鐘 華

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

為做好新形勢下淡水河流域暴雨洪水的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)支撐，補(bǔ)齊工作技術(shù)短板，實(shí)現(xiàn)淡水河主城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)快速分析與評估，以淡水河兩岸的惠州市惠陽區(qū)主城區(qū)為示范區(qū)域，建立基于高速計(jì)算的惠陽區(qū)洪災(zāi)實(shí)時(shí)分析。淡水河及其兩岸防洪保護(hù)區(qū)的潰堤及漫堤洪水演進(jìn)過程，涉及淡水河及支流與兩岸防洪保護(hù)區(qū)之間的復(fù)雜水力關(guān)系[1]。與水文學(xué)法相比，水力學(xué)法能準(zhǔn)確模擬潰堤及漫堤洪水的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程，同時(shí)，由于研究區(qū)域具有較為翔實(shí)的水文、地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為建立區(qū)域水力學(xué)模型奠定重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此淡水河洪水演進(jìn)選擇水力學(xué)方法構(gòu)建洪水模擬模型。當(dāng)前，國內(nèi)主要采用不同維度的水力學(xué)模型進(jìn)行區(qū)域洪水演進(jìn)[2-15]，其中可通過計(jì)算邊界的耦合來實(shí)現(xiàn)不同維度水力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)耦合。若堤防規(guī)模較大，潰口處洪水的流態(tài)與寬頂堰流較為接近，因此因此傳統(tǒng)方法采用寬頂堰流公式計(jì)算潰口流量。然后對于傳統(tǒng)潰口流量的洪水演進(jìn)算法由于不能對耦合模型之間的動(dòng)量方程進(jìn)行相對準(zhǔn)確的表達(dá)，使得其計(jì)算中對于流量系數(shù)的選取存在很多不確定性，降低了模型計(jì)算的精度。此外由于傳統(tǒng)潰口流量計(jì)算方法常常對潰口位置進(jìn)行概化處理，對于潰口位置較為復(fù)雜的洪水演進(jìn)計(jì)算其計(jì)算適用性不高。此外，當(dāng)?shù)谭阑驖⒖趦蓚?cè)水位差較大時(shí)，基于寬頂堰流公式計(jì)算的潰口流量偏大，極易導(dǎo)致河段水位波動(dòng)大、計(jì)算失穩(wěn)。為解決河段水位波動(dòng)大的問題，往往需要設(shè)置更小的計(jì)算時(shí)間步長，從而極大降低模型計(jì)算效率。為提高淡水河洪水演進(jìn)的精度，通過側(cè)向聯(lián)解的方式實(shí)現(xiàn)一維河網(wǎng)模型與二維淺水模型的耦合。研究成果對于實(shí)現(xiàn)淡水洪水淹沒和洪災(zāi)評估的快速計(jì)算分析具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 耦合模型構(gòu)建原理

傳統(tǒng)方法潰口流量計(jì)算方程為：

(1)

式中，Q—斷面模擬的流量計(jì)算值，m3/s；z1d和z2d—耦合模型邊界水位計(jì)算值，m；zw—邊界耦合處計(jì)算斷面底部高程，m；Cd—計(jì)算參數(shù)變量，主要對計(jì)算流量影響較大；L—潰口概化形狀的寬度，m。

將一維、二維水動(dòng)力學(xué)模型采用側(cè)向聯(lián)解的方式進(jìn)行耦合計(jì)算，即通過水力因子進(jìn)行耦合邊界的水位、流量變量進(jìn)行耦合，具體耦合過程如圖1所示。耦合邊界為不同計(jì)算相鄰斷面之間的河道邊界。

圖1 一維-二維模型耦合方式示意圖

首先計(jì)算一維水動(dòng)力學(xué)模型在進(jìn)行耦合模型求解時(shí)，將不同維度模型計(jì)算的變量在耦合邊界進(jìn)行水力因子的傳遞后再進(jìn)行二維水動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算，一維模型的上斷面輸入采用旁側(cè)入流的方式將耦合邊界的流量進(jìn)行傳遞計(jì)算。

由于耦合水力學(xué)模型具有差異較大的計(jì)算時(shí)段間隔，因此采用二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要對時(shí)間間隔進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整從而提高耦合模型的計(jì)算效率。二維模型的計(jì)算時(shí)間間隔通常要高于一維水動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算時(shí)間間隔，因此按照相對較為固定的時(shí)間間隔來作為一個(gè)基準(zhǔn)對耦合模型的計(jì)算間隔進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前時(shí)刻t更新至下一時(shí)刻t+Δt1的斷面計(jì)算水力學(xué)因子首先通過一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行上斷面?zhèn)鬟f，隨后當(dāng)耦合模型計(jì)算步長達(dá)到m步后，通過邊界約束條件控制上一步計(jì)算步長內(nèi)的時(shí)間間隔相應(yīng)調(diào)整為：

(2)

式中，Δt1d—相對較為固定的一維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算時(shí)間間隔，h；Δt2d—相對較為固定的二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算時(shí)間間隔，h；m—耦合模型計(jì)算步長總數(shù)，個(gè)。

按照二維水動(dòng)力學(xué)模型對耦合模型計(jì)算時(shí)間間隔最大值進(jìn)行條件動(dòng)態(tài)控制。不同維度水力學(xué)模型耦合計(jì)算步長差異性可通過動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算間隔來進(jìn)行匹配。

2 模型應(yīng)用

2.1 模型構(gòu)建

耦合邊界主要為一維、二維水動(dòng)力學(xué)模型各相鄰計(jì)算斷面之間的河道邊界。水位邊界為耦合模型的主要計(jì)算邊界，河道上下游相鄰斷面的水位控制節(jié)點(diǎn)輸入主要通過距離插值計(jì)算得到。旁側(cè)入流為一維水動(dòng)力學(xué)模型的耦合邊界。為兼顧模型的計(jì)算精度及計(jì)算效率，采用不同空間分辨率非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格嵌套的方式進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)的網(wǎng)格剖分，在淡水河沿岸采用較密網(wǎng)格，其他區(qū)域采用較疏網(wǎng)格。共剖分網(wǎng)格38833個(gè)，網(wǎng)格邊長15～80m。網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分結(jié)果

2.2 模型率定

考慮地形及水文資料的實(shí)際條件，選取2019年7月10—11日水文測驗(yàn)的實(shí)測水位、流量對一維模型進(jìn)行率定。作為參數(shù)率定的比對參考包括：淡水站、永湖橋、三和大橋3個(gè)斷面，基本覆蓋了淡水河惠陽城區(qū)、下游三和、永湖鎮(zhèn)區(qū)的主要斷面。模型的初始糙率值參照《惠陽區(qū)淡水河干流防洪排澇規(guī)劃》的糙率成果，綜合考慮橋梁阻水作用等因素，對照本次實(shí)測流量、水位過程線進(jìn)行糙率調(diào)整，最終率定后代表典型斷面的河道綜合糙率見表1。

表1 模型率定糙率成果

2.3 模型驗(yàn)證

采用2018年9月17日山竹臺風(fēng)期間的洪水調(diào)查洪痕，以及上游白石、樟埔、維布和下游的出口的水貝站實(shí)測水位過程，以上游3個(gè)站點(diǎn)的水位流量關(guān)系將水位過程轉(zhuǎn)化成流量過程，沿程按集雨面積比例加入流量，對模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 模型驗(yàn)證成果

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，橋南排澇站到淡水站河段，水面線誤差在20cm以上，這是由于“山竹”期間，鐵橋處缺口發(fā)生漫溢，導(dǎo)致實(shí)際水位相對偏低，其余河段水面線偏差均在20cm以內(nèi)，說明模型計(jì)算結(jié)果相對合理。

3 結(jié)論

(1)堤防或潰口兩側(cè)水位差較大時(shí)，基于寬頂堰流公式計(jì)算的潰口流量偏大，極易導(dǎo)致河段水位波動(dòng)大、計(jì)算失穩(wěn)。為解決河段水位波動(dòng)大的問題，建議設(shè)置更小的計(jì)算時(shí)間步長，從而極大降低模型計(jì)算效率。

(2)不同尺度水動(dòng)力模型的計(jì)算時(shí)間步長差異較大。為提高計(jì)算效率，在進(jìn)行模型耦合計(jì)算時(shí)，二維模型應(yīng)選擇基于自適應(yīng)時(shí)間步長模式?？紤]到一維模型時(shí)間步長往往要遠(yuǎn)大于二維模型時(shí)間步長，故以一維模型的固定時(shí)間步長為基準(zhǔn)，二維模型時(shí)間步長進(jìn)行自適應(yīng)匹配。

(3)本文未考慮斷面間距對模型計(jì)算精度的影響，存在不足，在后續(xù)的研究中應(yīng)重點(diǎn)考慮斷面計(jì)算步長對耦合模型精度的影響。