林源君，王旭瀅，包為民，鐘 華，王志力，常 鴻，商華嶺

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.中國(guó)三峽上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；3. 水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029)

0 引 言

我國(guó)東南沿海山丘區(qū)由于復(fù)雜的地形地質(zhì)條件以及受季風(fēng)氣候、臺(tái)風(fēng)暴雨的影響，山洪災(zāi)害頻發(fā)。這不僅對(duì)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施造成毀滅性破壞，還對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。同時(shí)，山丘區(qū)地形險(xiǎn)峻，可供人類生產(chǎn)勞動(dòng)的空間有限，當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)搬遷避讓的空間較小，導(dǎo)致山洪防治工作難度加大[1]，“人水矛盾”較為突出。山丘區(qū)洪水形成的主要原因是暴雨，洪水漲落迅速，洪峰較為尖瘦，歷時(shí)較短。具體有以下特征：一是季節(jié)性強(qiáng)，洪水多發(fā)生在4月～10月梅汛期和臺(tái)汛期；二是突發(fā)性強(qiáng)，山丘區(qū)坡降大、水流急，洪水往往來(lái)勢(shì)洶洶，陡漲陡落；三是危害性大，山丘區(qū)洪水容易引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，破壞力極強(qiáng)。

隨著我國(guó)治水策略從洪水控制到洪水管理的轉(zhuǎn)變[2]，大江大河紛紛開展了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制，通過(guò)非工程防洪措施指導(dǎo)防汛救災(zāi)工作[3- 4]。洪水演進(jìn)模擬是洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制的重要手段，目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)山丘區(qū)水流特性模擬已進(jìn)行了大量的研究[5-7]。然而，山丘區(qū)小流域洪水在時(shí)間和空間上大多為小尺度，且水文監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)測(cè)資料匱乏；因此在洪水風(fēng)險(xiǎn)管理上存在一定難度。本文以松陰溪流域遂昌縣城段為研究區(qū)域，結(jié)合該區(qū)域遭受暴雨洪水情景基于一二維水動(dòng)力耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬和淹沒(méi)分析，進(jìn)而為正確研判防汛形勢(shì)、科學(xué)制訂洪災(zāi)預(yù)案提供決策支持。

1 研究區(qū)域概況

遂昌縣位于浙江省西南部，境內(nèi)山地面積占88.83%，地勢(shì)西南高東北低，素有“九山半水半分田”之稱。松陰溪流域位于遂昌縣東南部，屬甌江水系，流域面積674 km2，占縣域面積的26.55%。松陰溪主流自河源至遂昌城區(qū)葉坦橋之間稱南溪；自葉坦橋左納北溪后，至莊山之間稱襟溪；至莊山左納濂溪后稱松陰溪，見(jiàn)圖1。南溪上游建有成屏一級(jí)電站和成屏二級(jí)電站兩座水庫(kù)工程，河道堤防普遍為20～50年一遇。松陰溪流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，日照充足，降雨豐沛；多年平均降水量1 549 mm；降水量時(shí)空分布不均，年內(nèi)變化較大，其中3月至9月的降水量占全年總降水量的79%。

圖1 遂昌縣地形地貌及松陰溪研究范圍

遂昌縣松陰溪流域洪水風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源主要為松陰溪干流(包括南溪、襟溪)及其主要支流(北溪、濂溪等)的河道洪水和區(qū)間暴雨洪水。松陰溪上游來(lái)水主要是南溪成屏水庫(kù)泄洪和北溪洪水，北溪和南溪在縣城葉坦大橋處匯合，成屏一級(jí)水庫(kù)屬不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，成屏二級(jí)水庫(kù)無(wú)調(diào)蓄功能，洪水預(yù)見(jiàn)期小于6 h[8]，上游干支流洪水易造成堤防不達(dá)標(biāo)或者地勢(shì)低洼處洪水漫堤。

2 一二維水動(dòng)力學(xué)模型及耦合原理

2.1 一維水動(dòng)力模型

河道非恒定流的水動(dòng)力學(xué)模擬基于圣維南方程組，連續(xù)方程及動(dòng)量方程為

(1)

(2)

其中阻力項(xiàng)為

Sf=(Q|Q|)/K2

(3)

式中，A為斷面面積，m2；t為時(shí)間，s；Q為斷面流量，m3/s；x為距離，m；q為單位長(zhǎng)度上側(cè)向匯入流量，(m3·s-1)/m；Z為河道水位，m；g為重力加速度，m/s2；K為流量模數(shù)，m3/s。

2.2 二維水動(dòng)力模型

水深平均的二維淺水方程可以簡(jiǎn)寫為

(4)

(5)

(6)

式中，h為水深，m；u為x方向的流速，m/s；v為y方向的流速，m/s；sx、sy均為源項(xiàng)。

2.3 一二維水動(dòng)力耦合模型

將一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型與二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型耦合計(jì)算，建立河道斷面和地表網(wǎng)格之間的聯(lián)系，用于解決河道潰堤及漫溢水流演進(jìn)問(wèn)題。在一維河道和二維地表之間設(shè)置洪水漫溢點(diǎn)，通過(guò)漫溢點(diǎn)的連接進(jìn)行水量交換。本次研究使用堰流公式法來(lái)計(jì)算側(cè)向連接的水流交換問(wèn)題，正向連接則采用互相提供邊界條件的方式。

3 模型構(gòu)建與率定驗(yàn)證

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)河道水系采用一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算河道水位、流量等要素，采用堰流公式計(jì)算河道漫溢；對(duì)于洪水在河道外地表演進(jìn)采用二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算淹沒(méi)水深、淹沒(méi)面積，從而實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算松陰溪流域的洪水過(guò)程。

3.1 一維河道水動(dòng)力模型

3.1.1 建模范圍

一維建模范圍為：松陰溪(葉坦大橋～松陽(yáng)縣界資口大橋)、南溪(成屏二級(jí)水庫(kù)壩址以下至葉坦大橋)、北溪(后江村三墩橋以下至葉坦大橋)、濂溪(利民化工公司斷面處至匯入口)(見(jiàn)圖2)，河長(zhǎng)分別為10.6、4.3、4.9、2.0 km。其他河流、渠道直接作為集中入流流量邊界處理。

圖2 一維河道建模范圍

3.1.2 邊界條件

南溪上游成屏水庫(kù)、北溪后江村斷面、濂溪利民化工公司斷面，作為一維河道模型上邊界，下游資口大橋斷面作為模型下邊界，見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)置

河網(wǎng)概化選取南溪、北溪、松陰溪形成一個(gè)概化水系。由于遂昌縣松陰溪境內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)流量資料，因此歷史洪水邊界條件采用實(shí)測(cè)降雨經(jīng)瞬時(shí)單位線推導(dǎo)形成的流量過(guò)程。

3.1.3 河道斷面概化

河道洪水的計(jì)算斷面間距應(yīng)與河寬相匹配，對(duì)于河寬小于500 m的河流，其計(jì)算斷面間距一般不超過(guò)200 m，河道形態(tài)變化顯著的河段和有工程(橋、閘、壩、堰等)的位置，斷面進(jìn)行加密。松陰溪干支流河流狹長(zhǎng)，根據(jù)河道測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)置斷面間距150 m，于橋梁和堰壩處進(jìn)行加密。

3.1.4 參數(shù)率定

根據(jù)松陰溪?dú)v史洪水調(diào)查資料，“19930624”洪水、“20140820”洪水主要控制斷面沿程實(shí)測(cè)或洪痕洪水資料較詳細(xì)，本次模型糙率率定選用“20140820”洪水(見(jiàn)圖3、4)。

圖3 “20140820”成屏一級(jí)水庫(kù)流量過(guò)程

圖4 “20140820”歷史洪水流量過(guò)程

歷史洪水的洪峰水位、洪峰流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如表2所示。

表2 “20140820”歷史洪水襟溪站洪峰水位、洪峰流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)各河段特點(diǎn)及河床特征，參考類似工程并結(jié)合率定結(jié)果，計(jì)算糙率取用0.026～0.035。

3.1.5 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用“19930624”洪水，由于1993年歷史洪水襟溪站無(wú)實(shí)測(cè)資料，通過(guò)資料考察選用莊山堰斷面實(shí)測(cè)洪峰數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比對(duì)，誤差為8.5%，模型參數(shù)選用合理(見(jiàn)表3)。

表3 “19930624”歷史洪水莊山堰洪峰流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 二維地表水動(dòng)力模型

(1)建模范圍。根據(jù)松陰溪遂昌縣城段洪水最大可能淹沒(méi)范圍，劃定二維模型建模范圍。葉坦大橋以上以等高線260 m，下游以220 m為界確定建模范圍，建模范圍為23.07 km2。

(2)網(wǎng)格剖分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[9]，考慮洪峰與洪量隨網(wǎng)格尺度的關(guān)系[10]和區(qū)域內(nèi)高于地面的線狀地物(公路、堤防等)對(duì)建模范圍進(jìn)行網(wǎng)格剖分(見(jiàn)表4，圖5)。

表4 松陰溪遂昌縣城段二維網(wǎng)格情況

圖5 二維網(wǎng)格剖分

(3)高程賦值。利用高精度地形數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)格高程進(jìn)行線性插值，并且試算進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，見(jiàn)圖6。

圖6 二維網(wǎng)格高程賦值

(4)糙率確定。結(jié)合下墊面資料(土地利用等)對(duì)不同區(qū)域的網(wǎng)格單元的糙率進(jìn)行賦值，二維網(wǎng)格糙率賦值范圍為0.036～0.070。

4 洪水模擬分析

4.1 洪水模擬方案

按照5年、10年、20年、50年、100年一遇設(shè)計(jì)洪水情景，模擬分析當(dāng)前松陰溪遂昌縣城段防洪體系可能出現(xiàn)洪水淹沒(méi)地點(diǎn)，為摸清流域現(xiàn)狀防洪能力和評(píng)估超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險(xiǎn)，提供技術(shù)支撐(見(jiàn)表5)。

表5 松陰溪流域遂昌縣城段洪水模擬方案設(shè)置

4.2 洪水模擬結(jié)果

針對(duì)松陰溪流域5年、10年、20年、50年、100年一遇設(shè)計(jì)洪水方案，對(duì)襟溪站的設(shè)計(jì)流量峰值進(jìn)行合理性分析，將模型計(jì)算結(jié)果與已發(fā)布的《浙江省遂昌縣三溪綜合治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)(見(jiàn)表6)。設(shè)計(jì)洪水5組工況的洪水地表淹沒(méi)模擬結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 襟溪站設(shè)計(jì)流量結(jié)果比對(duì)及松陰溪流域各工況淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)

由表6可知，襟溪站在不同重現(xiàn)期下的洪峰流量，本文建立的一二維水動(dòng)力模型計(jì)算值與相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)報(bào)告中的設(shè)計(jì)值基本保持一致，模擬結(jié)果合理可靠。

4.3 洪水淹沒(méi)分析

當(dāng)前流域內(nèi)南溪成屏水庫(kù)～襟溪站防洪能力已達(dá)20年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；襟溪站～西明山大橋河段堤防工程達(dá)50年一遇標(biāo)準(zhǔn)，可有效保護(hù)遂昌城區(qū)安全；濂溪上游堤防標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。因此，防洪薄弱點(diǎn)主要集中在北溪和松陰溪西明山大橋～莊山堰河段。

當(dāng)流域發(fā)生5年一遇洪水時(shí)，僅松陰溪西明山大橋～莊山堰河段有部分沿河低洼地淹沒(méi)；當(dāng)流域發(fā)生10年一遇洪水時(shí)，西明山大橋～莊山堰河段淹沒(méi)范圍擴(kuò)大，濂溪松陰溪匯合口莊山堰附近、北溪后江段出現(xiàn)淹沒(méi)點(diǎn)；當(dāng)流域發(fā)生20年一遇和50年一遇洪水時(shí)，松陰溪干流牡丹亭路發(fā)生洪水漫溢；流域發(fā)生100年一遇洪水時(shí)(見(jiàn)圖7)，淹沒(méi)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，淹沒(méi)水深升高，淹沒(méi)范圍內(nèi)的水深大都超過(guò)3 m，南溪成屏水庫(kù)為保水庫(kù)安全幾乎不攔蓄，南溪下游部分堤防薄弱處發(fā)生輕微淹沒(méi)。

圖7 流域100年一遇洪水淹沒(méi)水深示意

計(jì)算和資料分析表明，遂昌縣松陰溪流域由于上游成屏水庫(kù)調(diào)蓄防洪以及堤防加固，南溪和北溪匯流處的遂昌城區(qū)較為安全，淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)較低。但是北溪后江村～古院村河段由于堤防未按規(guī)劃要求整治，設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致該河段較難抵御10年一遇洪水；松陰溪西明山大橋～莊山堰河段部分堤防仍為土堤，又需接納上杭坑、三川溪、濂溪等支流洪水；因此，洪水漫溢風(fēng)險(xiǎn)極大，需盡快落實(shí)堤防加固工程。

5 結(jié) 論

本文以浙江省松陰溪流域遂昌縣城為研究對(duì)象，建立一二維耦合水動(dòng)力模型，研究山丘區(qū)小流域洪水演進(jìn)及淹沒(méi)。在實(shí)測(cè)資料匱乏的情況下以實(shí)測(cè)降雨通過(guò)瞬時(shí)單位線法推求邊界流量過(guò)程，并選取關(guān)鍵斷面洪痕或?qū)崪y(cè)水位峰值進(jìn)行率定驗(yàn)證。結(jié)果表明，一二維耦合水動(dòng)力模型能夠有效模擬山丘區(qū)小流域洪水特性和演進(jìn)過(guò)程，分析超標(biāo)準(zhǔn)洪水情景；同時(shí)，針對(duì)該流域提出應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的建議，為山丘區(qū)小流域洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)提供依據(jù)。