MIKE FLOOD耦合模型在城市超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案中的應(yīng)用

查 理

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

近年來(lái)，隨著全球氣候變化的加劇，極端天氣事件增多，由洪水引起的各種災(zāi)害呈現(xiàn)出頻發(fā)和多發(fā)的態(tài)勢(shì)。隨著防洪理念由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變，洪水?dāng)?shù)值模擬已經(jīng)成為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、洪水損失評(píng)估的一個(gè)重要手段[1-3]，同時(shí)也為制定洪水防御預(yù)案提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于減少城市堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段潰決時(shí)洪水造成的損失具有十分重要的意義。

水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件眾多，近年來(lái)應(yīng)用較多的有DHI MIKE模型[4-6]，SWMM暴雨洪水管理模型[7]和美國(guó)地表水建模系統(tǒng)SMS[8]等。MIKE系列軟件為河流與洪泛區(qū)、海洋與內(nèi)陸水道之間提供了有限的動(dòng)態(tài)連接方式，能夠很好地模擬潰堤、滿(mǎn)溢洪水，有很高的靈活性和模擬精度[9-10]，并在實(shí)際的工程項(xiàng)目中得到了廣泛的驗(yàn)證。

為做好超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御的總體考慮和各項(xiàng)準(zhǔn)備措施，保證第一時(shí)間提出防御意見(jiàn)和建議，有效應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害領(lǐng)域的“黑天鵝”和“灰犀?！笔录ＷC抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)工作高效有序進(jìn)行，最大限度地減少人員傷亡和災(zāi)害損失，本文選擇MIKE系列軟件，以亳州譙城區(qū)為例，運(yùn)用MIKE FLOOD分析超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下城區(qū)堤防潰破的洪水淹沒(méi)演進(jìn)過(guò)程，并對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，為研究區(qū)防御預(yù)案的編制提供了重要參考。

1 研究區(qū)域概況

亳州市城市地處黃淮海平原南端，安徽省西北部。現(xiàn)狀亳州主城區(qū)位于渦河南岸，平均地面高程約37.5m，西北高東南低。建成區(qū)面積約50km2，其中渦河南岸主城區(qū)42.3km2，渦河北岸7.7km2，常住人口約47萬(wàn)人。

渦河流域汛期的洪水均由暴雨產(chǎn)生，暴雨具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍大的特點(diǎn)，易形成流域性大洪水。據(jù)有關(guān)資料記載，新中國(guó)成立以后亳州城區(qū)就發(fā)生大小洪澇災(zāi)害10余次。所以，針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制，提出合理的防御預(yù)案是十分有必要的。

2 模型原理

2.1 一維模型原理

MIKE11一維水動(dòng)力模型基于以下假定[11]：水體為不可壓縮的一維均質(zhì)流體，河道坡降小、縱斷面變化幅度小且符合靜水壓力假設(shè)。模型采用了專(zhuān)業(yè)的追趕解析法和6點(diǎn)Abbott-lonescu格式離散圣維南方程組[12]。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；q—側(cè)向入流，m3/s；A—過(guò)水面積，m2；h—水位，m；R—水力半徑，m；C—謝才系數(shù)；α—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)。

2.2 二維模型原理

亳州城區(qū)平面水流模擬采用MIKE21FM模塊，該模塊計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠給出洪水水量空間分布、淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)[13]。模型主要依據(jù)水流連續(xù)性方程式和x、y方向上的動(dòng)量方程組。

(2)

(3)

2.3 模型耦合

本研究在一維模型基礎(chǔ)上建立虛擬河道，以側(cè)向連接的方式耦合一維模型與二維模型，采用控制性建筑物模塊將潰口進(jìn)行概化，模擬洪水從潰堤處向城區(qū)演進(jìn)的過(guò)程。

3 模型建立與驗(yàn)證

3.1 一維河網(wǎng)概化

根據(jù)研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS軟件配準(zhǔn)，構(gòu)建安徽與河南省界至淮河段渦河MIKE11河網(wǎng)文件。渦河上有大寺、渦陽(yáng)、蒙城3座節(jié)制閘，均以MIKE 11中Control Structure模塊進(jìn)行概化，并根據(jù)閘的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。

3.2 二維模型構(gòu)建

(1)網(wǎng)格剖分。MIKE軟件自帶有網(wǎng)格剖分功能，也可以通過(guò)SMS等軟件剖分網(wǎng)格后導(dǎo)入MIKE21中計(jì)算，由于網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于計(jì)算時(shí)間和結(jié)果影響巨大，如果網(wǎng)格質(zhì)量不好，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算震蕩大，模型計(jì)算易崩潰等問(wèn)題，故本文采用了2種方案進(jìn)行比選。

優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格要求網(wǎng)格大小過(guò)度盡量平滑，且網(wǎng)格盡量為等邊三角形。由于需要對(duì)模型區(qū)域中的龍鳳新河、麥秸溝河槽進(jìn)行細(xì)化，所以對(duì)河道周邊網(wǎng)格進(jìn)行了加密，在這種情況下，MIKE軟件自帶網(wǎng)格剖分結(jié)果(圖1左)質(zhì)量不佳，所以本研究采用SMS網(wǎng)格計(jì)算(圖1右)。

圖1 二維水動(dòng)力模型河道細(xì)化網(wǎng)格剖分對(duì)比

(2)二維成果。二維模型計(jì)算域?yàn)楣啪蟮?、趙王河及渦河包圍的區(qū)域，二維模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)37001個(gè)，網(wǎng)格數(shù)73632個(gè)，地面高程采用20m×20m精度DEM插值計(jì)算。所得渦河南岸城區(qū)mesh文件如圖2所示。

圖2 渦河南岸二維模型示意圖

3.3 參數(shù)率定

根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的需要，需對(duì)渦河一維水動(dòng)力模型和亳州城區(qū)二維水動(dòng)力模型進(jìn)行參數(shù)率定。

(1)一維模型糙率率定。渦河蒙城閘-龍亢集區(qū)間無(wú)支流匯入，故率定范圍為蒙城閘下-龍亢集，河段長(zhǎng)44.4km。計(jì)算時(shí)段為2003年8月27日—9月14日，共19d。

率定參數(shù)時(shí)將已有的參數(shù)成果作為初值，在此基礎(chǔ)上不斷試算。渦河糙率主槽最終采用主槽0.03，灘地0.035，率定結(jié)果精度評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

表1 2003年洪水蒙城閘下實(shí)測(cè)水位與率定水位 單位:m

由表1可知，實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算的水位差相對(duì)值均在0.2m以?xún)?nèi)，率定結(jié)果總體比較理想，水位峰值及相位等能夠得到較好的擬合。

(2)二維模型參數(shù)選取與率定。由于保護(hù)區(qū)無(wú)實(shí)測(cè)的洪水淹沒(méi)范圍調(diào)查資料，無(wú)法進(jìn)行糙率率定。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》等資料，并結(jié)合本片區(qū)土地利用圖和保護(hù)區(qū)下墊面情況，參考鄰近土地利用類(lèi)型后為每個(gè)網(wǎng)格取不同糙率值，具體見(jiàn)表2。

表2 防洪保護(hù)區(qū)不同下墊面糙率取值

3.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)率定的參數(shù)，采用2007年7月1日—8月19日實(shí)測(cè)過(guò)程進(jìn)行渦河蒙城閘下-龍亢集河段一維水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2007年洪水蒙城閘下實(shí)測(cè)水位與驗(yàn)證水位 單位：m

由表3可知，實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算的水位差相對(duì)值均在0.2m以?xún)?nèi)，說(shuō)明計(jì)算采用的參數(shù)是合理有效的。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析及防御方案

風(fēng)險(xiǎn)圖后處理中等值線(xiàn)根據(jù)SL754—2017《城市防洪應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》劃分，據(jù)此規(guī)則對(duì)城區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃片。

表4 洪水對(duì)人的影響危險(xiǎn)性指標(biāo)及等級(jí)劃分

4.1 計(jì)算方案

根據(jù)城區(qū)堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段的原則，在城區(qū)渦河沿岸選擇堤防潰決，計(jì)算方案見(jiàn)表5。

表5 潰口計(jì)算方案

4.2 計(jì)算成果

根據(jù)3種洪水風(fēng)險(xiǎn)圖模擬結(jié)果，在險(xiǎn)工險(xiǎn)段發(fā)生潰決時(shí)，洪水總體向東南演進(jìn)，大部分城區(qū)淹沒(méi)深度在0.12～1.1m之間，潰口附近的老城區(qū)淹沒(méi)深度超過(guò)1.1m，最終洪水匯入宋湯河、龍鳳新河以及麥秸溝經(jīng)由趙王河排出。

圖3 亳州城區(qū)百年一遇洪水潰口水深h等值線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)圖

根據(jù)淹沒(méi)水深、流速圖交叉對(duì)比，發(fā)現(xiàn)城區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的主要影響因素為淹沒(méi)水深，且一旦城區(qū)堤防發(fā)生潰決，在沒(méi)有準(zhǔn)備的情況下，將造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖及相關(guān)資料分析，災(zāi)害影響見(jiàn)表6。

表6 洪澇災(zāi)害影響分析統(tǒng)計(jì)

4.3 防御預(yù)案

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖模擬結(jié)果，將處于高、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的城區(qū)劃分為4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其中受洪水影響人口與洪水量級(jí)、淹沒(méi)范圍成正相關(guān)，也是描述洪水風(fēng)險(xiǎn)最根本的指標(biāo)之一[14]。根據(jù)就近原則，在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)附近綜合人口密集度、城區(qū)地形等因素，設(shè)置3個(gè)避險(xiǎn)區(qū)，并提前規(guī)劃3條較為安全的避險(xiǎn)路線(xiàn)。

圖4 亳州城區(qū)百年一遇洪水避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移安置圖

當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，啟動(dòng)防御預(yù)案，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)居民根據(jù)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移安置路線(xiàn)提前轉(zhuǎn)移至避險(xiǎn)區(qū)，盡量減少洪水所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)論

(1)本文利用MIKE FLOOD耦合模型模擬出城區(qū)堤防潰決時(shí)的淹沒(méi)水深、流速圖，據(jù)此劃分城區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并規(guī)劃出較為合理的避險(xiǎn)區(qū)及避險(xiǎn)路線(xiàn)，對(duì)城市防洪救災(zāi)有重要指導(dǎo)意義。

(2)城區(qū)堤防潰決災(zāi)害巨大，應(yīng)在汛期來(lái)臨前針對(duì)城區(qū)險(xiǎn)工險(xiǎn)段堤防進(jìn)行排查，必要時(shí)加高加固；結(jié)合地形分析，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在城市低洼地段，建議相關(guān)部門(mén)重點(diǎn)關(guān)注該類(lèi)地段居民，必要時(shí)提前按照規(guī)劃避險(xiǎn)安置轉(zhuǎn)移路線(xiàn)進(jìn)行疏散。

(3)MIKE FLOOD可以很好地模擬潰堤后的洪水淹沒(méi)情況，但由于資料有限，本文未充分考慮城區(qū)地下管網(wǎng)建設(shè)對(duì)洪水演進(jìn)的影響，在后續(xù)的工作中洪水模型仍有改進(jìn)的空間。