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變，洪水數(shù)值模擬已經(jīng)成為洪水風險圖繪制、洪水風險分析、洪水損失評估的一個重要手段[1-3]，同時也為制定洪水防御預案提供了科學依據(jù)，對于減少城市堤防險工險段潰決時洪水造成的損失具有十分重要的意義。

水動力數(shù)值模擬軟件眾多，近年來應用較多的有DHI MIKE模型[4-6]，SWMM暴雨洪水管理模型[7]和美國地表水建模系統(tǒng)SMS[8]等。MIKE系列軟件為河流與洪泛區(qū)、海洋與內(nèi)陸水道之間提供了有限的動態(tài)連接方式，能夠很好地模擬潰堤、滿溢洪水，有很高的靈活性和模擬精度[9-10]，并在實際的工程項目中得到了廣泛的驗證。

為做好超標準洪水防御的總體考慮和各項準備措施，保證第一時間提出防御意見和建議，有效應對洪水災害領域的“黑天鵝”和“灰犀牛”事件，保證抗洪搶險救災工作高效有序進行，最大限度地減少人員傷亡和災害損失，本文選擇MIKE系列軟件，以亳州譙城區(qū)為例，運用MIKE FLOOD分析超標準洪水情況下城區(qū)堤防潰破的洪水淹沒演進過程，并對洪水風險進行分析，為研究區(qū)防御預案的編制提供了重要參考。

1 研究區(qū)域概況

亳州市城市地處黃淮海平原南端，安徽省西北部。現(xiàn)狀亳州主城區(qū)位于渦河南岸，平均地面高程約37.5m，西北高東南低。建成區(qū)面積約50km2，其中渦河南岸主城區(qū)42.3km2，渦河北岸7.7km2，常住人口約47萬人。

渦河流域汛期的洪水均由暴雨產(chǎn)生，暴雨具有持續(xù)時間長、范圍大的特點，易形成流域性大洪水。據(jù)有關資料記載，新中國成立以后亳州城區(qū)就發(fā)生大小洪澇災害10余次。所以，針對該區(qū)域進行洪水風險圖編制，提出合理的防御預案是十分有必要的。

2 模型原理

2.1 一維模型原理

MIKE11一維水動力模型基于以下假定[11]：水體為不可壓縮的一維均質(zhì)流體，河道坡降小、縱斷面變化幅度小且符合靜水壓力假設。模型采用了專業(yè)的追趕解析法和6點Abbott-lonescu格式離散圣維南方程組[12]。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；q—側(cè)向入流，m3/s；A—過水面積，m2；h—水位，m；R—水力半徑，m；C—謝才系數(shù)；α—動量修正系數(shù)。

2.2 二維模型原理

亳州城區(qū)平面水流模擬采用MIKE21FM模塊，該模塊計算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠給出洪水水量空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等統(tǒng)計特征參數(shù)[13]。模型主要依據(jù)水流連續(xù)性方程式和x、y方向上的動量方程組。

(2)

(3)

2.3 模型耦合

本研究在一維模型基礎上建立虛擬河道，以側(cè)向連接的方式耦合一維模型與二維模型，采用控制性建筑物模塊將潰口進行概化，模擬洪水從潰堤處向城區(qū)演進的過程。

3 模型建立與驗證

3.1 一維河網(wǎng)概化

根據(jù)研究區(qū)域的基礎地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS軟件配準，構(gòu)建安徽與河南省界至淮河段渦河MIKE11河網(wǎng)文件。渦河上有大寺、渦陽、蒙城3座節(jié)制閘，均以MIKE 11中Control Structure模塊進行概化，并根據(jù)閘的設計參數(shù)進行合理設置。

3.2 二維模型構(gòu)建

(1)網(wǎng)格剖分。MIKE軟件自帶有網(wǎng)格剖分功能，也可以通過SMS等軟件剖分網(wǎng)格后導入MIKE21中計算，由于網(wǎng)格質(zhì)量對于計算時間和結(jié)果影響巨大，如果網(wǎng)格質(zhì)量不好，會導致數(shù)值計算震蕩大，模型計算易崩潰等問題，故本文采用了2種方案進行比選。

優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格要求網(wǎng)格大小過度盡量平滑，且網(wǎng)格盡量為等邊三角形。由于需要對模型區(qū)域中的龍鳳新河、麥秸溝河槽進行細化，所以對河道周邊網(wǎng)格進行了加密，在這種情況下，MIKE軟件自帶網(wǎng)格剖分結(jié)果(圖1左)質(zhì)量不佳，所以本研究采用SMS網(wǎng)格計算(圖1右)。

圖1 二維水動力模型河道細化網(wǎng)格剖分對比

(2)二維成果。二維模型計算域為古井大道、趙王河及渦河包圍的區(qū)域，二維模型網(wǎng)格節(jié)點37001個，網(wǎng)格數(shù)73632個，地面高程采用20m×20m精度DEM插值計算。所得渦河南岸城區(qū)mesh文件如圖2所示。

圖2 渦河南岸二維模型示意圖

3.3 參數(shù)率定

根據(jù)洪水風險計算的需要，需對渦河一維水動力模型和亳州城區(qū)二維水動力模型進行參數(shù)率定。

(1)一維模型糙率率定。渦河蒙城閘-龍亢集區(qū)間無支流匯入，故率定范圍為蒙城閘下-龍亢集，河段長44.4km。計算時段為2003年8月27日—9月14日，共19d。

率定參數(shù)時將已有的參數(shù)成果作為初值，在此基礎上不斷試算。渦河糙率主槽最終采用主槽0.03，灘地0.035，率定結(jié)果精度評價見表1。

表1 2003年洪水蒙城閘下實測水位與率定水位 單位:m

由表1可知，實測與模擬計算的水位差相對值均在0.2m以內(nèi)，率定結(jié)果總體比較理想，水位峰值及相位等能夠得到較好的擬合。

(2)二維模型參數(shù)選取與率定。由于保護區(qū)無實測的洪水淹沒范圍調(diào)查資料，無法進行糙率率定。根據(jù)《水力計算手冊》《洪水風險圖編制技術細則》等資料，并結(jié)合本片區(qū)土地利用圖和保護區(qū)下墊面情況，參考鄰近土地利用類型后為每個網(wǎng)格取不同糙率值，具體見表2。

表2 防洪保護區(qū)不同下墊面糙率取值

3.4 模型驗證

根據(jù)率定的參數(shù)，采用2007年7月1日—8月19日實測過程進行渦河蒙城閘下-龍亢集河段一維水動力學模型參數(shù)驗證，驗證結(jié)果見表3。

表3 2007年洪水蒙城閘下實測水位與驗證水位 單位：m

由表3可知，實測與模擬計算的水位差相對值均在0.2m以內(nèi)，說明計算采用的參數(shù)是合理有效的。

4 風險分析及防御方案

風險圖后處理中等值線根據(jù)SL754—2017《城市防洪應急預案編制導則》劃分，據(jù)此規(guī)則對城區(qū)進行風險等級劃片。

表4 洪水對人的影響危險性指標及等級劃分

4.1 計算方案

根據(jù)城區(qū)堤防險工險段的原則，在城區(qū)渦河沿岸選擇堤防潰決，計算方案見表5。

表5 潰口計算方案

4.2 計算成果

根據(jù)3種洪水風險圖模擬結(jié)果，在險工險段發(fā)生潰決時，洪水總體向東南演進，大部分城區(qū)淹沒深度在0.12～1.1m之間，潰口附近的老城區(qū)淹沒深度超過1.1m，最終洪水匯入宋湯河、龍鳳新河以及麥秸溝經(jīng)由趙王河排出。

圖3 亳州城區(qū)百年一遇洪水潰口水深h等值線風險圖

根據(jù)淹沒水深、流速圖交叉對比，發(fā)現(xiàn)城區(qū)風險等級的主要影響因素為淹沒水深，且一旦城區(qū)堤防發(fā)生潰決，在沒有準備的情況下，將造成嚴重的生命財產(chǎn)損失，據(jù)風險圖及相關資料分析，災害影響見表6。

表6 洪澇災害影響分析統(tǒng)計

4.3 防御預案

根據(jù)風險圖模擬結(jié)果，將處于高、中風險等級的城區(qū)劃分為4個風險區(qū)，其中受洪水影響人口與洪水量級、淹沒范圍成正相關，也是描述洪水風險最根本的指標之一[14]。根據(jù)就近原則，在風險區(qū)附近綜合人口密集度、城區(qū)地形等因素，設置3個避險區(qū)，并提前規(guī)劃3條較為安全的避險路線。

圖4 亳州城區(qū)百年一遇洪水避險轉(zhuǎn)移安置圖

當發(fā)生險情時，啟動防御預案，風險區(qū)居民根據(jù)避險轉(zhuǎn)移安置路線提前轉(zhuǎn)移至避險區(qū)，盡量減少洪水所造成的生命財產(chǎn)損失。

5 結(jié)論

(1)本文利用MIKE FLOOD耦合模型模擬出城區(qū)堤防潰決時的淹沒水深、流速圖，據(jù)此劃分城區(qū)洪水風險等級，并規(guī)劃出較為合理的避險區(qū)及避險路線，對城市防洪救災有重要指導意義。

(2)城區(qū)堤防潰決災害巨大，應在汛期來臨前針對城區(qū)險工險段堤防進行排查，必要時加高加固；結(jié)合地形分析，高風險區(qū)集中在城市低洼地段，建議相關部門重點關注該類地段居民，必要時提前按照規(guī)劃避險安置轉(zhuǎn)移路線進行疏散。

(3)MIKE FLOOD可以很好地模擬潰堤后的洪水淹沒情況，但由于資料有限，本文未充分考慮城區(qū)地下管網(wǎng)建設對洪水演進的影響，在后續(xù)的工作中洪水模型仍有改進的空間。