Mike flood在五泄江漫堤洪水演進(jìn)模擬中的應(yīng)用

趙 琳，李少卿，黃 燕

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002；2.福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，福州 350000)

0 引 言

洪水演進(jìn)數(shù)值模擬是進(jìn)行防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的重要途徑。針對長河段的防洪保護(hù)區(qū)，采用全二維模型，存在網(wǎng)格數(shù)量大、時(shí)間步長小、計(jì)算效率低等問題；將河道及防洪保護(hù)區(qū)的洪水演進(jìn)分別概化為一、二維流動(dòng)問題，并將兩個(gè)模型進(jìn)行側(cè)向型耦合，既可以反映潰堤及漫堤洪水的特征，又可以減少網(wǎng)格數(shù)量提高模型效率[1]，特別適用于河道與其旁側(cè)洪泛區(qū)的聯(lián)合模擬[2]。Mike Flood軟件將一維模型(mike11)和二維模型(mike21)進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，以漫流或堰流方式計(jì)算主槽與灘地間水量交換[2]，近年來被廣泛用于洪水?dāng)?shù)值模擬，且取得較好的成效[3-5]。

陳智洋等[3]采用一二維耦合水動(dòng)力模型搭建橫陽支江耦合模型，計(jì)算了超標(biāo)準(zhǔn)洪水造成的漫堤、潰堤等洪水淹沒的復(fù)雜情況；葉愛民等[4]模擬嘉興地區(qū)河道潰堤洪水在區(qū)域內(nèi)的演進(jìn)情況，分析洪水風(fēng)險(xiǎn)，為其洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制提供技術(shù)支撐；劉衛(wèi)林等[5]建立了貴溪市羅塘河下游段的一二維耦合水動(dòng)力模型，得到潰口流量過程和堤防保護(hù)區(qū)洪水淹沒過程，為中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供支撐。但這些成果對于Mike Flood模型搭建中水工建筑物設(shè)置、參數(shù)選取、一維二維模型耦合連接缺乏研究與詳細(xì)說明。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用mike flood軟件構(gòu)建側(cè)向連接的五泄江一二維動(dòng)態(tài)耦合水動(dòng)力模型，詳盡敘述模型構(gòu)建方法及各種參數(shù)選取，并模擬超標(biāo)準(zhǔn)洪水下防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水淹沒過程，分析總結(jié)洪水演進(jìn)特性，為洪水演進(jìn)模型的搭建、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供一定的參考。

1 洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

1.1 Mike 11一維模型

研究區(qū)域五泄江流域位于浦陽江的中游西部地區(qū)，流域面積286 km2，全長42.3 km，河流平均坡降1.52%，落差622 m，屬山溪河流。沿程有兩條較大支流分別是瀆溪和冠山溪。瀆溪江從青山水庫壩址到合溪口長7.5 km，永慶橋～燕至塘橋河道縱坡為0.375%，燕至塘橋～合溪口河道縱坡為0.415%。冠山溪起源于雞冠山支峰南麓，長14 km，源短流急，洪水暴漲暴落。境內(nèi)還有西山渠道、友誼渠道兩條渠道匯入，下游分布有四個(gè)湖畈，分別是筏畈、東大湖、聯(lián)湖、道士湖。

Mike11模型具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、前后處理方便、水工建筑物調(diào)節(jié)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，在洪水預(yù)報(bào)、河道治理等方便得到研究與應(yīng)用，尤其適合應(yīng)用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況[6]。Mike11水動(dòng)力模塊輸入信息包括河網(wǎng)數(shù)(.nwk11)、斷面數(shù)據(jù)(.xns11)、邊界條件(.bnd11)、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)(.hd11)、模擬時(shí)間(time)以及輸出數(shù)據(jù)類型[5](.res11)。河網(wǎng)概化的基本原則是反映天然河網(wǎng)的基本水力特性，即概化后的河網(wǎng)在輸水和調(diào)蓄能力上需與實(shí)際河網(wǎng)基本一致[7]。本文根據(jù)五泄江流域特點(diǎn)進(jìn)行一維模型構(gòu)建。

(1)河網(wǎng)概化及斷面布置。河網(wǎng)概化信息輸入于.nwk11文件中，生成各節(jié)點(diǎn)和河段信息，設(shè)置五泄江主流和瀆溪江、冠山溪2條支流的連接關(guān)系；添加下游筏畈(A5)和東大湖(A6)2個(gè)湖畈。為反映河網(wǎng)的實(shí)際輸水和調(diào)蓄能力，考慮五泄鎮(zhèn)區(qū)間平原入流(A1)、瀆溪區(qū)間平原入流(A2)、區(qū)間平原1(A3)、區(qū)間平原2(A4)，并將4個(gè)區(qū)間入流虛擬為概湖；添加河道上的堰壩建筑、湖畈和概湖的節(jié)制閘。河網(wǎng)概化圖如圖1所示。

河道斷面信息以起點(diǎn)距，高程數(shù)據(jù)格式輸入于.xns11中。為保證模型計(jì)算精度，斷面間距不超過500 m，河道形態(tài)變化顯著的河段、堰壩上下游需布置斷面。按照這個(gè)原則，整個(gè)河網(wǎng)模型共布置河道斷面148個(gè)，平均密度為3.67個(gè)/km。河道斷面信息輸入文件中后，要設(shè)置每個(gè)斷面的標(biāo)記，包括左岸堤防點(diǎn)mark1、河道最低點(diǎn)mark2、右岸堤防點(diǎn)mark3如圖1(圖中橫縱坐標(biāo)為國家大地坐標(biāo)系)。

圖1 Mike11河網(wǎng)概化圖Fig.1 River network figure by mike 11

(2)水工建筑物設(shè)置。為反映河道實(shí)際的過流能力，需對水工建筑物進(jìn)行概化。五泄江流域涉及的水工建筑物主要有堰壩和節(jié)制閘兩種，堰壩通過weirs功能設(shè)置，節(jié)制閘通過control str功能設(shè)置。Weirs主要設(shè)置要素包括位置、堰流公式、幾何參數(shù)；Control str建筑物主要設(shè)置要素包括建筑物類型、基本參數(shù)、水頭損失、控制方案及控制方式[8]。五泄江沿程共分布14個(gè)堰壩，支流瀆溪江上8個(gè)堰壩，支流冠山溪9個(gè)堰壩，設(shè)置如表1所示。

表1 水工建筑物堰壩設(shè)置Tab.1 Hydraulic structure setting by weirs

2個(gè)湖畈和4個(gè)虛擬概湖的節(jié)制閘設(shè)置見表2 ，“This Gate dH>0 m且H>34 m，全開”表示當(dāng)上游水位大于下游水位，以及上游水位大于34 m時(shí)候，閘門全開泄洪。

表2 虛擬閘設(shè)置Tab.2 Virtual water gate setting by control structure

(3)邊界條件。根據(jù)概化的一維河網(wǎng)，共設(shè)置了11個(gè)流量開邊界和1個(gè)水位開邊界，以時(shí)間序列的形式輸入于 .bnd11中。邊界時(shí)間序列的起始時(shí)間與mike11 模型計(jì)算時(shí)間段，及二維模型的模擬時(shí)段保持一致。

干流、支流上邊界3個(gè)，分別是五泄水庫下泄，瀆溪青山水庫下泄、冠山溪上游來水為流量邊界；為合理反映五泄江沿線小片山區(qū)和丘陵平原匯水，擬定8個(gè)旁側(cè)入流，分別是五泄水庫～五泄鎮(zhèn)區(qū)間(p4)、東風(fēng)水庫(p5)、五泄鎮(zhèn)區(qū)間平原入流(A1)、瀆溪區(qū)間平原入流(A2)、區(qū)間平原1(A3)、區(qū)間平原2(A4)、筏畈(A5)、東大湖(A6)；模型下邊界采用浦陽江西江水位過程。

(4)率定與驗(yàn)證。模型率定以糙率為基本參數(shù)[3,5]，率定結(jié)果主河道五泄江糙率范圍0.027 5～0.028 5，支流冠山溪、瀆溪江糙率范圍0.027 5～0.03，于. hd11文件中進(jìn)行設(shè)置。選用水磨頭、過水橋、跨湖橋等5個(gè)特征地點(diǎn)為驗(yàn)證計(jì)算點(diǎn)，采用“20110616”梅雨洪水過程進(jìn)行驗(yàn)證。

“2011.616” 洪水為梅雨洪水，浦陽江流域全流域降雨，此次降雨歷時(shí)較長，為近期具有代表性的洪水。從6月3日開始至6月20日，五泄江流域面平均雨量525 mm，其中青山水庫庫區(qū)面平均雨量526.8 mm，五泄水庫庫區(qū)面平均雨量569.1 mm，青山、五泄～浦陽江匯合口區(qū)間面平均雨量515.9 mm。本次洪水過程，諸暨水文站第一次洪水從6月14日9時(shí)8.34 m起漲， 6月16日9時(shí)出現(xiàn)洪峰水位12.48 m，超保證水位0.35 m，洪峰流量1 050 m3/s；第二次洪水從6月19日5時(shí)9.05 m起漲，19日17時(shí)35分出現(xiàn)最高水位11.29 m，超警戒水位0.65 m，洪峰流量901 m3/s。從6月14日21時(shí)起，共有111 h超過警戒水位，連續(xù)超警戒水位時(shí)間長達(dá)80 h。

洪水驗(yàn)證水位計(jì)算成果，見表3，可知模型計(jì)算水位與歷史洪水調(diào)查值，相差范圍-0.03～-0.19 m，平均相差在±0.10 m以內(nèi)。可見，模型計(jì)算水位成果和精度能較好地反映河流沿線實(shí)際洪水風(fēng)險(xiǎn)大小。

表3 洪水驗(yàn)證水位計(jì)算成果Tab.3 Validation of flood water level

1.2 Mike21 FM 二維模型

(1)研究范圍確定。二維模型范圍為五泄江水庫壩址以下，沿干流一路由西向東，至浦陽江匯合口，南北兩側(cè)以山腳線和兩岸防洪保護(hù)邊界為界，研究范圍涉及五泄鎮(zhèn)、大唐鎮(zhèn)、草塔鎮(zhèn)、陶朱街道等行政區(qū)。

(2)網(wǎng)格剖分及地形處理。矩形網(wǎng)格計(jì)算模塊采用矩形網(wǎng)格有限差分法，對不規(guī)則邊界常處理成齒狀，計(jì)算出的結(jié)果不盡理想[9]。為更好地適應(yīng)復(fù)雜地形，依照網(wǎng)格剖分原則和方法[10]，選用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分。 基礎(chǔ)地形采用五泄江1∶10 000的測量數(shù)據(jù)，考慮區(qū)域內(nèi)阻水建筑物包括杭長高鐵，浙贛鐵路，諸永高速，省道杭金公路進(jìn)行局部高程修正。根據(jù)五泄江干流，兩條支流瀆溪和冠山溪的分布，將研究區(qū)域概化為4個(gè)閉合的獨(dú)立部分，見圖2和圖3，概化范圍總面積57.4 km2。計(jì)算區(qū)域剖分成52 304個(gè)單元，27 352個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大網(wǎng)格面積2 200 m2，平均網(wǎng)格面積1 097 m2。

圖2 二維模型網(wǎng)格Fig.2 Computational grids of 2D model

圖3 二維模型地形高程Fig.3 Topography elevation of 2D model

(3)參數(shù)設(shè)置。MIKE 21 FM模塊主要參數(shù)信息包括基本參數(shù)和水動(dòng)力學(xué)模塊物理參數(shù)2類，其中基本參數(shù)包括地形數(shù)據(jù)、模擬時(shí)段和模型選擇等；水動(dòng)力學(xué)模塊物理參數(shù)包括干濕水深、渦黏系數(shù)、糙率以及初始條件等[5]。本次搭建的五泄江二維模型的參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 Mike21參數(shù)設(shè)置Tab.4 Parameters setting of mike 21

(1)耦合原理。側(cè)向連接是指mike 21的一系列網(wǎng)格以旁側(cè)的方式同Mike 11的部分或者整個(gè)河道相連，如圖4。通過側(cè)向連接的水流利用水工建筑物公式來計(jì)算。這種方式的連接特別適合用于從河道到洪泛區(qū)的洪水模擬[2]。用于計(jì)算側(cè)向流量的結(jié)構(gòu)物以堰為主，該堰的尺寸參照一維河道的斷面左右岸標(biāo)記點(diǎn)高程，或二維網(wǎng)格的地形高程。堰上下游的水位則通過兩側(cè)mike11水位點(diǎn)和mike21網(wǎng)格相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)差得出。具體的內(nèi)差方式見圖5。

圖4 mike flood側(cè)向連接Fig.4 Lateral link of mike flood

圖5 側(cè)向連接水位內(nèi)差Fig.5 Water level interpolation of lateral link

(2)連接搭建。根據(jù)概化的一維河網(wǎng)模型和二維模型，在五泄江、瀆溪江和冠山溪上共搭建8條側(cè)向連接。輸入連接的起始里程，及左岸或者右岸方式，軟件自動(dòng)生成連接的mike21網(wǎng)格數(shù)及連接點(diǎn)的xy坐標(biāo)。Flood側(cè)向耦合圖見圖6。具體連接數(shù)據(jù)見表5。

圖6 五泄江flood側(cè)向耦合圖Fig.6 Lateral coupling of Wuxie river

序號連接方式河流名稱起始里程/m終點(diǎn)里程/m河道左右岸連接的mike21網(wǎng)格數(shù)1側(cè)向連接五泄江10005800右岸832側(cè)向連接五泄江55008100左岸353側(cè)向連接五泄江690012700右岸904側(cè)向連接五泄江890017000左岸1255側(cè)向連接瀆溪江32007200左岸856側(cè)向連接瀆溪江62607400右岸257側(cè)向連接冠山溪13706820左岸1088側(cè)向連接冠山溪13706820右岸109

(3)參數(shù)選擇。本次模擬選用堰流公式(1)：

式中：W為堰寬；C為堰的因子系數(shù)；k為指數(shù)系數(shù)；Hu為堰上游水位；Hw為堰頂高程；Hd為堰下游水位。

其中堰的因子系數(shù)取值1.838，指數(shù)系數(shù)取值1.5，堰的幾何尺寸由一維河流斷面堤岸高程及同一地點(diǎn)的二維地形最高點(diǎn)確定，flood里設(shè)置為HGH。

2 漫堤洪水演進(jìn)過程分析

2.1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水邊界過程

流域設(shè)計(jì)洪水采用暴雨資料推求。各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量見表6。

表6 五泄江設(shè)計(jì)洪峰流量成果Tab.6 Peak flow results of the Wuxie river

為分析洪水演進(jìn)及極端淹沒情況，選用洪峰流量最大的100年一遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行模擬分析，模擬時(shí)段為2005/1/1 0∶0∶00-2005/1/4 0∶00∶00，歷時(shí)3 d。洪水從第2天6小時(shí)左右開始起漲，洪峰流量在第3天0點(diǎn)左右達(dá)到最大值。根據(jù)概化的mike11一維河網(wǎng)，共設(shè)置了11個(gè)流量開邊界和1個(gè)水位開邊界。根據(jù)水文計(jì)算分析，100年一遇的設(shè)計(jì)洪水邊界過程見圖7。

圖7 100年一遇設(shè)計(jì)洪水邊界過程Fig.7 Process of a design 100-year flood

2.2 漫堤洪水演進(jìn)過程

圖8～圖13為百年一遇洪水下五泄江不同時(shí)刻洪水淹沒圖。可見，當(dāng)五泄江發(fā)生100年一遇的洪水時(shí)，冠山溪左岸最先發(fā)生漫堤，從第2天6小時(shí)開始洪水侵入左邊防洪保護(hù)區(qū)，并持續(xù)擴(kuò)大淹沒范圍，平均淹沒水深在0.1～0.2 m左右，最大淹沒水深達(dá)0.3 m；第2天18小時(shí)開始，五泄江上游發(fā)生漫堤，洪水侵入五泄鎮(zhèn)，平均淹沒水深在0.1左右，最大淹沒水深達(dá)0.15 m；第2天21小時(shí)開始，冠山溪下游右岸發(fā)生漫堤，洪水侵入大唐鎮(zhèn)并持續(xù)擴(kuò)大淹沒范圍；第2天24小時(shí)開始，瀆溪江左右岸均發(fā)生漫堤，洪水侵入草塔鎮(zhèn)，此時(shí)五泄江流域達(dá)到最大淹沒范圍，平均淹沒水深在1 m左右。之后各淹沒區(qū)域開始退水，至第3天8小時(shí)平均淹沒水深減小至0.1～0.2 m左右。

圖8 第2天6 h洪水淹沒Fig.8 The 6 th hour flooding of the second day

圖9 第2天9 h洪水淹沒Fig.9 The 9 th hour flooding of the second day

圖10 第2天18 h洪水淹沒Fig.10 The 18 th hour flooding of the second day

圖11 第2天21 h洪水淹沒Fig.11 The 21 h hour flooding of the second day

圖12 第2天24 h洪水淹沒Fig.12 The 24 th hour flooding of the second day

圖13 第3天8 h洪水淹沒Fig.13 The 8 th hour flooding of the third day

2.3 重點(diǎn)區(qū)域淹沒過程

根據(jù)洪水演進(jìn)過程分析，可知淹沒區(qū)域主要分布在冠山溪左岸，五泄鎮(zhèn)，大唐鎮(zhèn)和草塔鎮(zhèn)局部。在這4個(gè)區(qū)域分別選取人口密集的村莊典型分析，4個(gè)典型地點(diǎn)(t1、t2、t3、t4)位置見圖14，整個(gè)模擬時(shí)段的淹沒水深過程見圖15。可見，冠山溪左岸從1/2 5∶00左右開始淹沒，初始淹沒水深0.1 m，隨后逐漸增大，到1/2 22∶00達(dá)到最大淹沒水深0.75 m，隨后開始退水，淹沒水深逐漸減小；五泄鎮(zhèn)從1/2 17∶00左右開始淹沒，初始淹沒水深0.1 m，隨后逐漸增大，到1/2 23∶00達(dá)到最大淹沒水深0.5 m，然后退水淹沒水深逐漸減小；大唐鎮(zhèn)從1/2 23∶00開始淹沒，初始淹沒水深0.1 m，2 h后達(dá)到最大淹沒水深0.17 m；草塔鎮(zhèn)從1/2 23∶00開始淹沒，初始淹沒水深0.1 m，1 h后達(dá)到最大淹沒水深0.5 m。

圖14 典型地點(diǎn)分布示意圖Fig.14 Typical location distribution schematic

圖15 典型地點(diǎn)淹沒水深過程Fig.15 The water depth process of typical location

由圖15可見，4個(gè)典型地點(diǎn)的淹沒水深都是先增大后減小，淹沒水深隨時(shí)間的變化曲線跟設(shè)計(jì)洪水邊界線趨勢相似。

3 結(jié) 語

本文針對五泄江流域，運(yùn)用mike11對河網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)的概化，充分考慮干支流及區(qū)間湖畈調(diào)蓄作用，運(yùn)用mike21對兩岸防洪保護(hù)區(qū)分區(qū)概化，并利用mike flood構(gòu)建側(cè)向連接的一二維動(dòng)態(tài)耦合水動(dòng)力模型。模擬100年一遇洪水下漫堤洪水演進(jìn)過程，經(jīng)過分析得到如下結(jié)論。

(1)冠山溪左岸防洪風(fēng)險(xiǎn)較大，洪水最先發(fā)生漫堤，并向下游防洪保護(hù)區(qū)侵入，平均淹沒水深在0.1～1 m左右。

(2)五泄江上游防洪風(fēng)險(xiǎn)較大，洪水侵入五泄鎮(zhèn)，平均淹沒水深在0.5～1.5 m左右，局部最大淹沒水深達(dá)3 m。

(3)冠山溪下游右岸防洪風(fēng)險(xiǎn)較大，洪水發(fā)生漫堤侵入大唐鎮(zhèn)，并逐漸擴(kuò)大淹沒范圍，平均淹沒水深在0.5 m左右，局部最大淹沒水深達(dá)1 m，且淹沒范圍大。

(4)瀆溪江左右岸均存在防洪風(fēng)險(xiǎn)，洪水發(fā)生漫堤侵入草塔鎮(zhèn)，平均淹沒水深在0.5～1.5 m左右。

(5)水磨頭以上的大唐鎮(zhèn)、草塔鎮(zhèn)、五泄鎮(zhèn)的洪水淹沒范圍較大，水磨頭以下的諸暨市城區(qū)范圍的堤防堤頂高程滿足100年一遇擋水要求，如堤防不潰決，五泄江沿線的諸暨城區(qū)將不會進(jìn)水。

(6)mike flood構(gòu)建的側(cè)向連接的一二維動(dòng)態(tài)耦合模型，能較好地模擬從河道到防洪保護(hù)區(qū)的洪水演進(jìn)。通過模擬計(jì)算能得到詳細(xì)的洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒范圍、淹沒水深等信息，為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供依據(jù)。

本文僅對漫堤洪水進(jìn)行分析，實(shí)際發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水堤防會發(fā)生潰決，形成潰口。針對不同標(biāo)準(zhǔn)下的潰堤洪水，還需要進(jìn)一步深入研究。

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