劉 楊，張瑞海，韓 嶺，劉 娟(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 河南 鄭州 450003)

基于MIKE FLOOD模型的西北城市河道橡膠壩群洪水風(fēng)險分析研究

劉 楊，張瑞海，韓 嶺，劉 娟
(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 河南 鄭州 450003)

由于西北城市河道比降大，暴雨和山洪形成河道洪水突發(fā)性強(qiáng)，河道橡膠壩群的修建改善了城市生態(tài)環(huán)境，同時也客觀上增大了城市洪水風(fēng)險。基于MIKE FLOOD水動力學(xué)模型，對西北城市橡膠壩群河道典型案例進(jìn)行了一二維耦合水動力學(xué)模型計(jì)算，研究了在河道遭遇大洪水時橡膠壩群未塌壩運(yùn)行的洪水動態(tài)演進(jìn)情況，定量計(jì)算了對城市可能造成的淹沒情況以及洪災(zāi)損失，指明了橡膠壩群未按照防汛預(yù)案采取度汛措施而造成的潛在洪水風(fēng)險，并且提出了降低城市河道橡膠壩群洪水風(fēng)險的建設(shè)管理措施。

MIKE FLOOD；橡膠壩群；西北城市河道；城市防洪；洪水風(fēng)險

城市依水而生，因水而興，河流穿城而過，成為城市不可缺少的組成部分。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市對河流的功能性需求不斷提升，河流對于塑造城市景觀、構(gòu)建宜居環(huán)境、實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明的作用日益突顯，河道整治與水景觀設(shè)計(jì)相結(jié)合，在河道上修建橡膠壩群[1-3]，營建景觀水面則成為了城市河流治理的可行方案。

與此同時，城市河流橡膠壩群的修建也對城市防洪[4]造成了巨大影響，對防洪體系的建設(shè)提出了更高的要求。由于全球氣候變化，極端氣象頻發(fā)，突發(fā)暴雨與山洪對于西北山區(qū)城市影響尤為顯著，西北城市河道多級橡膠壩在不利工況甚至防汛預(yù)案無法及時啟動情況下對城市的洪水風(fēng)險影響是亟待論證分析的。本文基于MIKE FLOOD模型構(gòu)建城市河道及城區(qū)一二維耦合水動力學(xué)模型，對西北城市大比降多級橡膠壩河道進(jìn)行洪水風(fēng)險分析研究。本研究選取巴音河德令哈市城區(qū)河段進(jìn)行建模計(jì)算，對巴音河上八級橡膠壩概化模擬，進(jìn)行洪水風(fēng)險分析研究。

1 研究區(qū)域概況

巴音河為柴達(dá)木盆地第四大內(nèi)陸河，流經(jīng)青海省海西蒙古族藏族自治州首府德令哈市，本文研究區(qū)域即為巴音河德令哈市城區(qū)段，河道比降平均為13‰，河道比降較大，遭遇突發(fā)暴雨和洪水時，易在短時間內(nèi)形成較大洪峰。巴音河德令哈市區(qū)段河道已經(jīng)過整治，河道斷面形態(tài)規(guī)整，河道防洪工程達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。在巴音河二級電站到舊青藏鐵路橋之間約4.5 km河道上分布了八級橡膠壩，各級橡膠壩平均回水長度約400 m，形成景觀水面。根據(jù)德令哈市防汛預(yù)案，進(jìn)入汛期橡膠壩群塌壩運(yùn)行，迎接洪峰，本文則針對突發(fā)情況下防汛預(yù)案未及時啟動，洪峰到達(dá)時橡膠壩群沒有完成塌壩運(yùn)行的不利情況進(jìn)行洪水風(fēng)險分析研究。

2 模型原理

本文選用的洪水分析計(jì)算軟件是丹麥DHI公司開發(fā)生產(chǎn)的DHI MIKE模型系列標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)軟件，曾在世界多個國家和地區(qū)得到過成功應(yīng)用[5-6]，其精度高、守恒性高、使用方便，是業(yè)界洪水分析管理研究的良好工具。本研究主要使用該系列軟件中的MIKE 11、MIKE 21和MIKE FLOOD組件對研究區(qū)域建立一二維耦合水動力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算[7]。

2.1 一維模型原理

河道一維模型MIKE 11水動力模塊采用6點(diǎn)Abbott-Ionescu有限差分格式對圣維南方程組求解，該模型基于反映有關(guān)物理定律的微分方程組，并對微分方程組進(jìn)行線性化的有限差分格式，以及求解線性方程組的算法。模型基本方程為圣維南方程組，包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)和動量方程：

(1)

(2)

其中：q為旁側(cè)流量；Q為總流量；s為距離坐標(biāo)；h為水深；A為過水?dāng)嗝婷娣e；i為渠底坡降；C為謝才系數(shù)。

2.2 二維模型原理

巴音河河道外二維區(qū)域采用MIKE 21 FM(非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)水動力模塊建模，其原理基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，服從布辛涅斯克假設(shè)和靜水壓力假設(shè)：

h=η+d

(3)

連續(xù)方程：

(4)

動量方程：

(5)

(6)

(7)

2.3 模型耦合

本文采用MIKE FLOOD模塊將河道內(nèi)一維模型(MIKE 11)和河道外二維模型(MIKE 21)連接在一起，成為動態(tài)耦合的模型系統(tǒng)。它可以運(yùn)用于復(fù)雜河網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，既有一維和二維模型的優(yōu)點(diǎn)，又避免了采用單一模型時遇到的網(wǎng)格精度和準(zhǔn)確性方面的問題。

3 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

巴音河德令哈市城區(qū)河段中河道采用一維水動力學(xué)模型，河道外側(cè)城區(qū)的洪水風(fēng)險分析采用二維水動力學(xué)模型，并用MIKE FLOOD模型進(jìn)行一二維模型耦合計(jì)算[8-14]。

3.1 建模范圍

為全面反映洪水風(fēng)險，根據(jù)歷史洪水淹沒范圍及試算結(jié)果，確定巴音河一維建模范圍是從黑石山水庫溢洪道出口至茶德高速，河長約15.0 km，德令哈市城區(qū)二維模型為該段巴音河左右兩岸各約4 km范圍，二維模型建模面積為100.53 km2。詳見圖1。

圖1 巴音河水動力學(xué)模型建模范圍

3.2 一維模型構(gòu)建

(1) 河網(wǎng)概化及河道斷面設(shè)置。根據(jù)巴音河流域德令哈市區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)提取整理的巴音河水系圖層文件，構(gòu)建巴音河德令哈市城區(qū)河段河道一維模型(MIKE 11)河網(wǎng)文件。利用巴音河河道斷面設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)實(shí)測資料，設(shè)置河道一維模型河道斷面，并在攔河建筑物(如巴音河八級攔河橡膠壩)與跨河橋梁處增設(shè)斷面。巴音河河道一維模型共設(shè)置河道斷面49個，平均300 m設(shè)置一個斷面。

(2) 橡膠壩群概化設(shè)置。巴音河德令哈市城區(qū)河段建有八級橡膠壩，自巴音河二級電站以下沿河依次分布(詳見圖2)，每兩個橡膠壩之間相距約400 m至700 m，橡膠壩壩袋壅水高度1.5 m至2.1 m，巴音河八級攔河橡膠壩設(shè)計(jì)資料詳細(xì)，其基本情況詳見表1。根據(jù)巴音河橡膠壩設(shè)計(jì)資料與運(yùn)行情況，在一維模型搭建中將其概化為河道建筑物中的溢流堰進(jìn)行模型計(jì)算。

圖2 巴音河橡膠壩群分布

3.3 二維模型構(gòu)建

(1) 模型搭建。巴音河河道外德令哈城區(qū)采用二維水動力學(xué)模型(MIKE 21)進(jìn)行搭建。將計(jì)算范圍邊界線及網(wǎng)格剖分的分區(qū)線圖層文件導(dǎo)入MIKE 21 FM模型，為滿足模型計(jì)算精度，分區(qū)設(shè)定網(wǎng)格剖分最大面積、最大角度等參數(shù)，然后生成網(wǎng)格。二維模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)75 331個，網(wǎng)格數(shù)為147 295個，平均網(wǎng)格面積680 m2，單網(wǎng)格最大面積為8 764 m2，最小面積50 m2。

(2) 高程差值。對各計(jì)算分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分后，采用1∶10000比例尺的DEM高程數(shù)據(jù)，通過ArcGIS導(dǎo)出離散高程點(diǎn)，然后以文本形式導(dǎo)入MIKE 21的網(wǎng)格文件里，進(jìn)行網(wǎng)格高程插值，插值得到的地形云圖，詳見圖3。

3.4 邊界條件

(1) MIKE 11一維水動力學(xué)模型邊界條件包括6種不同的自然邊界條件，分別為開邊界、點(diǎn)源、分布源、全域、建筑物和閉邊界，根據(jù)計(jì)算需要，模型中需設(shè)置開邊界。巴音河河道一維模型上游開邊界是巴音河德令哈城區(qū)段洪水流量過程，下游開邊界為巴音河茶德高速斷面水位流量關(guān)系。

圖3 模型網(wǎng)格高程插值地形云圖

(2) MIKE 21二維水動力模型涉及到的控制邊界主要有開邊界、固定邊界和內(nèi)邊界三種。本文二維模型計(jì)算中除開邊界外，其余邊界為固定邊界。開邊界通常指計(jì)算區(qū)的出流和入流邊界。巴音河河道外城區(qū)二維水動力模型的入流設(shè)置通過MIKE FLOOD耦合模型一二維側(cè)向連接實(shí)現(xiàn)，二維模型本身不再設(shè)置入流邊界；二維模型下游邊界范圍至茶德高速，根據(jù)試算結(jié)果中洪水演進(jìn)流路，選取茶德高速中5處橋涵設(shè)置為下邊界，詳見圖4。根據(jù)基礎(chǔ)地形資料并料按照曼寧公式進(jìn)行試算，得到各邊界水位流量關(guān)系。

圖4 二維模型下邊界分布圖

3.5 模型參數(shù)

(1) 一維模型參數(shù)選取。巴音河河道糙率參數(shù)根據(jù)《水力計(jì)算手冊》[15]、水文站實(shí)測資料以及已有研究成果分析選取。根據(jù)德令哈水文站水文資料，該站大流量時糙率0.028～0.039之間，考慮到該河段已修建河道治理工程，并已建成八級攔河橡膠壩和跨河橋梁等涉河建筑物，河道形態(tài)發(fā)生較大變化，阻水作用增強(qiáng)，綜合糙率適度增大，在0.030～0.039之間。巴音河河道糙率分析情況與巴音河德令哈水文站流量糙率關(guān)系詳見表2和圖5。

表2 巴音河河道糙率分析表

圖5 巴音河德令哈站流量糙率關(guān)系圖

(2) 二維模型參數(shù)選取。二維水動力學(xué)模型建模中需要設(shè)置的主要參數(shù)有：計(jì)算時間和步長、糙率、干濕邊界、水體密度、風(fēng)場、渦黏系數(shù)等，對于計(jì)算結(jié)果無明顯影響的計(jì)算參數(shù)均采用默認(rèn)值，需著重分析論證的是二維模型地形糙率。本次計(jì)算中，利用德令哈市區(qū)土地利用圖，考慮區(qū)域內(nèi)地形、地貌、植被、建筑物分布狀況，根據(jù)《水力計(jì)算手冊》等資料，對不同類型下墊面賦予不同的糙率值，并將結(jié)果以坐標(biāo)加糙率的文本格式導(dǎo)入MIKE模型，通過插值得到計(jì)算區(qū)域糙率值云圖，詳見圖6。

圖6 二維模型地面糙率值云圖

3.6 模型驗(yàn)證

(1) 一維模型驗(yàn)證。巴音河河道一維水動力學(xué)模型采用德令哈水文站2006年實(shí)測洪水資料驗(yàn)證。以該場大洪水的流量過程作為巴音河一維水動力學(xué)模型的上邊界條件進(jìn)行模型計(jì)算，得到德令哈水文站對應(yīng)斷面處的水位流量關(guān)系，并與實(shí)測水位流量關(guān)系進(jìn)行對比，詳見圖7。通過對比分析，模型計(jì)算水位和實(shí)測水位之間差值在0～0.2 m之間，滿足驗(yàn)證精度要求。

圖7 德令哈水文站實(shí)測和計(jì)算水位流量對比圖

由于2006年之后，巴音河河道已經(jīng)進(jìn)行河道治理，修建了八級攔河橡膠壩，河道形態(tài)發(fā)生一定變化，故采用相關(guān)設(shè)計(jì)報告中巴音河河道設(shè)計(jì)水面線對河道模型再次進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。共選取巴音河建模河段中14個斷面，其中2號斷面至9號斷面是八級橡膠壩所在斷面。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)報告中巴音河河道設(shè)計(jì)水面線推求條件，在驗(yàn)證中八級橡膠壩塌壩運(yùn)行。通過對比分析，設(shè)計(jì)報告各斷面水位和本次計(jì)算各斷面水位之間差值在0～0.2 m，滿足驗(yàn)證精度要求。水位對比詳見表3。

表3 巴音河一維河道模型水面線成果對比表

(2) 二維模型驗(yàn)證。巴音河河道外城區(qū)二維模型驗(yàn)證根據(jù)巴音河2012年歷史洪災(zāi)記錄中的淹沒范圍、淹沒水深和洪水損失進(jìn)行模型驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證分析，該次洪災(zāi)范圍、具體類別、損失程度與模型50年一遇洪水計(jì)算結(jié)果相協(xié)調(diào)，河道外城區(qū)二維模型參數(shù)取值基本合理。

4 模型計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 模型計(jì)算

模型計(jì)算設(shè)置對比方案以研究橡膠壩群塌壩運(yùn)行與否對西北地區(qū)大比降城市河流河道防洪和洪水損失的影響。共設(shè)置4種計(jì)算方案，即巴音河發(fā)生50年一遇、100年一遇洪水時，巴音河德令哈城區(qū)段河道八級橡膠壩分別塌壩運(yùn)行與正常蓄水運(yùn)行。巴音河德令哈市區(qū)段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果如表4所示，按照以上4種方案分別進(jìn)行模型計(jì)算，對比分析橡膠壩群對巴音河德令哈市區(qū)段洪水動態(tài)演進(jìn)及淹沒情況的影響。

4.2 結(jié)果分析

當(dāng)橡膠壩群塌壩運(yùn)行時，經(jīng)模型計(jì)算，巴音河德令哈市城區(qū)河段遭遇50年一遇和100年一遇洪水情況下，洪峰到達(dá)時河道最高水位均沒有高于巴音河德令哈城區(qū)河道工程頂部高程，沒有發(fā)生洪水漫溢。

表4 巴音河河道斷面設(shè)計(jì)洪水成果

當(dāng)橡膠壩群正常蓄水運(yùn)行時，八級橡膠壩正常蓄水位與河道工程頂部高程高差只有0.4 m～1.2 m，河道有效行洪斷面面積嚴(yán)重不足，阻水作用顯著。經(jīng)模型計(jì)算，在遭遇50年一遇和100年一遇洪水情況下，河道一維模型中3#、4#、5#、6#橡膠壩處河道水位首先超過河道工程頂部高程，造成洪水漫溢，之后1 h內(nèi)2#、8#、7#、1#橡膠壩處河道水位相繼超過河道工程頂部高程，發(fā)生洪水漫溢，洪水進(jìn)入河道外城區(qū)。在二維模型計(jì)算結(jié)果中，八級橡膠壩所在河段外側(cè)區(qū)域均發(fā)生洪水淹沒情況，由于地形因素，左岸淹沒范圍較大。洪水發(fā)生漫溢3 h內(nèi)先后淹沒德令哈部分主城區(qū)、青海堿業(yè)公司廠區(qū)、德令哈市火車站等， 50年一遇和100年一遇洪水淹沒情況如圖8、圖9所示。經(jīng)FDAM洪水影響分析軟件計(jì)算，50年一遇和100年一遇洪水情況下淹沒總面積為15.32 km2、17.02 km2，詳見表5，兩種計(jì)算方案下淹沒損失估算情況為2.10億元、2.33億元，詳見表6。

由此可見，在遭遇突發(fā)洪水時由于橡膠壩群未及時塌壩運(yùn)行，市區(qū)河段水面整體雍高，從而將會造成巨大的洪水淹沒損失。

圖8 50年一遇洪水淹沒情況

圖9 100年一遇洪水淹沒情況

表6 洪災(zāi)損失分析表 單位：萬元

5 結(jié) 論

本文基于DHI MIKE水動力學(xué)模型，對西北城市多級橡膠壩河道典型案例進(jìn)行了一二維耦合水動力學(xué)模型計(jì)算，著重研究了河道橡膠壩群對城市防洪潛在風(fēng)險的影響，主要成果如下：

(1) 通過建立一二維耦合水動力學(xué)模型，模擬了橡膠壩群正常蓄水與塌壩運(yùn)行時的洪水演進(jìn)情況，具體分析了河道內(nèi)橡膠壩群逐個漫堤溢出以及河道外城區(qū)洪水淹沒范圍不斷變化的動態(tài)過程。

(2) 定量計(jì)算了巴音河遭遇50年一遇和100年一遇洪水且橡膠壩群未塌壩運(yùn)行情況下德令哈市城區(qū)洪水淹沒范圍以及洪災(zāi)損失情況，明確了河道橡膠壩群對城市防洪潛在的洪水風(fēng)險。

為了更加有效減免橡膠壩群對城市河道防洪威脅，建議明確并細(xì)化防汛緊急預(yù)案，加強(qiáng)上游暴雨洪水預(yù)警機(jī)制，完善城市內(nèi)渠排水系統(tǒng)，建設(shè)城市滯洪蓄洪濕地，同時定期進(jìn)行河道清淤疏浚，在發(fā)揮河道橡膠壩群改善城市生態(tài)環(huán)境作用的同時，最大限度降低其可能帶來的城市洪水風(fēng)險。

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Flood Risk Analysis of Rubber Dams Group in the Urban Rivers of Northwest China Based on MIKE FLOOD Model

LIU Yang, ZHANG Ruihai, HAN Ling, LIU Juan

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450003,China)

Due to the large stream gradient in the cities of Northwest China and the outburst river floods formed from heavy rain and flash floods, the construction of rubber dams group improves the urban ecological environment on the other hand increase the urban flood risk inevitably. This paper made a coupled one-dimensional and two-dimensional hydrodynamic calculation for typical cases of rubber dams group in the urban river of Northwest China based on MIKE FLOOD hydrodynamics model. The flood dynamic evolution was studied in the case of rubber dams group not collapsed and confronted with the flood river. A quantitative calculation was made for the possible submerged situation and flood loss of the city from flooding. The potential flood risk was analyzed which is caused by the rubber dams group not taking flood control measures according to the flood control plan. Finally, this paper proposed the construction management measures which could reduce the risk of flood risk caused by rubber dams group in the urban river.

MIKE FLOOD; rubber dams group; urban river; city flood control; flood risk

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.023

2016-07-26

青海省重點(diǎn)項(xiàng)目(青海省洪水風(fēng)險圖項(xiàng)目)；十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAC10B02)

劉 楊(1986—)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要從事水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)方面研究。 E-mail:liuyang9921@126.com

TV122；TV131.2

A

1672—1144(2016)06—0113—07