基于HydroInfo的嫩江灣濕地洪水模擬研究

楊浩淼，金 生

(大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024)

嫩江灣處于嫩江的下游其水環境格局與松花江流域航運、松嫩平原生態安全息息相關。嫩江灣濕地作為天然的港灣濕地發揮著重要的生態環境調節、凈化和城市防洪排澇作用。為了更好地發展和利用嫩江灣濕地，尋求濕地防洪和發展模式的探索成為研究的重要內容[6]。

洪水影響分析的方法大致分為3種：水文分析法、水力學法和實際水災法[1- 2]。水文學法是根據以往的水文年鑒對數據進行分析和預測。水力學法則是通過求解淺水方程的方法。隨著計算機性能的迅猛提高和數值模擬技術的不斷創新，數值模擬已經成為一種不可替代的研究方法之一。對于流域洪水演進模擬分析，國內外的諸多學者都進行了大量的研究，如：意大利的CALEFFI和VALIANI采用二維淺水方程對Toce河的洪水演進進行了模擬[5]；我國諸多學者如金生[9- 11]，許棟[12]，張婷[13]，劉強[14]等也對洪水模擬進行了深入研究。而關于濕地的洪水影響分析也不乏學者，如孫曉英[3]應用Mike21模型對北京市延芳淀濕地進行模擬，李彬[4]應用delft3d對蒼海濕地公園進行模擬，都取得滿意的結論。

為了保證嫩江灣濕地治理項目的順利實施，根據數字高程進行洪水淹沒數值模擬，得出不同安全格局洪水淹沒范圍[5]；洪水淹沒范圍是事關土地開發的重要因素，如何準確地界定淹沒范圍是洪災損失評估的核心環節[15]。只有以洪水淹沒為基礎，才能合理布置建設內容。本文采用HydroInfo水利信息系統[10]搭建二維水動力模型模擬洪水淹沒情況，為治理項目的規劃提供重要依據。

1 數值模型建立

為了分析嫩江灣濕地工程治理項目完成后的洪水影響，本次計算利用HydroInfo軟件二維水動力模型，采用分層歐拉-拉格朗日計算模式[8]在平面上建立非結構化網格，在垂向上建立分層動網格，并采用VC方式(Vertex-Centered)的非結構化有限體積方法來對離散淺水方程進行求解，模擬水流的流動過程。

由于濕地的深度遠小于它的廣度，水流在垂直方向的變化率也遠小于平面方向，因此假設深度方向的變化率是均化的。同時對基本的質量與動量守恒方程在水深方向積分以便引入平均化處理，于是產生了簡化后的Navier-Stockes方程組，也就是二維淺水方程。

守恒型的二維淺水方程為：

(1)

式中，U—自變量；F，G—x，y方向的通量；S—源項；I，V—對流通量與粘性通量；h—水深；u，v—x，y方向的流速；g—重力加速度；S0x，S0y—x，y方向的底坡源項；Sfx，Sfy—x，y方向的底摩擦源項。

(3)

式中，n—糙率；Zb—河底高程。

水位函數z(x，y，t)可由水深h(x，y，t)和河底高程zb(x，y)確定。

2 模型應用與驗證

2.1 模型范圍

二維數值模擬的計算縱向范圍為CS嫩92～CS嫩96斷面，全長約20km，橫向范圍為嫩江兩岸堤防之間，寬度約6.5km。所用地形數據采用2003年1∶5000地形圖，嫩江干流堤防采用2014年批復的《嫩江干流治理工程可研報告》堤防工程堤頂高程，坐標系統采用了1954北京坐標系，高程系統則采用1956黃海系統。計算模型及斷面布置如圖1所示，模型三維視圖如圖2所示。

圖1 計算域及斷面布置

圖2 模型三維視圖

2.2 模型邊界條件

本次采用《嫩江干流治理工程可研報告》水面線計算成果作為二維模型的邊界條件，詳見表1。濕地模型的上游CS嫩92斷面給定流量邊界條件，下游CS嫩96斷面給定水位邊界條件。

表1 二維模型邊界條件

2.3 模型糙率選取

本次研究范圍內二維模型糙率選取參照《嫩江干流治理工程可研報告》中尼爾基下端大賚水文站糙率成果表成果，見表2。

表2 糙率成果

2.4 模型糙率率定

本次糙率率定將二維數值模擬計算成果與《松花江流域防洪規劃》水面線成果進行對比，見表3。由二維模擬計算結果與一維水面線成果對比可知，一二維模型計算結果較接近，二維模型能較好地模擬本河段水位情況。因此，認為模型選用的糙率是合理的，可以作為本項目壅水計算的依據。

表3 二維模型參數率定 單位：m

3 計算結果與分析

3.1 計算工況

本次模擬分析主要考慮了嫩江灣濕地治理項目建設前后2種不同的工況：工況1，嫩江灣自然條件下；工況2，嫩江灣按照濕地工程設計在灘地上建設道路，道路設計考慮從西側圈河故道起始，向東到達嫩江主河道，全長4km。

通過調節初始條件和邊界條件模擬在50、20a一遇洪水的時候，各個斷面的流量、水位、流速情況，并根據模擬成果，繪制工程建設前后模擬河段水位和流速分布圖，分析濕地建設洪水影響。

3.2 濕地灘地道路建設前后情況對比

根據濕地模型的模擬成果，對比分析灘地道路建設前后，嫩江灣濕地的水位、流速、流勢等變化，明確建設灘地道路對濕地各項水力要素的影響程度。

3.2.1嫩江灣濕地水位對比

灘地道路建設前后，河道各斷面平均水位對比情況見表4。

表4 道路建設前后水位對比 單位：m

由表4可得灘地道路工程建設對水位的影響。嫩江灣濕地綜合治理工程灘地道路建設前后各處水位對比計算表明，發生20a一遇洪水時，斷面平均水位較現狀情況雍高0.113m。

3.2.2嫩江灣濕地特征點及流勢對比

為了更加全面地分析灘地各個位置水力要素的變化，分別在嫩江、灘地、新建道路附近設置了19個特征點，如圖3所示。

圖3 特征點布置示意圖

擬新建道路建設前后流速對比見表5。

表5 濕地道路建設前后流速對比 單位：m/s

濕地道路建設后，灘地的流勢發生了變化。比對在50a一遇的洪水下的流場圖，天然條件下如圖4所示，建路后如圖5所示。

圖4 50a一遇洪水整體流場圖-天然條件

圖5 50a一遇洪水流場圖-建路后

由于新建道路的建成阻礙了水流的原始方向，流場圖變化更為明顯，水流只能繞過新建道路，道路上游靠近右灘地的一側水位升高，水只能繞過道路邊緣往下流，于是水流變急流量增大。天然條件下如圖6所示，建路后如圖7所示。

圖6 50a一遇洪水新建道路附近流場

圖7 50a一遇洪水新建道路附近流場

3.3 結果分析

工程建設對水位的影響：道路建設前后各處水位對比計算表明，發生50a一遇洪水時，斷面平均水位較現狀情況壅高0.136m。受到新建道路的影響，壅水在新建道路上游邊界處尚未結束。工程建設對流場的影響：通過計算可知，河道內的整體水流流態基本沒有變化，僅新建道路處發生漫水和繞流現象。嫩江灣處流速在0.17～0.92m/s之間，灘地流速較小，基本在0.4m/s以內。新建道路附近河道水流流速升高基本在0.007～0.036m/s之間。

4 結論

通過對道路建設前后的4種工況進行數值模擬研究，對比分析水位、流速、流場圖，得到以下結論。

(1)工程建設后斷面平均水位升高。靠近灘地新建道路上游發生水位壅高，網格計算最大壅水高度小于0.2m，壅水對濕地項目上游影響范圍較大。

(2)本項目在河灘地上建設的道路使河道的流速發生變化，道路上游側會有泥沙淤積。

(3)本項目所在河段已建通往碼頭道路為阻水建筑物，改變了工程上下游的水流流速、流向，因此項目的建設對河勢影響較大。