基于MIKE 21數值模擬蓄滯洪區洪水演進研究

陳 平，傅長鋒，于京要，及曉光

(1.河北水利水電勘測設計研究院，天津 300250； 2.天津大學 建筑工程學院暨港口與海洋工程教育部重點實驗室，天津 300072)

我國是洪水災害較為嚴重的國家，防洪體系中江河和城市的防洪水平都偏低。蓄滯洪區是防洪減災體系中的重要組成部分，通過滯納超標準洪水、削減洪峰，保障了中下游重要城市和重要防洪地區的安全。國內外專家對洪水演進的模擬進行了大量的研究[1-6]。基于水動力學的洪水演進數值模擬是進行蓄滯洪區洪水風險分析的重要途徑[7,8]。二維不恒定流數學模型方法能充分反映洪水演進過程和局部特定區域內水流的形勢，反映水流在不同地點不同方向的水力要素。對于地形及水流條件復雜的行洪通道，當需要反映整個水體的演進過程或某一局部區域內水的流態變化過程時，采用二維非恒定流數學模型進行計算則具有明顯的優勢。大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區范圍大，河流眾多，由于河道標準較低，一般為5～10年一遇，當遭遇較大洪水時，各河道洪水互相串流，漫地行洪。蓄滯洪區內地勢相對平坦，地面比降較小，蓄洪后洪水水位變幅不大，水流運動平緩，但洪水的流勢、流態復雜，具有明顯的二維特性，為反映滯洪區內洪水的演進情況，采用二維水動力學數學模型進行洪水模擬，以便能模擬水位、流量、流速等重要的水力要素的時間過程，復現或者預測滯洪區洪水演進過程，分析洪瀝水進入滯洪區后的洪水狀態以及滯洪區受洪水危害程度。為蓄滯洪區的安全建設規劃及防洪評價提供重要的依據。

1 研究區域概況

大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區位于河北省南部，海河流域子牙河水系支流滏陽河系中游，京廣鐵路以東。蓄滯洪區合計面積2 041 km2，其中大陸澤面積為581 km2，容積為8.62 億m3；寧晉泊面積為1 460 km2，容積為26.90 億m3。蓄滯洪區主要涉及邢臺市的柏鄉縣、隆堯縣、任縣、南和縣、寧晉縣、巨鹿縣、廣宗縣和平鄉縣等8個縣，以及大曹莊管理區，涉及鄉(鎮)46個，其中大陸澤17個，寧晉泊40個，858個村。大陸澤及寧晉泊原來均為天然洼地，1966-1968年根治海河工程在滏陽新河入口向上游延伸修建了52.55 km的東圍堤(老漳河左堤)和28.5 km的北圍堤(洨河左堤)，兩洼成為正式蓄滯洪區。大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區是海河流域第一大滯洪區，全國第三大滯洪區，是海河流域的關鍵防洪工程。對保護下游黑龍港地區、天津市、華北油田、京九鐵路等重要設施至關重要，在流域防洪體系中發揮著重要作用。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1. Position sketch of the study area

2 MIKE21模型簡介

Mike 21二維非恒定流計算模塊的原理基于二維不可壓縮流體雷諾平均應力方程，服從布辛涅斯克(Boussinesq)假設和靜水壓力假設。

h=η+d

(1)

描述平面二維水流連續運動方程為：

(2)

描述平面二維水流的動量方程為：

(3)

(4)

(5)

側向應力項Tij包括黏滯摩擦、湍流摩擦、差異平流，其值由基于水深平均的流速梯度的渦黏性公式估算。

(6)

通過對上述方程進行離散可得到河道斷面水位、流量和上下游水位、二維滯洪區內相鄰單元之間的流量和水位的線性關系，并與邊界條件聯立得到一組完整的關于節點水位的線性代數方程組，采用矩陣標識法求解該方程組后得到河道斷面、聯系、二維區域單元的水位、流量、流速等。

3 洪水演進數值模型建立

3.1 計算范圍

模型計算區南至邯黃鐵路，西部邊界李陽河以南為G4京港澳高速公路，李陽河以北為40 m等高線，北部邊界為寧晉泊北圍堤，東部邊界以滏陽河和東圍堤(即老漳河左堤)。模型計算區南北長度84 km，東西長度50 km，總面積約2 765 km2。

3.2 網格剖分

剖分采用1∶10 000地形圖，并結合部分補充測量成果，剖分形式采用非結構化三角形網格。考慮到模型上游地形坡度較陡，地形較復雜，下游地勢平坦，坡度較緩，為了較準確地模擬洪瀝水的演進過程，以及準確提取各個村子水深結果，對于規則網格，邊長不超過300 m，對于不規則網格，最大網格面積不超過0.1 km2，重要地區、地形變化較大部分的計算網格要適當加密。最小網格面積僅為51 m2，共有70 664個網格單元。

圖2 模型網格剖分圖Fig.2 The grids of the model

3.3 邊界條件

模型的上邊界條件為匯入大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區各個河流的設計洪水過程，主要包括滏陽河、留壘河、洺河、南澧河、順水河(七里河)、牛尾河、馬河(白馬河、小馬河和李陽河)、泜河、午河(泲河)、北沙河(槐河)和洨河等，各河入流點在計算域邊界。下邊界條件為艾辛莊樞紐的水位泄量關系和東圍堤分洪口門的出流。

3.4 模型參數

參照河北省以往規劃設計采用值，以及其他流域(如滹沱河、永定河、小清河分洪區)由實測資料反推出的糙率值，按大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區地形圖，視網格內河道狀況、作物組成、村鎮分布以及樹木、道路、堤埝等情況，初步確定模型糙率分布，然后通過驗證實際洪水進行復核并調整。擬定模型糙率：河道主槽糙率采用0.025，一般耕地地面糙率采用0.045，村莊及較大的阻水建筑物糙率采用0.08。

3.5 模型驗證

為進一步分析洪水分析模擬成果的合理性，將本次計算結果與《子牙河系防洪規劃》(2008年)、《滏陽河中游洼地洪災風險研究技術報告》的計算結果進行比較，并參考了《大陸澤、寧晉泊蓄滯洪區建設與管理可行性研究報告》(2014年)中的數據對計算結果進行合理性分析。選取環水村和艾辛莊兩位置進行水力特征指標比較。

從表1中可以看出，本次洪水分析模擬成果與其他參考報告研究的分析成果相差均不大，表明模型邊界條件、參數選取及模擬成果基本合理，模型可以作為洪水風險圖編制中洪水分析的依據。

表1 環水村和艾辛莊計算成果水位對比表Tab.1 The contrast table for water level of numericalresults on Huanshui and Aixinzhuang

4 計算結果分析

4.1 洪水演進過程分析

大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區洪水演進分析采用MIKE軟件，建立二維非恒定流洪水演進數學模型。鑒于大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區的設計標準為50年一遇，本文對現狀條件下發生50年一遇洪水方案進行洪水風險要素分析。

從圖3中可以看出，第70 h，大陸澤各河道洪水進入環水村，大陸澤大部分區域已漫地行洪，洨河洪水到達艾辛莊；第96 h，大陸澤運用，小寧晉泊大部分區域已經漫地行洪，各河流洪水匯入艾辛莊；第120 h，大陸澤及小寧晉泊充分運用；第124 h后，小南堤分洪口門水位超過29.40 m；第127 h，按照分區滯洪的調度方案，洪水經小南堤分洪口門開始分洪洪水至小南海；第163 h后，小南海基本充分運用，小漳河右堤分洪口門前水位超過29.40 m；第166 h，按照分區滯洪的調度方案，洪水經小漳河右堤分洪口門開始分洪洪水至老小漳河區間；第182 h后，東圍堤分洪口門前水位超過29.00 m；第186 h，按照分區滯洪的調度方案，洪水經東圍堤分洪口門開始分洪洪水至黑龍港地區；到第264時刻，大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區淹沒區范圍達到最大。根據流場情況，可以看出，洪水沿滏陽河、北澧河(北澧新河)、泜河、午河和洨河匯入小寧晉泊后通過小南堤分洪口門分洪至小南海，再經小漳河右堤分洪口門分洪至老小漳河區間。

圖3 不同時刻洪水演進模型Fig.3 Flood evolving model in different time

4.2 洪水風險圖繪制

根據洪水演進分析結果，利用FAMP軟件，將其與基本行政區劃圖及防洪工程分布圖等基本信息圖層融合，形成蓄滯洪區洪水風險圖(圖4)。按照對運用標準、蓄洪淹沒水深、淹沒歷時等風險三因子組合的測評方法，將風險程度分為重度、中度和輕度風險3個等級。根據蓄滯洪區的洪水風險分析與估算，綜合確定蓄滯洪區洪水風險度評判標準是：R≥1.5為重度風險區，0.5≤R<1.5為中度風險區，R<0.5為輕度風險區，即高、中、低3個等級。洪水風險區劃圖見圖5。

圖4 50年一遇洪水淹沒圖Fig.4 Flood map for 50 a return period

圖5 洪水風險區劃圖Fig.5 Flood risk zoning map

根據洪水分析成果，大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區發生50年一遇洪水時，大陸澤和寧晉泊(含小寧晉泊、小南海和老小漳河區間)基本全部淹沒，尤其是小寧晉泊為最危險區域，其次為小南海區域，老小漳河區間為低危險區域。在進行避洪轉移時可根據區域危險等級程度進行分批次轉移，以減少洪水影響損失。

5 結 語

本文采用丹麥水動力學研究所(DHI)開發的MIKE v2014版軟件，對大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區建立二維非恒定流洪水演進數學模型。在數學模型中，流域內水流運動概化為河道、蓄滯洪區及其之間的聯系三部分，蓄滯洪區概化為二維區域進行模擬；對于河系中控制水流運動的堰、閘、蓄滯洪區口門等概化為聯系，聯系的過流能力滿足水力學上的堰流公式。應用模型模擬了蓄滯洪區現狀條件下50年一遇洪水演進過程。并采用“96·8”洪水對環水村和艾辛莊兩位置進行水力特征指標驗證，本次洪水分析模擬成果與相關研究的分析成果基本吻合，模擬計算成果可靠。模型可以作為洪水風險圖編制中洪水分析的依據，為蓄滯洪區的安全建設規劃及防洪評價提供一定的參考價值。

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