(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司， 鄭州 450016)

基于DELFT3D HM模型的蒼海濕地公園洪水淹沒(méi)模擬研究

李彬

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司， 鄭州 450016)

洪水淹沒(méi)情景受區(qū)域洪水流量、河床地形變化、河道工程運(yùn)行調(diào)度等多因素影響，對(duì)于洪災(zāi)情景的確定，是開(kāi)展河道與灘區(qū)治理研究以及進(jìn)行防洪設(shè)計(jì)和灘區(qū)功能定位的前提條件。為此，以蒼海濕地公園區(qū)域?yàn)槔?，利用Delft3D HM模型建立起二維洪水演進(jìn)模型，進(jìn)而模擬洪水淹沒(méi)過(guò)程。模型采用P=20 a一遇洪水歷史資料進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果合理；采用P=50 a一遇洪水對(duì)蒼海濕地公園流域內(nèi)洪水淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了實(shí)時(shí)淹沒(méi)范圍、最大淹沒(méi)區(qū)域、水位變化過(guò)程等洪澇區(qū)內(nèi)的特征水力要素信息。成果為該區(qū)域內(nèi)的防洪規(guī)劃和實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)提供理論參考，同樣為后期洪澇區(qū)內(nèi)水質(zhì)提升工程提供可靠參數(shù)。

Delft3D HM模型；蒼海濕地公園；洪水淹沒(méi)；水力要素；洪水預(yù)報(bào)；水質(zhì)提升

1 研究背景

洪水演進(jìn)模型的存在和發(fā)展為研究洪水運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了有力的依據(jù)[1]，對(duì)洪水演進(jìn)的水文和水力學(xué)數(shù)學(xué)模擬方法，能夠模擬洪水條件下可能的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)歷時(shí)、特征水深等水力要素，為繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖和洪水預(yù)警預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家針對(duì)洪水演進(jìn)模型進(jìn)行了很多研究，早在1871年法國(guó)人圣·維南建立的明渠非恒定流偏微分方程組，為洪水研究奠定了理論基礎(chǔ)。胡四一等[2]在建立長(zhǎng)江中下游河湖洪水模型中采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維非恒定有限體積格式，可適應(yīng)湖區(qū)各種復(fù)雜的邊界條件；李大鳴等[3]通過(guò)改進(jìn)有限元質(zhì)量集中法提出質(zhì)量加權(quán)集中法，并較好地運(yùn)用于小清河滯洪區(qū)二維洪水演進(jìn)模擬中；李大鳴等[4]在東淀滯洪區(qū)采用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格布置方式對(duì)其來(lái)水進(jìn)行模擬；張細(xì)兵等[5]在建立荊江分洪區(qū)模型時(shí)利用陣面推進(jìn)法提出了河道有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分法。隨著商業(yè)軟件的發(fā)展，何典燦等[6]利用MIKE模型的優(yōu)點(diǎn)(用戶界面友好、可視性好、能靈活處理復(fù)雜地形等)對(duì)杜家臺(tái)洪道行洪能力進(jìn)行模擬，其結(jié)果精度高、模擬效果真實(shí)；段揚(yáng)等[7]選用EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模擬，在漳衛(wèi)河流域大名滯洪區(qū)中得以應(yīng)用。

本文選用多維水力仿真模型中的水動(dòng)力模型Delft3D Hydrodynamic Model(簡(jiǎn)稱Delft3D HM[8])進(jìn)行蒼海濕地公園流域內(nèi)的洪水淹沒(méi)模擬；通過(guò)模擬蒼海片區(qū)P=50 a一遇洪水時(shí)的淹沒(méi)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒(méi)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，展示了洪水淹沒(méi)等信息，為流域風(fēng)險(xiǎn)圖、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖繪制等提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

蒼海濕地公園位于廣西省梧州市蒼海上游的下小河流域?yàn)I河岸帶之內(nèi)，總占地面積約783 hm2。區(qū)域內(nèi)主要河道為下小河、石獅河，以及一系列小溪流，河道兩岸均未設(shè)置堤防，其水土保持及生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重。其中，下小河干流長(zhǎng)80 km，流域面積為673 km2，其洪水流量大，時(shí)空分布不均；下游河段河床平緩，河灣較多，最大河寬僅50 m；同時(shí)，下小河流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致大量泥沙淤積于河道內(nèi)，加之沿河兩岸地勢(shì)較低，故排洪時(shí)易造成流域內(nèi)澇或兩岸流域發(fā)生淹沒(méi)[9]。為明確濕地公園建成后洪水淹沒(méi)范圍及其合理開(kāi)發(fā)規(guī)模，避免開(kāi)發(fā)建設(shè)后因洪澇造成巨大損失，本文選取蒼海濕地公園范圍內(nèi)的流域進(jìn)行模型建立(見(jiàn)圖1)，分析重現(xiàn)期P=50 a時(shí)洪水最大淹沒(méi)區(qū)域，為水系規(guī)劃提供一定理論依據(jù)。

圖1 研究區(qū)域及模型網(wǎng)格剖分示意圖Fig.1 Sketch map of the study area and model mesh generation

3 模型建立及驗(yàn)證

目前，關(guān)于洪水淹沒(méi)模擬的軟件較多，比較有代表性的成果為DHI的軟件系統(tǒng)MIKE21及Delft Hydraulics開(kāi)發(fā)的Delft3D?？紤]到研究區(qū)的特色，本文采用Delft3D中的HM水動(dòng)力仿真模型(具有計(jì)算功能齊全、穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn))對(duì)蒼海濕地公園范圍內(nèi)下小河及其支流的洪水漫灘過(guò)程進(jìn)行模擬。

3.1 控制方程

水流模型主要采用Navier-Stokes方程組，利用ADI方法對(duì)其進(jìn)行離散求解。在正交曲線坐標(biāo)系下的控制方程為[10]：

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程(水平ξ方向和η方向)

(2)

(3)

3.2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)選取

根據(jù)蒼海濕地公園實(shí)際地形及河道斷面資料，模型采用曲線正交網(wǎng)格進(jìn)行離散。模型中定義下小河上游和石獅河干流為進(jìn)口邊界，下小河下游為出口邊界，模擬區(qū)域內(nèi)共劃分9 019個(gè)網(wǎng)格(見(jiàn)圖1)。由于河道斷面較窄，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)主河道部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，用于保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。模型中河床概化主要依據(jù)河床實(shí)測(cè)高程點(diǎn)進(jìn)行三角插值得到，圖中共布置7個(gè)水文測(cè)點(diǎn)用于模型的驗(yàn)證，如圖2。

圖2 河床概化及水文測(cè)點(diǎn)布設(shè)平面示意圖Fig.2 Sketch map of the generalized bed and the layout of hydrological survey points

模型中需給定的主要參數(shù)包括上游進(jìn)口邊界處流量值、下游出口處水位值；典型洪水過(guò)程歷時(shí)3 d左右，故模型中設(shè)定總時(shí)長(zhǎng)為72 h；時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為5 s，主要考慮到計(jì)算網(wǎng)格尺寸較小，且保證模擬結(jié)果的穩(wěn)定性；河床糙率的設(shè)定參考相關(guān)河道和濕地中植被等阻力的研究，通過(guò)加權(quán)平均最終選取研究區(qū)域謝才系數(shù)為30。

3.3 模型驗(yàn)證

采用該河段20 a一遇歷史洪水資料對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1及圖3。經(jīng)分析，模型計(jì)算最高洪水位與實(shí)測(cè)最高洪水位基本吻合，最大偏差0.12 m，最大誤差百分比為0.85%，均在誤差允許范圍之內(nèi)，表明水動(dòng)力模型合理，可用于進(jìn)一步洪水演進(jìn)模擬。

表1 實(shí)測(cè)最高洪水位與計(jì)算最高洪水位比較(P=20 a)Table 1 Comparison between measured maximum floodlevel and computed maximum flood level (P=20 a)

圖3 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量比較(P=20 a)

3.4 洪水演進(jìn)模擬

考慮到下小河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=50 a，模型選取P=50 a時(shí)的洪水條件對(duì)蒼海濕地公園的安全影響程度進(jìn)行模擬，模擬過(guò)程包括最大洪峰過(guò)境時(shí)的整個(gè)洪水漲落過(guò)程，模擬歷時(shí)為72 h，時(shí)間步長(zhǎng)取5 s。圖4所示為下小河和石獅河進(jìn)口邊界洪水流量過(guò)程線，下小河下游出口邊界采用對(duì)應(yīng)水位值。

圖4 P=50 a下小河和石獅河進(jìn)口處洪水流量過(guò)程線Fig.4 Process lines of flood discharge at the inlets of Xiaxiao River and Shishi River (P=50 a)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

當(dāng)蒼海濕地公園遭受P=50 a一遇洪水時(shí)，下小河與石獅河的水位變化過(guò)程如圖5所示。由于石獅河地勢(shì)較高，其初始水位較高，洪水過(guò)程中水位變幅較下小河小。

圖5 下小河和石獅河洪水水位變化過(guò)程線(P=50 a)Fig.5 Process lines of flood level in Xiaxiao River and Shishi River (P=50 a)

圖6 不同時(shí)刻洪水演進(jìn)過(guò)程示意圖(P=50 a)Fig.6 Flood propagation at different instances(P=50 a)

排洪時(shí)，洪水演進(jìn)方向自下小河上游和石獅河向下小河下游匯聚，淹沒(méi)范圍隨時(shí)間推移逐漸增大。由圖6所示洪水演進(jìn)過(guò)程可知，9 h洪水開(kāi)始淹沒(méi)岸灘，區(qū)域內(nèi)淹沒(méi)范圍增大加速，12 h達(dá)到最大淹沒(méi)范圍，此時(shí)下小河?xùn)|側(cè)岸灘、石獅河(下小河支流)東側(cè)岸灘以及兩河交匯處的岸灘均出現(xiàn)明顯洪水淹沒(méi)區(qū)域。其中，下小河?xùn)|側(cè)約有70萬(wàn)m2岸灘被洪水淹沒(méi)，石獅河?xùn)|側(cè)約有15萬(wàn)m2岸灘被淹沒(méi)，兩河交匯處約有15萬(wàn)m2岸灘被淹沒(méi)。之后隨著洪峰流量降低，淹沒(méi)區(qū)域逐漸減??；24 h和36 h時(shí)，下小河上游東側(cè)及下小河與石獅河交匯處仍有部分區(qū)域處于淹沒(méi)狀態(tài)，隨后淹沒(méi)區(qū)域逐漸消退(見(jiàn)圖7)。

圖7 洪水期間最大水位及最大淹沒(méi)面積與時(shí)間關(guān)系曲線(P=50a)Fig.7 Curvers of maximum water level and maximum submerged area vs.time in flood period (P=50a)

5 結(jié) 論

本文借助Delft3D中的HM模型對(duì)廣西蒼海濕地公園范圍內(nèi)的洪水演沒(méi)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明該模型能夠適應(yīng)復(fù)雜的河床條件，具有較好的模擬結(jié)果，關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格加密提高了模擬精度和模擬效果的真實(shí)性，其結(jié)果可對(duì)洪水淹沒(méi)區(qū)域和淹沒(méi)時(shí)間的預(yù)報(bào)起到參考作用。模擬的洪水演進(jìn)過(guò)程(P=50 a)清晰地展示了蒼海濕地公園流域內(nèi)洪水的實(shí)時(shí)淹沒(méi)情況，下小河和石獅河?xùn)|側(cè)岸灘以及兩河交匯處的岸灘淹沒(méi)較嚴(yán)重，最大淹沒(méi)范圍共計(jì)約100萬(wàn) m2，其淹沒(méi)范圍內(nèi)不宜設(shè)置道路、建筑等其他建筑設(shè)施，以免遭受洪澇破壞，可為后期流域規(guī)劃提供理論參考依據(jù)。在下一步工作中將對(duì)該模型進(jìn)行深化，在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上建立水質(zhì)模型，為蒼海片區(qū)水質(zhì)改善工作提供一定理論參考價(jià)值。

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Numerical Simulation of Flood Submergence in Canghai Wetland ParkBased on DELFT3D Hydrodynamic Model

LI Bin

(Henan Water & Hydropower Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450016, China)

Flood submergence scenario is affected by many factors such as flood discharge in the area, change of riverbed topography change and operation schedule of channel projects. The determination of flood scenario is a precondition for carrying out research on river and beach area management, as well as flood control design and beach area positioning function. In view of this, a two-dimensional flood evolution model is established by using the Delft3D Hydrodynamic model to simulate the flood submergence process in Canghai Wetland Park as a case study. The model is verified by historical data of 20-year flood and the results were reasonable. The flood routing process in Canghai Wetland Park encountering 50-year flood is simulated, and the characteristic hydraulic factors such as flooded area, maximum submerged area, and water level change process are obtained. The research achievements provide a theoretical reference for flood control planning and real-time flood forecasting in the area and offer reliable parameters for water quality improvement projects in the flood area.

Delft3D hydrodynamic model；Canghai wetland park；flood submergence； hydraulic factor; flood forecasting; water quality improvement

2016-11-07；

2017-01-18

李 彬(1984-)，男，河南南陽(yáng)人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)。E-mail:17039900@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161168

TV122

A

1001-5485(2018)01-0063-04

(編輯：姜小蘭)