基于MIKE21模型的河口地區(qū)洪水風(fēng)險分析

和宛琳，王 振

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

河口地區(qū)是濱海城市環(huán)境特色最鮮明、形象最具代表性、活力最充盈和土地價值最寶貴的區(qū)域，土地開發(fā)建設(shè)速度加快，人水爭地矛盾突出，天然排洪空間萎縮，同時，河口地區(qū)一般地處臺風(fēng)走廊，地勢平坦，特殊的地理位置和自然條件造就了河口地區(qū)面臨洪、澇、潮災(zāi)害交織的風(fēng)險，水安全已成為河口地區(qū)開發(fā)建設(shè)中面臨的首要難題。

水動力學(xué)模型能夠模擬得到較詳細的淹沒要素時空分布，包括淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時及流速等，是目前運用最廣泛的分析手段[1]。丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE系列模型是國際上應(yīng)用較為廣泛的一款商業(yè)水動力學(xué)計算軟件，曾在丹麥、埃及以及中國等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[2- 7]。針對我國河口地區(qū)洪澇潮問題，王秀杰等[8]構(gòu)建一、二維耦合模型，以河道洪水、暴雨以及風(fēng)暴潮為洪水來源，模擬多重現(xiàn)期洪水情境下的潰漫堤淹沒風(fēng)險，借鑒金融風(fēng)險管理中風(fēng)險度量和期望理論模擬研究，提出圍海工程對工程附近水環(huán)境動力特征和泥沙回淤的影響；劉睿哲等[10]通過對“天鴿”風(fēng)暴潮的模擬，驗證了MIKE21模型和Holland風(fēng)場構(gòu)建的天文潮以及二維風(fēng)暴潮模型的可靠性。以往研究表明，MIKE系列軟件可較好的應(yīng)用于河口地區(qū)洪澇潮影響分析。

本文針對大洪水時多條河流漫溢行洪，下游遭遇風(fēng)暴潮的河口地區(qū)，以萬泉河為例，構(gòu)建設(shè)計洪水、設(shè)計澇水疊加外海風(fēng)暴潮的洪澇潮水模擬模型，針對關(guān)鍵技術(shù)問題進行研究，模擬復(fù)雜水力條件下洪水漫溢及演進過程，以期為萬泉河河口地區(qū)防洪體系完善、洪水風(fēng)險管理及博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)和支撐。

1 MIKE21模型原理

萬泉河河口地區(qū)二維水動力模型，計算原理依據(jù)的是描述水流運動的二維非恒定流方程組，包括3個方程：水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動量方程及水流沿y方向的動量方程，形式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，x，y—直角坐標系的橫縱坐標，m；u，v—x，y方向的流速分量，m/s；z，h—x，y處的水位和水深，m。

根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時刻在(x，y)處的水位z、水深h以及x，y方向的流速u，v。模擬中考慮了線狀阻水地物如堤防、道路及橋涵對洪水演進的影響。

2 洪水演進模型構(gòu)建

2.1 區(qū)域概況及計算方案

萬泉河位于海南島東南偏東部，是海南島第三大河流，流域面積3693km2，是我國未受污染、生態(tài)優(yōu)美的熱帶河流，被譽為中國的“亞馬遜河”。萬泉河加積壩以下的河口地區(qū)在2001年成立博鰲亞洲論壇，2013年國務(wù)院正式批復(fù)設(shè)立博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)。一方面，萬泉河流域上游水利樞紐控制洪水能力有限，中下游地區(qū)地勢平坦低洼，堤防建設(shè)滯后，已建堤防不足18km，大部分河段不足10年一遇防洪(潮)標準，防洪潮體系不完整；另一方面，萬泉河下游貫穿規(guī)劃建設(shè)中的博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)，新區(qū)的發(fā)展離不開濱河岸灘土地資源的開發(fā)利用，但防洪安保亦需要足夠的行洪河道。2016年規(guī)劃建設(shè)中的樂城先行區(qū)已建園區(qū)遭受臺風(fēng)“莎莉嘉”的正面襲擊，造成較為嚴重的洪澇損失。因此，研究萬泉河河口地區(qū)存在的防洪潮風(fēng)險已迫在眉睫。

萬泉河河口地區(qū)淹沒風(fēng)險主要來源于萬泉河、塔洋河、九曲江大洪水時的漫溢行洪、暴雨內(nèi)澇以及風(fēng)暴潮引發(fā)的海水倒灌。根據(jù)1976—2020年萬泉河流域加積站實測洪峰流量和港北(外)實測洪潮資料分析，45年里僅有1985、1994年2年中，加積站年最大洪水和港北(外)站年最高潮位出現(xiàn)在同一天，且均未造成河口災(zāi)害，故認為洪潮遭遇機率較小，且遭遇情況不惡劣。因此計算方案分為以洪為主和以潮為主2種情況，共設(shè)定3個計算方案，見表1，以下以淹沒情況最為嚴重的方案2進行說明。

表1 萬泉河河口地區(qū)洪潮風(fēng)險分析計算方案表

2.2 洪水演進模型構(gòu)建

2.2.1模型范圍及模型關(guān)鍵技術(shù)

選用MIKE21建立萬泉河河口地區(qū)二維非恒定流模型，模型以萬泉河河道為軸線，上至加積壩，下至入海口，河道兩岸充分考慮降雨匯流方向，總體上以流域分水嶺為界，面積132.6km2，模型計算范圍內(nèi)萬泉河河長24km。

萬泉河河口地區(qū)河網(wǎng)密布，由第三方軟件GEOPAK Civil對模型范圍內(nèi)的萬泉河干流和主要支流進行三維開挖，然后將開挖數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型插值，從而得到反映完整河網(wǎng)形態(tài)的高精度網(wǎng)格。采用此種方法構(gòu)建的二維模型，一方面避免了分別構(gòu)建各河流的一維河道洪水演進模型，再與二維平面區(qū)域模型進行耦合存在的工作量大、模型不穩(wěn)定，及耦合點地形不匹配，洪水無法在耦合點自由交換等問題，另一方面也更好地模擬了洪水的自然匯流過程。高出地面0.5m以上的道路等線狀阻水地物，以DIKE的方式加入二維模型，其下橋涵以CULVERT的形式設(shè)置。模型信息見表2。

表2 二維模型信息表

2.2.2邊界條件確定

模型控制邊界主要包括上游入流(萬泉河加積站設(shè)計洪水過程)、區(qū)間入流(塔洋河和九曲江設(shè)計洪水過程及設(shè)計暴雨過程)及下游出流(設(shè)計潮位過程)。

(1)入流邊界條件。萬泉河加積站控制流域面積3236km2，上游牛路嶺水庫、紅嶺水庫控制流域面積分別占加積站控制面積的38.2%和23.0%，因此，加積站設(shè)計洪水考慮2水庫調(diào)蓄影響，按照同頻率和典型年2種地區(qū)組成方法分別進行計算；經(jīng)過比選及與歷史成果對比，最終采用對加積偏不利、1970年典型年法成果。九曲江、龍滾河流域內(nèi)無實測洪水資料，根據(jù)1991年廣東省暴雨參數(shù)等值線圖查算暴雨參數(shù)，采用綜合單位線法推算2條河流入萬泉河口處設(shè)計洪水過程。

萬泉河加積斷面、塔洋河、九曲江20年一遇設(shè)計洪水過程如圖1所示。

圖1 模型入流邊界各河流20年一遇設(shè)計洪水過程

(2)出流邊界條件。萬泉河下游河段出口受潮位頂托，出流邊界條件為入海口處10年一遇設(shè)計潮位。萬泉河入海口附近無實測潮位資料，設(shè)計潮位由港北、清瀾站兩站的設(shè)計潮位平均值，同時疊加未來海平面上升趨勢值得到，成果如圖2所示。

圖2 萬泉河入海口10年一遇設(shè)計潮位過程

2.2.3模型參數(shù)驗證

按照模型應(yīng)用的一般步驟，應(yīng)該首先選擇2—3場洪水資料率定模型參數(shù)，但由于研究區(qū)缺少必要的實測資料，本文直接根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗，初步選定相關(guān)參數(shù)，然后再借助有限的實測資料驗證參數(shù)的合理性。糙率(n)是水力學(xué)計算的關(guān)鍵參數(shù)，反映了區(qū)域地表、河道底部以及岸坡影響水阻力的綜合系數(shù)。在二維地表產(chǎn)匯流模型中，糙率以曼寧值表示(單位m1/3/s)，按公路、農(nóng)田、綠地、建筑用地、村莊房屋、樹林、水面等細分各類下墊面，并分別賦予不同的糙率值。根據(jù)《萬泉河流域水生態(tài)文明建設(shè)與綜合治理總體方案》及《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》，結(jié)合現(xiàn)場查勘，河道及各下墊面糙率取值見表3。

表3 河道及各下墊面糙率取值表

由于模型計算范圍內(nèi)萬泉河僅有加積水文站，且位于模型計算范圍最上端，水文數(shù)據(jù)無法用來驗證模型，因此采用實測洪痕數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行驗證。2016年臺風(fēng)“莎莉嘉”在瓊海市登陸，實測加積站最大洪峰流量4820m3/s，洪水量級約為3年一遇。根據(jù)實地調(diào)查，模型范圍內(nèi)共收集到3處洪痕點。采用2016年10月13日萬泉河加積站實測洪水過程和塔洋河、九曲江對應(yīng)量級的設(shè)計洪水過程作為入流，進行模擬計算，計算結(jié)果與實測洪水位對比見表4。由表可知，3處調(diào)查洪痕模擬水位與調(diào)查水位差值在0.20m范圍內(nèi)，故認為模型參數(shù)選取基本合理。

表4 模型模擬與實測洪痕對比表

3 洪水演進結(jié)果分析

根據(jù)所建萬泉河河口區(qū)域二維水動力學(xué)模型，動態(tài)模擬其遭遇方案2情況下的洪水演進過程，采用非恒定流水動力學(xué)方法計算萬泉河不同斷面實時水位和流量以及漫溢洪水演進過程中任一網(wǎng)格不同時刻的洪水淹沒風(fēng)險要素。結(jié)果顯示各方案的流場分布與DEM整體高程分布一致，洪水流動的趨勢遵循從高到低的原則，考慮滲漏損失的情況下，模型總體滿足水量平衡。

3.1 淹沒風(fēng)險分析

根據(jù)模擬結(jié)果，方案2情況下萬泉河河口地區(qū)河段兩岸漫溢情況較為嚴重，淹沒風(fēng)險大。5d 120個模擬時段中最大淹沒水深分布情況如圖3所示。

圖3 最大淹沒范圍圖

根據(jù)上邊界入洪過程，從模擬的第43個時段開始，隨著洪水流量的快速增加，洪水逐漸出槽漫溢行洪，初期主要集中在加積壩下游的萬泉河右岸，到第56個時段，洪峰達到最大，萬泉河左右岸及樂城島、沙坡島、東峪島均有不同程度的淹沒，模型范圍內(nèi)最大淹沒面積45.06km2(不含水域面積24.60km2)，最大淹沒水深3.75m，而后洪水逐漸消退，至第80個時段基本消退。

3.2 規(guī)劃博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)淹沒風(fēng)險分析

樂城先行區(qū)位于瓊海市嘉積區(qū)和博鰲論壇核心區(qū)之間，橫跨萬泉河兩岸，規(guī)劃面積20.9km2，規(guī)劃總體空間結(jié)構(gòu)為“雙心六片”，雙心即萬泉河北岸的綜合服務(wù)中心和南岸的綜合康養(yǎng)中心；六片即6個主要的醫(yī)療旅游功能組團。樂城先行區(qū)于2015年開始建設(shè)，截止2019年底，已建(在建)園區(qū)15個，以醫(yī)療康養(yǎng)為主要功能，集中在萬泉河右岸的規(guī)劃區(qū)南部。

以洪為主20年一遇方案下，樂城先行區(qū)陸域面積12.9km2范圍內(nèi)淹沒影響區(qū)域達9.21km2，平均淹沒水深1.27m，最大淹沒水深2.37m，位于塔洋河支流翡翠灣溝左岸附近區(qū)域。其中萬泉河左右岸規(guī)劃區(qū)淹沒面積分別為6.39、5.05km2，水深0.5m以上水深面積占比分別為59%、63%。15個已建園區(qū)中10個園區(qū)有洪水進入，地勢較低的博鰲超級醫(yī)院四周最低處淹沒水深超過了1.0m。樂城島面積約146萬m2，僅有6萬m2未被淹沒，淹沒比例達到了96%，島上最大淹沒水深6.1m，平均淹沒水深2.6m，55%的面積淹沒水深達到了2.0m以上。

4 結(jié)語

(1)本文基于MIKE21構(gòu)建了洪澇水與風(fēng)暴潮共同作用下的萬泉河河口地區(qū)二維水動力學(xué)模型，能夠有效模擬萬泉河河口地區(qū)洪水演進過程及風(fēng)險分布特征，結(jié)果較為合理可靠，相關(guān)成果已應(yīng)用于博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)水安全保障方案和控制性詳細規(guī)劃修編中[11]。

(2)健康的城市發(fā)展建設(shè)，是在遵循河流自然進程基礎(chǔ)上的可選擇性開發(fā)，是一種彈性的發(fā)展模式[12]。萬泉河河口地區(qū)規(guī)劃時應(yīng)處理好防洪規(guī)劃與城市規(guī)劃建設(shè)之間的關(guān)系，根據(jù)現(xiàn)狀防洪潮形勢，劃定防洪治導(dǎo)線，留足行洪通道；通過上游牛路嶺、紅嶺水庫聯(lián)合調(diào)度，中下游新建堤防，構(gòu)建“庫堤結(jié)合”的防洪體系及“排澇河道+蓄滯澇區(qū)+擋洪潮閘”組成的排澇體系，提高區(qū)域防洪澇(潮)標準，提升水安全保障能力，保障地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。