張慶梓　劉小龍　陳俊鴻　彭思韋

（1.河海大學　南京　210098　2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室南京　210029）

防洪保護區(qū)水動力一二維精細化模擬模型及應用

張慶梓1劉小龍2陳俊鴻1彭思韋1

（1.河海大學南京2100982.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室南京210029）

為準確合理地進行洪水演進模擬，完成防洪保護區(qū)的洪水風險圖編制工作，本文建立了能夠對防洪保護區(qū)潰堤洪水進行模擬的一、二維耦合水動力學模型。一維水動力學模型采用有限差分法求解，二維水動力學模型采用二維有限體積法求解淺水流方程組。模擬結果表明，與傳統(tǒng)方法相比該模型能有效提高復雜區(qū)域內模型計算效率，所得信息可為防洪決策部門提供參考依據。

水動力學一、二維耦合模型洪水風險分析藥湖聯(lián)圩

1　引言

水動力數(shù)值模擬技術可以廣泛地應用于災害預警、避險轉移、洪水影響評價、洪泛區(qū)管理等方面，為相關部門提供有力的決策支撐。目前，一維動力學模型主要用于長河段的洪水演進預報，主要優(yōu)點是可以快速、準確地模擬復雜河網的水位、流量過程，同時在處理河道上的一些建筑物（如閘門、泵站等）時非常靈活方便。但潰堤后的洪水具有明顯的二維特性，對于防洪保護區(qū)，水流運動復雜，人工建筑物（如房屋、道路等）常常改變水流流向，二維動力學模型更適宜進行此類復雜的水流運動模擬。相對于一維水動力學模型而言，二維水動力學模型能夠提供更加豐富的計算信息，如洪水到達時間、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等。但二維水動力學模型也存在計算時間較長、對地形資料要求較高、在洪水風險圖系統(tǒng)中數(shù)據調用效率較低等問題。對于解決具有多空間尺度的實際問題（如河道潰堤及潰堤水流演進問題），針對不同的研究區(qū)域，運用不同的數(shù)學模型，充分發(fā)揮模型各自的優(yōu)勢，滿足實際需要與提高模型計算效率很有必要。

本文運用地理信息系統(tǒng)，整合防洪保護區(qū)地形、道路及建筑物等空間信息，建立基于防洪保護區(qū)一維河網模型與二維保護區(qū)模型一、二維水動力耦合模型，對道路進行抽稀處理后，將道路和堤防作為保護區(qū)內的擋水建筑物處理。將模型運用于藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)的風險圖制作中，能夠合理反映保護區(qū)內人為設施對洪水演進的影響，使模擬結果更接近真實洪水運動情況。

2　基于水動力一二維耦合模型的藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)洪水模擬

2.1研究區(qū)介紹

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)位于錦江下游南岸，江西省豐城市與南昌市新建區(qū)交界處，保護區(qū)面積166km2。保護區(qū)內河系眾多，降水主要特點是降水量多、強度大、時空分布不均、年際和季節(jié)分配上有明顯的季節(jié)性和地區(qū)性的變化規(guī)律。區(qū)域內共有人口7.93萬，耕地面積15.6萬畝。區(qū)域內國內生產總值145627萬元（工農業(yè)生產總值56826萬元，其中工業(yè)生產總值30742萬元，農業(yè)生產總值15423萬元）。

2.2模型建立

2.2.1河網模型

2.2.1.1斷面整理

河道斷面是河網模型計算的最基本的單元，斷面數(shù)據的準確性直接影響到模型計算結果的精確程度。根據掌握資料的不同，斷面的處理按如下兩種方式分別進行。對有實測大斷面資料的河道，直接利用實測的斷面數(shù)據，包括大地坐標、相應點高程、糙率等信息。在影像地圖上人工勾勒河道中心線，構建河段，創(chuàng)建橫斷面、河岸（線）、河道邊界、河岸連接等。對無實測斷面的河道，采用地形文件生成河道大斷面。以0.5km左右為斷面間距，由上游向下游逐一在地面模型上切割出大斷面。

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)模型共創(chuàng)建斷面172個，如圖1所示。

2.2.1.2河道中心線

河道中心線為河段基本組成單元，通過空間位置與橫斷面線創(chuàng)建連接，兩個斷面的中心線長度即為兩者之間的河流長度。藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)外洪模型共創(chuàng)建3個河段，總長度65km。內洪內澇模型共創(chuàng)建20個河段，總長度為172.3km。

2.2.1.3水工建筑物

此次模型構建中所需概化的水工建筑物主要為自流排洪閘，這一類水工建筑物創(chuàng)建于斷面之間或者保護區(qū)與河道斷面之間，以連接型對象概化。該項目外洪模型不考慮閘門、泵站，內洪內澇模型共創(chuàng)建自流排洪閘3個。

2.2.1.4邊界條件

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)洪水分析模型的河網結構如圖2所示，可見：對于外洪模型，錦江一維河道模型的外邊界條件為高安站、市汊站的實測/設計洪水流量過程；對于內洪內澇模型，錦江邊界條件與外洪相同，導托以上集水區(qū)邊界條件為相應的設計洪水過程，保護區(qū)區(qū)域為降水邊界條件，外河、內河、導托均通過河岸線溢流連接以及潰口與保護區(qū)二維模型連接，保護區(qū)內河通過水閘調度連接到錦江。

2.2.1.5模型率定

一維水動力學模型參數(shù)主要為河道糙率，根據2010年5月21～28日錦江實況洪水進行率定，上邊界為高安站實測流量過程，下邊界為市汊實測水位。經率定，錦江糙率為0.03。松湖街站計算水位與實測水位的對比結果，見圖3。

與率定期相應，將2012年5月11～18日松湖街站的計算水位過程與實測水位進行對比，如圖4所示。從圖4可以看出，在驗證場次洪水模擬中，計算的松湖街站的水位變化趨勢、最高洪水位到達時間與實測水位基本一致，最大水位誤差不超過20cm。

2.2.2洪泛區(qū)二維模型

2.2.2.1地形處理

地形數(shù)據是二維模型網格剖分的基礎，直接影響著洪水分析結果。本次藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)的DEM為1∶10000的數(shù)據，以此數(shù)據進行地面模型的構建。

2.2.2.2區(qū)域降雨處理

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)內降雨直接降到二維計算網格上，根據網格之間的高程差別，采用二維模型計算方法計算匯流過程，當淹沒水深高于河流兩岸高程時，河道與淹沒區(qū)域產生水流交換。

2.2.2.3線狀地物處理

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)內線狀地物處理主要為道路、堤防的處理。由于原始道路節(jié)點間距不規(guī)則，劃分網格時容易產生小網格，對模型計算不利，為此，需要對道路的節(jié)點進行均勻化，即抽稀處理。另外，鑒于原始道路圖層缺少高程值，在道路抽稀完成后，利用測量的道路高程值對其進行賦值，對于缺測的部分，則利用DEM進行補充。

此次道路抽稀長度控制為100m一個節(jié)點，然后根據道路測量高程點對道路進行打斷，并將高程點作為分段道路的高程，之后對交匯點進行修正，使所有交匯點都完全擬合，作保護區(qū)內擋水建筑物處理。該區(qū)域共概化道路、堤防共計477段。

圖1　斷面處理示意圖

圖2　模型河網結構圖

圖3　松湖街站率定期（2010年）實測水位與計算水位對比圖

圖4　松湖街站驗證期（2012年）實測水位與計算水位對比圖

2.2.2.4網格剖分

采用非結構不規(guī)則網格對藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)計算區(qū)域進行網格劃分，網格設計成大小不等的三角形、四邊形，使網格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網格邊界，充分反映計算域的特征。但是，必要的時候對保護區(qū)內的一些典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經合理概化，并對網格適當加密，在二維地形中充分反映其特征。對于四邊形網格，邊長不超過300m，對于不規(guī)則三角形網格，最大網格面積不超過0.1km2，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計算網格適當加密。

該項目采用2D區(qū)間概化二維模擬區(qū)域，2D區(qū)間以面狀對象概化，最大三角形面積為20000m2。糙率則根據下墊面條件的不同分別確定。

網格劃分時以計算域外邊界、區(qū)域內堤防、阻水建筑物、較大河渠、主要公路、鐵路作為依據，采用無結構不規(guī)則網格。藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)外洪模型共生成計算網格160076個，內洪內澇模型共生成計算網格67940個。

2.2.2.5一二維耦合模型

將藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)一維河網模型與二維洪泛區(qū)模型進行耦合，構建最終的洪水分析模型。選定側堰流公式來實現(xiàn)潰口上下游水流信息的交互。在潰口處二維計算單元通過多個網格點與一維計算單元連接，由于一維模型計算結果中的水力參數(shù)是物理量的斷面平均值，二維模型計算出的變量是各網格中心處的節(jié)點值，因此在潰口連接處需要對一維、二維模型的交換數(shù)據進行轉化和銜接。一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計算單元的各節(jié)點上；在連接處二維計算網格的水位值并不相等，因此取各個計算網格的平均水位值Z返回給一維模型，以進行下一時段的計算。一、二維耦合模型的求解過程見圖5所示。

2.3模擬結果及分析

由于該項目難以考慮藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)的退水方案，模型的計算時間一般設置為7d，模型需計算至外江水位低于防洪保護區(qū)內部水位時，形成自然的退水過程為止，因此，模型計算出洪水淹沒歷時結果較長。其次，由計算結果可知，潰口附近洪水流速較大（1m/s以上）；潰堤洪水主流區(qū)域流速達0.5～1.0m/s，潰口附近區(qū)域的洪水到達時間均在3h以內。

圖5　耦合模型的求解過程圖

表1　各外洪方案水量平衡驗證表

另外，從防洪保護區(qū)內的淹沒分布來看，基本遵從地形高低的原則，無論哪種方案下，由于進洪周期比較長，進洪量一般都較大，保護區(qū)內的淹沒水深基本都大于3m。

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)洪水模型能夠較精確的模擬保護區(qū)內水流分布特征。可以得到不同類型洪水、不同潰口條件下，防洪保護區(qū)內的最大淹沒水深、洪水到達時間、洪水淹沒歷時、洪水淹沒范圍圖等洪水風險要素。

2.3.1水量平衡分析

對兩種外洪類型洪水、三個不同潰口條件下，藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)內的水量平衡進行分析。結果表明，模型對于水量平衡計算的相對誤差基本控制在0.1%以內，誤差相對較小，模型計算結果基本合理，見表1。

2.3.2流場合理性分析

通過分析可知：總體上，潰口處進洪量大，故其潰口處流速較大并密集向四周散開；平緩地帶的流場分布基本遵循防洪保護區(qū)內地勢高低的原則，由地勢高的地方向地勢低的地方擴散；碰到鐵路、高速和堤防時，首先通過橋涵進行演進，橋涵處流速有所增大，直至水位抬升后漫過道路和堤防，繼續(xù)向另一側演進；在遇到河流時，首先在河道內進行演進，進而漫堤向河道兩側擴散，河道內流速略大；整個計算過程中該區(qū)域洪水演進穩(wěn)定無紊亂現(xiàn)象，流場分布基本合理。

3　結語

本文建立的一二維耦合的水動力學模型，可模擬防洪保護區(qū)的洪水演進過程，計算結果合理可靠，能夠滿足《洪水風險圖編制技術細則（試行）》中的模型驗證要求。在藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)的洪水模擬中，雖然二維數(shù)值計算更準確且能獲得更多的水力要素，但河道內采用二維數(shù)值計算會增加儲存的數(shù)據量，影響洪水風險系統(tǒng)調用數(shù)據的效率。本文采用的一二維耦合水動力學模型進行洪水演算能有效的提高洪水模擬的精度，提供可信度較高的洪水風險評估，為科學進行洪水管理提供可靠依據