MIKE21模型在精河防洪保護區避洪轉移中的應用研究

韓 嶺，蓋永崗，李榮容，雷 鳴

(黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003)

0 引 言

新疆北部地區年平均降雨量相對較小，但由于其獨特的地形地貌特征，暴雨融雪型洪水也較為突發，對于山前平原河流，這種突發的洪水對其影響更為顯著，嚴重影響河流兩岸防洪保護區內的居民生命財產安全。當洪水發生時，如何保護災區居民生命安全，緊急疏散轉移受災群眾，保障轉移群眾基本生活，實現快速、高效轉移是防洪應急預案體系建設中急需解決的問題[1-3]。隨著防洪理念由控制洪水向洪水管理的轉變，洪水數值模擬已成為洪水風險分析的一個重要手段，是洪水管理的科學依據[4-6]。

目前比較流行的水動力數值模擬軟件有荷蘭的Delft 3D模型、英國的InfoWorks RS模型、丹麥的MIKE模型及其他自主開發的軟件模型[7]，雖然這些軟件在功能實現、計算算法和建模方法上各有不同，但都得到了廣泛的使用和工程驗證，具有很高的可信性。其中MIKE模型因其強大的前、后處理功能，是目前世界范圍內應用最為廣泛的水力學模型之一[8-12]。本文擬采用MIKE 21 模型，對精河防洪保護區內的避洪轉移進行分析研究。

1 研究區概況

精河流域位于新疆維吾爾自治區西北部，總體地勢向北逐漸降低，精河發源于婆羅科努山北坡，經出山口后進入平原區，河槽逐漸變為寬淺，河流坡降逐漸減小。本次研究區域位于出山口至芒丁鄉之間，屬河道中下游，是精河流域主要的工農業生產區，河道兩岸居民點密布。該河段河道長約30 km，河道基本順直，河床寬度200～400 m，縱坡1.48%～0.622%，自上而下河道逐漸展寬。研究區域內的防洪保護區范圍主要覆蓋精河縣的托里鄉、芒丁鄉以及精河鎮，總人口約6萬人，耕地面積約2.33 萬hm2，農林牧漁業總產值13.5億元。研究區行政區劃圖見圖1。

圖1 研究區行政區劃圖Fig.1 Study regional administrative divisions

2 模型原理

精河河道及防洪保護區采用MIKE21 FM (非結構化網格)水動力模塊建模，其原理是基于數值解的二維淺水方程，可以模擬各種作用力下產生的水位和水流變化及任何忽略分層的二維自由表面流。在平面上采用非結構化網格，采用的數值方法是單元中心的有限體積法；控制方程離散時，結果變量u、v位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊；有限體積法中法向通量通過在沿外法向建立單元水力模型并求解一維黎曼問題而得到；采用顯式時間積分。

2.1 控制方程

Mike21 FM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，服從布辛涅斯克假設和靜水壓力假設。

h=η+d

(1)

二維非恒定淺水方程組為：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 數值解法

(1)空間離散。計算區域的空間離散是用有限體積法，將該連續統一體細分為不重疊的單元，單元可以是三角形或者四邊形。

在笛卡爾坐標系中，二維淺水方程組可以寫為：

(6)

式中：U為守恒型物理矢量；F為通量矢量；S為源項，上標I、V分別為無黏性的和黏性通量。對方程(6)第i個單元積分，并運用Gauss原理重寫可得出：

(7)

式中：Ai為單元Ωi的面積；Fi為單元的邊界；ds為沿著邊界的積分變量。使用單點求積分來計算面積的積分，該求積分點位于單元的質點，同時使用中點求積法來計算邊界積分，方程(7)可以寫為：

(8)

式中：Ui和Si分別為第i個單元的U和S的平均值，并位于單元中心；NS是單元的邊界數；ΔΓj為第j個單元的長度。

一階解法和二階解法都可以用于空間離散求解，為了避免數值振蕩，模型使用了二階TVD格式。

(2)時間積分。對于二維模擬，淺水方程的求解有兩種方法：一種是低階方法，另一種是高階方法。低階方法即低階顯式的Euler方法：

Un+1=Un+ΔtG(Un)

(9)

式中：Δt為時間步長。高階的方法為使用了二階的Runge Kutta方法：

(10)

3 模型建立與驗證

3.1 模型構建

精河防洪護區建模范圍南至下天吉水庫壩下，北至精河縣北郊，西至大莊子村，東至東莊村，河道長約30 km，建模范圍189 km2。二維水動力學模型建模范圍見圖1。

整個防洪保護區網格采用不規則三角形網格進行剖分，為保證模型計算精度，①在高山邊界、精河主河道、精伊霍鐵路和G30連霍高速路沿線兩側網格適當加密；②在河道內任一橫截面上的網格數量不少于4個來確保河道內有足夠模擬河道水流演進的實際計算點。模型范圍內共剖分網格數為83 956個，平均網格面積為0.002 km2。網格剖分結果見圖2。網格剖分后，采用1∶10 000比例尺的DEM高程數據進行網格高程插值，得到二維模型的地形云圖3。

圖2 模型網格剖分圖 Fig.2 Mesh generation of model

圖3 模型地形云圖Fig.3 Model terrain cloud of model

3.2 邊界條件

精河防洪保護區二維水動力學模型的上邊界為流量邊界，設置于下天吉水庫壩下精河干流河道處。下天吉水庫壩址以上天然設計洪水根據精河山口水文站實測長系列資料推求，選擇精河山口水文站1999年7月19日0時-7月26日0時的7日洪水過程，采用同頻率放大法計算的天然設計洪水過程線，按照下天吉水庫一期工程擬定的防洪運用方式對不同量級設計洪水過程進行調蓄計算，得到百年一遇洪水的洪水過程線，見圖4。

圖4 精河百年一遇洪水過程線(1999年)Fig.4 Hundred-year flood hydrograph of Jing River

模型下邊界為水位邊界，設置于精河縣城北郊，通過模型試算找出模型下邊界線中可能的出流位置，下邊界的斷面水位流量關系線根據實測斷面用曼寧公式進行推求，計算中所采用的比降系根據實測該河段河底高程和河段長計算得出，作為水面比降，斷面糙率參考精河山口水文站及相關設計成果，并結合現場查勘情況，取0.028～0.035。水位流量關系線見圖5。

圖5 模型下邊界水位流量關系Fig.5 Relationship between water level and water level of model Lower Boundary

3.3 模型參數選取與驗證

(1)模型參數選取。在精河防洪保護區二維水動力學模型中，模型計算主要是用來模擬洪水在淹沒區的演進過程，提取淹沒水深、流速和洪水到達時間等風險要素，故對于計算結果無明顯影響的計算參數均采用默認值，需要設置的主要參數有：計算時間和步長、糙率、干濕邊界等。

經反復調試，本次計算區二維模型的最大時間步長設定為30 s，最小時間步長設定為0.01 s，模型根據網格質量、進洪情況及區域地形復雜程度會自動調整計算時間步長。

在二維水動力模型中，糙率是影響模型計算的另一個比較重要的參數。精河風險圖保護區網格是由面積小于0.005 km2的不規則三角形網格構成，在MIKE21中可以設定每個網格不同的糙率值，也可全區統一設定為一個固定的糙率值。

在本次計算中，利用本區域土地利用分類圖、遙感衛星影像圖，并結合現場調查，考慮分區內的地形、地貌、植被狀況，根據《洪水風險圖編制技術細則》[13]、《水力計算手冊》[14]等資料，對不同下墊面賦予不同的糙率值，精河防洪保護區內地面插值后的糙率值云圖見圖6。

圖6 模型地面糙率值云圖Fig.6 Surface roughness map of model

干濕邊界是MIKE21水動力學模型中為避免模型計算出現不穩定性和不收斂而設定的參數，當某一網格單元的水深小于濕水深時，在此單元上的水流計算會被相應調整，而當水深小于干水深時，會被凍結而不參與計算。干水深、浸沒水深和濕水深分別取0.005、0.05和0.1 m。

(2)模型參數驗證。根據精河山口水文站、精河渡槽斷面水位流量關系線，通過在二維模型中設置水位、流量監控斷面，得到控制斷面水位流量關系線，將模型計算結果與設計報告成果進行比較，見圖7和圖8。

圖7 山口水文站斷面水位流量關系Fig.7 Relationship between water level and water level in the section of Shankou Hydrological Station

圖8 精河渡槽斷面水位流量關系Fig.8 Relationship between water level and water level in the section of Jinghe River aqueduct

可見，精河山口水文站、精河渡槽斷面二維模型計算結果與設計報告成果非常接近。根據相關設計成果報告，精河渡槽斷面堤防設計防流量為118 m3/s，相應設計水位為403.76 m。二維模型計算得到118 m3/s相應水位為403.769 m，二者的絕對誤差為9 cm。從水位流量關系和堤防設計水位成果比較結果來看，本次率定的參數可以較好的模擬該河段的洪水演進過程。設計報告水位和本次計算水位相差比較小，可以認為模型搭建合理。

4 模型計算及避洪轉移分析

4.1 模型計算分析

當精河山口水文站發生100年一遇洪水時，經下天吉水庫調蓄后洪峰流量為332 m3/s。洪水進入保護區后，根據地形演進，演進至精伊霍鐵路處，由于河道過流能力較大，洪水均在河道內演進，精伊霍鐵路不起阻水作用；演進至精河渡槽處，洪水開始發散并產生漫溢，主河道左岸部分地區受淹；演進至G30連霍高速處，部分洪水被高速阻滯，沿高速向東西兩方向演進，并經由連霍高速大橋及高速上的涵洞繼續向北演進；約30 h后洪水淹沒面積基本達到最大，此后洪水流量及各淹沒區域的淹沒水深、淹沒面積逐漸趨于穩定，洪水演進不同時間分布見圖9。

圖9 洪水演進不同時間分布Fig.9 Flood routing distribution at different time

4.2 避洪轉移分析

精河防洪保護區劃分的危險區面積小于1 000 km2，根據《避洪轉移圖編制技術要求》[15]，避洪轉移單元按行政村考慮；同時滿足水深<1.0 m、流速<0.5 m/s，且具有可容納該區域人口的安全場所和設施的，釆取就地安置方式，不滿足上述條件的區域采取轉移安置方式。

根據模型計算結果，當發生100年一遇洪水時，研究區域內水深、流速及到達時間情況如圖10、圖11、圖12。

圖10 水深圖Fig.10 Distribution map of water depth

圖11 流速圖Fig.11 Distribution map of flow velocity

圖12 到達時間Fig.12 Time of arrival map

經對淹沒區域內水深、流速及到達時間的分析，根據《避洪轉移圖編制技術要求》，可知：有避洪轉移任務的行政村(社區)為：芒丁鄉的巴西莊子村、河西村、五棵數村、夾巴溝村和精河鎮的鎮綠園社區、濱河社區及平社區，涉及人口4 200人。

但，這些區域淹沒水深均小于1 m，其中絕大部分區域淹沒水深小于0.5 m，淹沒水深在0.5～1.0 m的區域僅涉及五棵數村沿河的少部分區域，且需進行避洪轉移的區域洪水流速均小于0.5 m/s。

因此，精河防洪保護區受洪水影響的人口均符合就地安置條件，不需進行轉移安置，精河防洪保護區就地安置人口見表1。

表1 精河防洪保護區就地安置人口表Tab.1 Population locally settlement in Jing River Flood control protected area

通過典型調查得知，精河防洪保護區內受洪水影響的區域集中在精河縣城附近，經濟社會發展程度相對較高，居民房屋的類型以混凝土框架結構、磚混結構和磚木結構為主，房屋質量相對較好；根據安置區劃定的就近原則、安全性、通達性等原則，可對受影響人員進行就地安置，農村居民可直接安置于自己房屋的屋頂，城鎮居民可直接安置與樓房的二層或以上樓層，安置場所是比較可靠的。

5 結 語

防洪保護區避洪轉移分析主要是在前期洪水模擬的基礎上，結合現場調研情況，進行危險區及轉移單元的確定、轉移方式的選擇及人口分析，確定避洪轉移安置點[16]。本文通過MIKE 21建立了精河河道及防洪保護區內的整體二維水動力學模型，合理模擬了該河段遭遇百年一遇洪水時的風險情況，表明MIKE 21模型對類似山前平原河段的洪水模擬具有良好的適應性；同時在模型計算結果的基礎上，分析了防洪保護區內的淹沒水深、流速和洪水到達時間等洪水風險要素，根據分析結果確定了防洪保護區內需轉移單元、轉移人口和可安置區域等信息，為防汛應急指揮部門在實際避洪轉移安置工作中提供了輔助決策和技術支撐作用。

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