但靈芝，楊益青

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

近年來，極端天氣頻發(fā)，2021年“煙花”臺風(fēng)期間，恰逢天文大潮，甬江流域遭遇“風(fēng)、暴、潮、洪四碰頭”，上游水庫在連日的降雨中逐漸蓄滿并超歷史極值，為了保證水庫的安全運行，在危機時刻超下游河道安全流量泄洪，導(dǎo)致水庫下游受災(zāi)嚴重。為確保水庫安全度汛，本文以雙溪口水庫為例，考慮地形、道路、河道等對洪水演進的影響，通過建立雙溪口水庫下游區(qū)間內(nèi)一二維水動力學(xué)模型，利用MIKE FLOOD進行耦合計算，分析雙溪口水庫不同泄洪標(biāo)準(zhǔn)下水庫下泄洪水演進過程，分析具有防洪任務(wù)的大中型水庫超下游河道安全流量時淹沒風(fēng)險，進一步提升水庫超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對能力，也為水庫防洪減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

雙溪口水庫位于浙江省余姚市大隱鎮(zhèn)章山村，距大隱鎮(zhèn)3.0km，距余姚市城區(qū)22km，距寧波市區(qū)17km。水庫集水面積40.01km2，流域平均海拔307.90m(國家85高程基準(zhǔn)，下同)。水庫正常蓄水位65.3m，蓄水量2873萬m3，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)設(shè)計洪水位68.04m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，相應(yīng)校核洪水位69.21m，水庫總庫容為3398萬m3，是一座以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉等功能綜合利用的中型水庫。水庫防洪直接保護大隱鎮(zhèn)及杭甬高速公路等重要基礎(chǔ)設(shè)施安全，間接保護寧波市區(qū)。

2 淹沒風(fēng)險分析

2.1 模型范圍確定

雙溪口水庫壩址以上集雨面積40.01km2，下游地區(qū)的入流洪水主要由雙溪口水庫的泄洪流量以及區(qū)間來水組成?？紤]到整個流域連通性，本次計算范圍將拓展到雙溪口水庫下游隱溪河出口斷面以上區(qū)域，面積共計約62.97km2，繪制淹沒范圍面積約5.92km2。

2.2 模型原理

根據(jù)雙溪口水庫壩址以下至姚江河段的河道地形特點，擬采用一維模型與二維模型耦合的方式建立洪水演進數(shù)值模擬模型。用一維模型模擬河道、二維模型模擬灘地，沒有修建防洪工程的用側(cè)向耦合，已經(jīng)建有防洪工程的在分析調(diào)查可能潰口位置處設(shè)置耦合點，當(dāng)水位超過一定高程后，洪水通過耦合點進入二維區(qū)域；由產(chǎn)匯流模型根據(jù)降雨及下墊面條件提供流量上邊界，由實測或設(shè)計外海潮位過程提供流域排水下邊界，以一維水動力模型模擬河道；漫堤洪水在平原上的演進采用二維水動力模型，進行網(wǎng)格淹沒分析與展示；一維模型和二維模型之間的水量交互通過在過渡面處虛設(shè)寬頂堰的方式進行處理，過閘流量采用寬頂堰淹沒出流公式，將一二維耦合的復(fù)雜問題概化為堰流模型方便的進行計算[1-2]。

2.2.1一維模型

一維非恒定流數(shù)學(xué)模型基本方程為圣維南方程組：

(1)

(2)

式中，x、t—距離和時間的坐標(biāo)；A—過水?dāng)嗝婷娣e；Q—流量；h—水位；q—旁側(cè)入流流量；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑；α—動量校正系數(shù)；g—重力加速度。

2.2.2二維模型

(1)控制方程[3-4]

水流連續(xù)方程：

(3)

水流運動方程：

(4)

(5)

式中，H=h+ζ—垂線水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂線平均流速分量；ε—紊動運動粘性系數(shù)；n—糙率系數(shù)。

(2)邊界條件

①固壁邊界

利用岸壁法，取法向不可入條件，即法向流速為零。

Vn=V·n=0

(6)

②開邊界

可采用邊界水(潮)位過程或流速過程，即按邊界網(wǎng)格線方向，求得流速分量u和v，然后再納入過程計算。

③動邊界

模型區(qū)域內(nèi)邊灘隨著水位漲落，存在淹沒和露灘交替的現(xiàn)象，具有可移動邊界的特點，為保證模型計算的連續(xù)性，采用干濕判別確定計算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動邊界，干水深(drying depth)取0.005m、洪水深(flooding depth)取0.05m、濕水深(wetting depth)取0.1m。

2.2.3一、二維耦合模型

本次一、二維模型耦合計算采用MIKE FLOOD模塊計算[5-7]，MIKE FLOOD通過建立一維模型與二維模型之間的連接，實現(xiàn)一、二維模型的耦合。模型總共有6種不同的連接形式，本次計算將采用其中的側(cè)向連接形式，如圖1所示。側(cè)向連接允許MIKE 21的網(wǎng)格從側(cè)面連接到MIKE 11的部分河道，甚至是整個河道。利用結(jié)構(gòu)物流量公式來計算通過側(cè)向連接的水流，用側(cè)向連接來模擬水從河道漫流到洪泛區(qū)的運動是非常有效的。本次計算中，一二維連接處采用寬頂堰淹沒出流公式計算河道漫流，堰頂高程采用一維河道堤頂高程與二維網(wǎng)格底高程中的較大者。流量系數(shù)根據(jù)本流域現(xiàn)有閘壩資料選取。過閘流量確定之后，對于一維河道來說，一二維交互問題轉(zhuǎn)化為旁側(cè)入流的問題，而對于二維河網(wǎng)來說，該問題轉(zhuǎn)化為外部有流量邊界的問題，均可以根據(jù)之前建立的考慮旁側(cè)入流或外部流量邊界條件的模型進行求解。

圖1 MIKE FLOOD側(cè)向連接示意圖

2.2.4邊界條件

(1)初始條件

對于建模的給定的計算區(qū)域，給定水位和流速初始值。

(2)邊界條件

一維模型上邊界為進口開邊界處的水位過程，下邊界為出口開邊界的水位過程。二維模型上下開邊界條件由一維模型提供。

2.3 河道斷面設(shè)置與網(wǎng)格劃分

本文采用動態(tài)耦合的一二維洪水模型，通過構(gòu)建水庫下游河流水系模型(MIKE11)、水庫下游二維地形模型(MIKE21)，利用MIKE FLOOD模型平臺進行耦合，分析5、10、20、50、100年一遇降雨下水庫下游淹沒范圍、淹沒深度，從而提出相應(yīng)的避洪轉(zhuǎn)移措施。

2.3.1斷面概化

(1)斷面間距：考慮不同河段的斷面變化程度，一般設(shè)置斷面間距300m，對變化劇烈的河段加密設(shè)置斷面。

(2)斷面形式：采用起點距-高程形式的大斷面資料，或采用梯形、復(fù)式斷面等概化后的規(guī)則斷面。

(3)斷面?zhèn)€數(shù)：模型采用2022年6月實測隱溪河及支流河道斷面資料，共布置68個斷面，如圖2所示。

圖2 雙溪口水庫下游河道及斷面概化圖

2.3.2網(wǎng)格概化

本次建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型，為了較好反映水庫下游地形，滿足精度要求，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，寬度為30～40m，重點區(qū)域如水深編號較大及邊界形態(tài)變化較大的地方網(wǎng)格進行局部加密，寬度為10～20m。共搭建網(wǎng)格數(shù)量10328個，如圖3所示。

圖3 水庫下游區(qū)域網(wǎng)格概化

2.3.3地形概化

本次收集到大隱鎮(zhèn)1∶2000地形圖和DEM數(shù)據(jù)，其中DEM高程密度30m以內(nèi)，為盡量提高計算精度，本文通過ARCGIS將DEM數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格高程插值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出最高精度的離散高程點，共5.92萬個。

2.3.4邊界條件

考慮到雙溪口水庫所處流域流量測站少，雨量測站多的實際情況，本次由各產(chǎn)流分區(qū)暴雨過程推算其流量或凈雨過程。水庫出流根據(jù)各方案下水庫擬定的防洪調(diào)度規(guī)則進行調(diào)洪演算，然后通過河道洪水演算至壩址處，各洪水標(biāo)準(zhǔn)流量過程作為一維計算的入流邊界條件，區(qū)間洪水以點源或點匯輸入，下邊界為各洪水標(biāo)準(zhǔn)下姚江水位過程，偏安全考慮，取偏不利的多年平均最高潮位潮型，進行縮放作為各標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計水位過程；二維模型上下邊界條件由一維模型提供，見表1。

表1 各方案邊界條件

2.3.5參數(shù)率定

本文主要河道的糙率根據(jù)實測的河道水位、流量資料進行率定取值。山區(qū)河道糙率一般取0.028～0.045，其中主槽糙率0.028～0.035，邊灘糙率0.035～0.045。網(wǎng)格糙率根據(jù)土地類型的不同，利用ARCGIS的空間分析功能，將不同下墊面的糙率復(fù)制到網(wǎng)格點，見表2。

表2 網(wǎng)格糙率取值表

2.4 影響分析

各方案下計算范圍內(nèi)平均淹沒水深及各方案下淹沒情況見表3，根據(jù)計算結(jié)果，5年一遇淹沒總面積0.37km2，主要涉及大隱村及民樂村，淹沒范圍內(nèi)主要為村莊低洼處房屋；10年一遇淹沒總面積0.91km2，主要為濱溪社區(qū)、大隱村及民樂村，淹沒范圍內(nèi)主要為下游農(nóng)田以及少部分村莊內(nèi)低洼地區(qū)；20年一遇淹沒總面積1.44km2，主要為濱溪社區(qū)、學(xué)士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內(nèi)主要為下游農(nóng)田以及少部分村莊內(nèi)低洼地區(qū)；50年一遇淹沒總面積1.74km2，主要為濱溪社區(qū)、學(xué)士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內(nèi)主要為下游農(nóng)田以及村莊內(nèi)低洼地區(qū)；100年一遇淹沒總面積1.93km2，主要為濱溪社區(qū)、學(xué)士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內(nèi)主要為下游農(nóng)田以及村莊內(nèi)低洼地區(qū)。

表3 淹沒情況統(tǒng)計表

3 結(jié)語

為科學(xué)分析水庫下游防洪風(fēng)險，本文采用一二維耦合模型對雙溪口水庫進行洪水影響分析，根據(jù)模型計算結(jié)果，當(dāng)發(fā)生非超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，淹沒范圍大多為農(nóng)田低洼處，當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，村莊低洼處開始受淹。淹沒影響對象涉及大隱鎮(zhèn)和高橋鎮(zhèn)，主要為濱溪社區(qū)、學(xué)士橋村、大隱村及民樂村。因此，當(dāng)超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時，水庫應(yīng)采取相應(yīng)措施，以防止水庫上游洪水對于下游平原的侵襲，減輕下游平原的受災(zāi)程度。

由于本文只對水庫下游淹沒范圍及淹沒水深進行了統(tǒng)計分析，對于水庫下游淹沒損失還未進行定量評估，在后續(xù)研究中還需進一步分析。