基于水動(dòng)力模型的小流域洪水淹沒分析

黎達(dá)通

(廣東省水文局 梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

1 研究區(qū)概況

1.1 流域水系

梅州地處韓江中、上游，是一個(gè)以山地、丘陵為主的地區(qū)。境內(nèi)水系發(fā)育，河流溪澗縱橫密布，有53條集水面積100 km2以上的河流，其中主要有琴江、五華河、寧江、程江、石窟河、松源河、梅江、汀江、梅潭河、豐良河、八鄉(xiāng)河及榕江北河12條河流。全市分屬韓江、粵東沿海諸小河及東江三個(gè)流域，其中韓江流域在梅州境內(nèi)的集水面積14 778 km2，占全市總面積(15 890 km2)的93.0%，粵東諸小河流域集水面積858 km2，占5.4%，東江流域集水面積254 km2，占1.6%，梅江與汀江為韓江流域兩大水系，在大埔縣三河壩匯合后稱為韓江，然后南流經(jīng)潮州市入南海。

1.2 流域降雨特性

工程區(qū)域?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，雨量充沛[1]。由于區(qū)域內(nèi)地理?xiàng)l件不一，降雨量時(shí)空分配極不平衡，易形成局部暴雨和洪澇災(zāi)害；夏季常受臺(tái)風(fēng)侵襲，往往造成災(zāi)害性天氣。

由于本地區(qū)位于沿海地區(qū)，暴雨的水汽、熱力、動(dòng)力條件皆強(qiáng)于我國(guó)大陸的其他沿海省份。暴雨一般表現(xiàn)為強(qiáng)度大、季節(jié)長(zhǎng)，全年均可能發(fā)生暴雨，雖然年內(nèi)干濕兩季明顯，暴雨主要集中在汛期(4—9月)，但非汛期(10月—次年3月)也可能出現(xiàn)暴雨或大暴雨。根據(jù)雨量站降雨資料分析，本地區(qū)暴雨有明顯的季節(jié)性。前汛期(4—6月)：每年4月開始，受西南季風(fēng)影響，與南下冷空氣遭遇，形成靜止鋒、冷鋒，雨量充沛，常造成暴雨和大暴雨。5月、6月西風(fēng)槽、西南槽低空急流、切變線、低渦等天氣系統(tǒng)進(jìn)一步活躍，鋒面類暴雨增多，雨量增大；后汛期(7—9月)，暴雨主要受熱帶環(huán)流系統(tǒng)如臺(tái)風(fēng)、熱帶輻合帶、東風(fēng)波等影響，是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的盛期。暴雨量的年際變化相對(duì)較大，根據(jù)實(shí)測(cè)年最大24 h降雨資料統(tǒng)計(jì)，歷年最大24 h降雨量為631.0 mm(2008年6月13日)，歷年最小24 h降雨量為60.5 mm(1991年8月11日)，前者為后者的10.4倍，多年平均24 h降雨量為174.6 mm。

1.3 流域洪水特性

流域的洪水主要由暴雨形成，通常4—9月頻發(fā)，峰面雨導(dǎo)致4—6月份洪水，7—10月份因?yàn)榕_(tái)風(fēng)雨和熱帶氣旋造成洪水。因?yàn)槌菂^(qū)貫穿上寮河，改變了流域的天然匯流條件，天然狀態(tài)下的壤中流因?yàn)橛不牡孛嬷苯有纬闪说乇韽搅鳎乇韽搅鞯谋壤黠@增加，匯流時(shí)間縮短。另外，該區(qū)域暴雨的特點(diǎn)歷時(shí)短強(qiáng)度大，暴雨陡漲陡落[2-3]。

2 一二維水動(dòng)力模型構(gòu)建

針對(duì)梅州河流域陡漲陡落洪水分布特征進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬研究，利用 MIKE FLOOD模塊建立一二維水動(dòng)力模型[3-5]，模擬該地區(qū)的洪水時(shí)空分布特征和淹沒情況。

2.1 水動(dòng)力模型原理

采用MIKE11計(jì)算模型基于非恒定流理論[6]，軟件計(jì)算模型是有關(guān)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬程序，以圣維南方程作為基礎(chǔ)理論，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Q為流量，m3/s；x為距水道某固定斷面沿流程的距離，m；h為水位，m；t為時(shí)間，s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；g為重力加速度，m/s2。

線性方程的求解算法，利用微分方程進(jìn)行線性化的有限差分格式。模型的假定依托靜水壓分布、一維流態(tài)、均質(zhì)流體，以及動(dòng)量方程、連續(xù)性方程等。

2.2 模型構(gòu)建范圍

基于研究區(qū)流域劃分情況建立水動(dòng)力模型，確定模型構(gòu)建范圍為[7]：北至梅江與寧江交匯區(qū)，南至龍村鎮(zhèn)下游排區(qū)，西至岐嶺河邊界，東至榕江北河與豐良河交匯處。覆蓋面積36.5 km2，網(wǎng)格分辨率采用10 000 mm×10 000 mm，均為正交網(wǎng)格，網(wǎng)格最終劃分?jǐn)?shù)量為53 952個(gè)。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)2016年實(shí)測(cè)1∶1000梅州電子版地形圖，同時(shí)考慮片區(qū)現(xiàn)狀及規(guī)劃雨水管網(wǎng)、路網(wǎng)的布置情況及設(shè)計(jì)需要，對(duì)工程區(qū)段流域面積F、河長(zhǎng)L及河道平均坡降J等地理參數(shù)進(jìn)行量算作為建模取值依據(jù)。洪水采用初損后損法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算[8]，查用廣東省分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)查算圖表，求得不同頻率的平均后損率f及三天平均損失率值fd。應(yīng)用m1～θ關(guān)系圖中的大陸低區(qū)B線，Ⅲ號(hào)無因次單位線Ui～Xi，Um=0.750，K=1.547。模型主要參數(shù)成果見表1。

表1 流域水動(dòng)力模型計(jì)算參數(shù)

2.4 模型降雨邊界設(shè)定

本工程集雨面積較小，設(shè)計(jì)洪水成果主要由1 h及24 h控制。模型計(jì)算在進(jìn)行河道率定時(shí)，上游邊界為恒定流量過程，下游邊界為設(shè)計(jì)水位。根據(jù)雨量站歷年實(shí)測(cè)雨量系列，統(tǒng)計(jì)其年實(shí)測(cè)最大1 h、6 h、24 h及3 d各時(shí)段暴雨資料系列，適線采用P-Ⅲ曲線，暴雨的地區(qū)分布規(guī)律按照珠江三角洲區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Cs/Cv=3.5，進(jìn)行變差系數(shù)和各個(gè)時(shí)段暴雨均值的計(jì)算。求得各時(shí)段不同頻率設(shè)計(jì)暴雨量作為模型的降雨邊界。

3 水動(dòng)力模型合理性驗(yàn)證

基于各控制斷面以上流域的自然地理參數(shù)及流域的設(shè)計(jì)暴雨成果，應(yīng)用“廣東省水文水利計(jì)算工作平臺(tái)”推算出各控制斷面的設(shè)計(jì)洪水綜合單位線法[9]和MIKE FLOOD模塊模擬法驗(yàn)證水動(dòng)力模型的合理性。

3.1 模型洪峰模數(shù)合理性驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)洪水從洪峰模數(shù)論述其合理性。基于MIKE FLOOD模塊計(jì)算，現(xiàn)狀各控制斷面洪峰流量模數(shù)模擬結(jié)果見表2。

表2 各控制斷面洪峰流量模數(shù)模擬值

由表2可見，同一河流從上游至下游斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量模數(shù)符合由大到小的規(guī)律；同一斷面洪峰流量模數(shù)由低頻率至高頻率符合由大到小的規(guī)律。為進(jìn)一步驗(yàn)證其合理性，現(xiàn)將梅州河現(xiàn)狀工程區(qū)河口斷面與水系內(nèi)其他集雨面積相當(dāng)?shù)暮佑亢榉辶髁磕?shù)做比較分析。經(jīng)分析，河涌P=2%～50%設(shè)計(jì)洪水洪峰模數(shù)范圍基本與本工程治理終點(diǎn)控制斷面設(shè)計(jì)洪水洪峰模數(shù)模擬值相當(dāng)。

3.2 模型設(shè)計(jì)洪水合理性驗(yàn)證

在控制斷面洪水洪峰模數(shù)合理性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用綜合單位線法與MIKE FLOOD模塊計(jì)算出各控制斷面的設(shè)計(jì)洪水，結(jié)果見表3。

表3 控制斷面設(shè)計(jì)洪水成理論值與模擬值對(duì)比表

由表3可以看出，本工程各控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果采用MIKE FLOOD模擬比綜合單位線法成果大1.57%～6.53%，總體模擬值與理論值吻合較好，水動(dòng)力模型顯示水量平衡相對(duì)誤差為0.000 57%，可忽略不計(jì)，模型整體計(jì)算精度準(zhǔn)確。因此可通過本次構(gòu)建的梅江流域一二維水動(dòng)力模型進(jìn)一步計(jì)算洪水時(shí)空分布特征和淹沒情況。

4 洪水模擬結(jié)果

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文水動(dòng)力耦合模型計(jì)算梅江區(qū)域淹沒水深及覆蓋面積。

4.1 洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)分析

表4為梅江五華縣區(qū)域現(xiàn)狀河道20年一遇、50年一遇、100年一遇不同淹沒水深對(duì)應(yīng)的淹沒面積結(jié)果。由表4可以看出梅江五華縣流域20年一遇、50年一遇、100年一遇的淹沒面積分別為8.78 km2、15.32 km2、20.82 km2，基本滿足地勢(shì)越高洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)越小的分布特征，淹沒水深在h≤0.5 m 和0.5 m

表4 現(xiàn)狀河道洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)匯總

梅江河五華縣段全長(zhǎng)6.98 km，大部分河道進(jìn)行了10年一遇至50年一遇的整治。根據(jù)河道現(xiàn)狀分析其原因，崗頭調(diào)節(jié)池至五孔箱涵出口段為天然河道，寬約30～60 m，該段已納入橋頭片區(qū)排澇工程中進(jìn)行整治。本工程治理范圍為五孔箱涵出口至屋山水庫主壩下游段。其中，創(chuàng)新路以下河段周邊地勢(shì)低洼，地面高程在3～4 m之間，局部低點(diǎn)高程<3 m，同時(shí)受崗頭調(diào)節(jié)池水位頂托、中心路-寶安大道箱涵壓低的影響，導(dǎo)致該片區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重。片區(qū)內(nèi)澇問題已啟動(dòng)橋頭片區(qū)排澇工程可行性研究，應(yīng)重點(diǎn)解決河道的排洪工程。

4.2 滯洪區(qū)調(diào)蓄能力分析

本工程擬在S-1斷面處新建1#滯洪區(qū)，此處滯洪區(qū)占地0.60萬m2，最大滯洪容積為1.76萬m3。滯洪區(qū)采用河湖結(jié)合的方式，河寬22～40 m。S-4斷面處新建2#滯洪區(qū)，此處滯洪區(qū)占地1.50萬m2，最大滯洪容積為4.53萬m3。滯洪區(qū)采用河湖結(jié)合的方式，河寬18～140 m。擬新建的滯洪區(qū)對(duì)流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。調(diào)蓄后設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算根據(jù)水量平衡原理，采用MIKE FLOOD模擬對(duì)各調(diào)蓄工程進(jìn)行調(diào)洪演算[10]，下游設(shè)計(jì)洪水為區(qū)間設(shè)計(jì)洪水與下泄流量同頻率同時(shí)段疊加。

各調(diào)蓄工程水位～庫容成果見表5；各調(diào)蓄工程出水口水位～流量關(guān)系成果見表6。

表5 各調(diào)蓄工程水位～庫容曲線

表6 各調(diào)蓄工程水位～流量曲線

根據(jù)水位～流量關(guān)系繪制相應(yīng)擬建1#、2#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線圖，如圖1、圖2所示。

圖1 擬建1#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線

圖2 擬建2#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線

根據(jù)洪水過程線、水位～庫容曲線及水位～流量關(guān)系曲線等對(duì)各調(diào)蓄工程進(jìn)行調(diào)洪演算。經(jīng)MIKE FLOOD水動(dòng)力模型模擬分析，各調(diào)蓄工程調(diào)蓄能力成果見表7，可以看出滯洪區(qū)在不同洪水頻率風(fēng)險(xiǎn)下能夠消減3.71～7.40 m3/s的洪峰，擬新建的滯洪區(qū)對(duì)流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。

表7 各調(diào)蓄工程調(diào)蓄能力成果

5 結(jié) 論

(1)因?yàn)楸┯晷纬傻牧饔蚝樗浔┯晏攸c(diǎn)歷時(shí)短、強(qiáng)度大，極易造成區(qū)域洪水的陡漲陡落。

(2)同一河流從上游至下游斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量模數(shù)符合由大到小的規(guī)律；同一斷面洪峰流量模數(shù)由低頻率至高頻率符合由大到小的規(guī)律。洪水成果采用MIKE FLOOD模擬，模擬值與理論值吻合較好，水動(dòng)力模型顯示水量平衡相對(duì)誤差為0.000 57%，模型有效可行。

(3)梅江五華縣流域20年一遇、50年一遇、100年一遇的淹沒面積分別為8.78 km2、15.32 km2、20.82 km2，地勢(shì)越高洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)越小。

(4)針對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)擬建1#、2#滯洪區(qū)，滯洪區(qū)在不同洪水頻率風(fēng)險(xiǎn)下能夠消減3.71～7.40 m3/s的洪峰，擬新建的滯洪區(qū)對(duì)流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。