基于Mike Flood模型的丘陵地区叉网式河流洪水风险分析

魏博文;陈良捷;程颖新;姚斯洋;金戎

【摘 要】针对丘陵地区叉网式河流洪水因地形地势复杂和民房散乱等因素引起的控制管理难度较大且居民生命财产安全易受到威胁等问题,以江西省修河郭家滩至安坪港段为研究对象,基于Mike Flood模型将Mike11一维河道模型和Mike21二维洪泛区模型进行动态耦合,对实际洪水在研究区的演进过程进行数值仿真模拟,以及计算出不同频率设计洪水条件下研究区行洪过程和淹没范围,分析可能受灾地区的淹没程度及数种风险要素.结果表明:文中所建模型较好地模拟丘陵地区叉网式河流在5种不同频率下的洪水演进过程,有效预测了相应频率降雨下洪水的淹没范围及流态等情况,可为丘陵地区的洪水风险预报和紧急避洪转移工作提供决策依据和技术支撑.

【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》 【年(卷),期】2019(041)001 【总页数】6页(P45-50)

【关键词】丘陵地区;叉网式河流;MikeFlood;数值模拟;洪水风险 【作 者】魏博文;陈良捷;程颖新;姚斯洋;金戎

【作者单位】南昌大学建筑工程学院,江西 南昌330031;水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098;南昌大学建筑工程学院,江西 南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西 南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西 南昌330031;九江市水文局,江西 九江332000

【正文语种】中 文 【中图分类】P33;TV121

近年来，我国受全球气候变化的影响，极端天气事件增多，局部山地丘陵地区经常发生集中暴雨，对我国城乡尤其是重要城镇和农业主产区防洪安全构成严重威胁。尽管我国现阶段基本上形成以堤防等防洪控制性枢纽工程等为主的防洪体系[1-2]，主要江河也确实进行了不同程度的河道整治，并实施洪水管理，但是局部丘陵地区中小河流的洪水治理仍然是整个防洪体系中的薄弱环节[3-5]。

目前国内外相关领域学者就数值模拟分析洪涝风险以及评估历史洪水失事影响做了大量计算研究[6-7]。王欣等[8]以水库及下游片区为研究对象，对城区溃坝洪水进行模拟研究；郭凤清等[9]利用蓄滞洪区的洪水模拟仿真分析，对调度运用方案展开研究；施露等[10]针对平原地区的中小河流洪涝风险问题，进行模拟洪水的演进情况以耦合模型的数值分析。然而，目前大部分都是针对平原地区和临海地区的洪水演进模拟分析，对于丘陵地区叉网式河流洪水演进风险分析研究相对较少。本文以江西省修河郭家滩至安坪港段为研究对象，利用Mike Flood模块将一、二维模型在不同的应用情境下进行动态耦合，充分发挥一、二维模型模拟洪水在河道及洪泛区演进时各自的优势，同时避免其单一模型在地表网格精度和模拟准确性方面等问题，而且能够灵活地与外部软件如ArcGIS等进行复杂的数据交互，利用外部相关软件对其输入输出数据进行加工处理等，更为准确形象地模拟丘陵地区叉网式河流的洪水演进过程，从而分析遭遇不同频率暴雨时洪泛区的内涝情况和防洪能力。 1 河流水动力学耦合分析模型

丘陵地区叉网式河流流域是指在水平和铅直2个平面范围内分别存在2个方向的变化形态，在水平面上，叉网式河流是由1条干流与多条支流组成的多级二维河

网，在铅直面上，丘陵地区天然存在的地形地势决定着河床和洪泛区的平面二维变化。因此丘陵地区叉网式河流洪水演进中必然出现2个维度的水动力运输模式，即出现一维河道带状演进和二维洪泛区平面演进，为此需要构建2个维度的水动力学耦合分析模型。DHI Mike软件中Mike Flood耦合模型可较好地实现这一功能，其组成元素为一维河道模型(Mike11)和二维洪泛区模型(Mike21)，通过Mike Flood编辑器进行侧向连接耦合，使耦合模型既继承一维和二维模型的优点，又避免使用单一模型时遇到的准确性和网格精度方面的问题。

需要指出的是，Mike11编辑器构建的一维河道水动力模型是基于以下假定提出的[11]，认为河流水体为不可压缩的一维均质流体、河道坡降小、纵向断面变化幅度小且符合静水压力假设。并且采用6点Abbott-Ionescu有限差分格式对Saint-Venant方程组求解，包括连续方程和动量方程，分别符合质量守恒定律和牛顿第二定律等流体物理定律[12]，Saint-Venant方程组见式(1)。 (1)

式中：Q为流量，m3·s-1；q为侧向入流，m3·s-1；A为过水面积，m2；h为水位，m；R为水力半径，m；C为谢才系数；α为动量修正系数。

二维自由表面流模型Mike21是以垂向平均的水流因素为研究对象模拟计算蓄滞洪区、河道、湖泊、海洋的流场、流速、水位的变化，在分析过程中其不考虑水流垂向加速度。由于丘陵地区地形地势复杂，建模需要采用非结构化网格，即三角网格与四边形网格相结合的混合网格，方可更好地反应水流边界信息，故二维模型建立选用Mike21FM模块。该模块是基于数值解的两摊浅水方程，其计算机制主要包括连续性、动量、密度、盐度和温度方程，因而可以模拟因各种外力作用而产生的水位和水流变化及任何忽略分层的二维自由表面流。与此同时，Mike21FM模块采用的数值方法是基于单元中心的有限体积法[13]，具有很好的能量守恒性质，

可以准确处理急流、间断解。该计算模块原理基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，服从Boussinesq假设和静水压力假设，即只考虑流体温度变化引起的密度变化以及总水头为河底高程与静水深之和。描述平面二维水流的连续方程和动量方程见式(2)和式(3)。 连续方程： (2) 动量方程： (3)

式中：h为水深；分别为x、y方向的流速；u、v分别为垂线平均流速在x、y方向上的分量；z为水位；g为重力加速度；C为谢才系数；vt为紊动黏性系数。 Mike11模型用于模拟一维河道水体的流态，在进行洪水演进过程模拟时，虽然计算效率高、稳定性好，但在单独模拟洪水漫过河堤进入洪泛区演进过程中却比较复杂。Mike21模型用于模拟二维平面自由表面流动，能够很好地模拟复杂水流在无固定路径的洪泛区的演进过程，非常详细准确地描述洪水淹没的范围、时间、水深、流速分布等风险要素，但在模拟水流于单一河道内的演进过程时，需要详尽的河道地形资料且计算效率和适应性远不如Mike11[14]。因此，将一维河道模型(Mike11)和二维洪泛区模型(Mike21)取长补短进行动态侧向耦合，利用耦合模型Mike Flood进行洪水模拟计算。

侧向连接的耦合方式允许二维模型的网格单元从侧面连接到一维模型的部分河段甚至是整个河段，水流在连接处通过堰流流量公式沿着垂直一维模型河流流动方向与二维模型研究区域进行水量交换[15]。在耦合模型运行时，2个子模型同时计算工作，在连接处进行动量交互传递，可以有效地模拟洪水从河道漫流至洪泛区的淹没

过程以及洪水汇入河道的汇流过程。 2 丘陵地区叉网式河流洪水演进模型的构建 2.1 模型研究区概况

研究区位于江西省修河流域中上游，地处山地丘陵地区，属亚热带湿润季风气候，多有地面冷锋、西南低涡等气候现象，导致研究区暴雨、洪水频发。研究区年降雨量1 875 mm，最大年降雨2 654 mm，最少年降雨1 000 mm，降雨集中在3—7月，占全年60%以上，一般4—7月为汛期，最高水位多出现在6—7月，7—10月为枯水期。另外，山区来水较急且不易控制，河道两岸滩地洼地较多，农耕用地安置混乱，抗洪性很差。

修河流域地处丘陵山地区域，人口集中密集，山区农户较多，对于自然灾害的敏感度很高，一旦发生自然灾害，其损失非常严重。由于大部分实际受灾区域和受灾人口在修河中上游地区，故本次示范模型取修河干流郭家滩水电站至安坪港段以及杭口水、竹坪水、武宁水、安溪水等4条主要支流为洪水风险研究对象，采用一、二维耦合模型进行模拟工作，而下游的高沙水文站、抱子石大坝、庙岭水及三都水电站仅作为辅助构造要素植入一维数据模型中，不与二维模型进行耦合模拟计算。研究区概化图如图1所示。

图1 研究区概化图Fig.1 Overview of the study area 2.2 一维二维独立模型的构建

Mike11模块的水文边界条件可定义模型与外部环境之间的相互作用，以便处理与外界交汇的水流方程。本次研究区干流上下游端点处分别建立开边界条件，上游导入流量时间序列，下游导入水位时间序列。对于研究区支流和区间入流，采用附加边界方式连接到模型，导入相应的水文资料。

Mike21FM水流模型是采用非结构不规则网格对研究范围的二维洪泛区进行三角形网格划分，其网格的大小应随地形地势和阻水建筑物特征确定[16-17]，文中建

模范围内最大网格的面积不超过0.5 km2，共剖分网格8 496个，重要地区、地形变化较大部分的计算网格适当加密，二维网格划分如图2。需要指出的是，为充分反映计算区域的边界特征，可将影响水流的阻水建筑物视为网格边界。 图2 二维网格划分图Fig.2 Two-dimensional mesh map 2.3 河道与洪泛区的模型耦合

采用研究区Mike21FM非结构化网格与Mike11河道进行水动力侧向连接，模型内部会进行水动量方程计算结构物中每个节点，所有经过计算的水流都被重新分配到模型网格单元中，并设定两者侧向连接处的耦合线，保证水量交换点即为河道两侧堤岸，从而有效模拟水从河道漫流到洪泛区的运动。在本次耦合中，一维修河主河道模型左侧岸线与380个Mike21FM网格单元进行连接，右侧岸线与356个Mike21FM网格单元进行连接。该模型在上游干支流汇合处的耦合连接如图3所示。

3 丘陵地区叉网式河流洪水演进模拟结果分析 3.1 研究区洪水淹没范围统计及分析

本次洪水淹没模拟计算以研究区上游起始端郭家滩水电站的下泄流量为主要上边界，加上各支流和区间来水，以三都水电站坝前水位作为唯一下边界，模型模拟时间为2017年6月23日0时至2017年6月26日0时，历时72 h，20年一遇工况和100年一遇工况洪峰时期模拟结果分别见图4和图5。

图3 模型耦合连接图Fig.3 Model coupling connection diagram

图4 20年一遇工况洪峰时期洪水淹没范围图Fig.4 Flooding inundated areas during flood peaks in 20 year frequency

图5 100年一遇工况洪峰时期洪水淹没范围图Fig.5 Flooding inundated areas during flood peaks in 100 year frequency

从图4可以看出，当研究区遭遇20年一遇洪水时，受灾情况较为严重，局部地区

大范围水深达到3.2 m以上，例如上游修河干流沿河耕地、竹坪水河口左岸、宁州镇河岸、武宁水河口及大洋洲等地皆出现3.6 m水深，并存在向洪泛区扩散的趋势，这些地区多为河流行径弯曲地段，地势低洼，耕地和冲积土较多。其中灾情最为严重的是杭口水两岸，淹没面积显著增加，集中于右岸山区耕地附近，平均水深可达到1.5 m，由于该区域民房较多，损失十分严重。

当研究区遭遇100年一遇洪水时，受灾情况非常严重，整个流域淹没水深普遍增高，上游杨坊塅村沿河耕地、竹坪水河口左岸、宁州镇河岸、武宁水河口及大洋洲等地区淹没水深可达到4 m，个别地区已经超出人为控制能力，县城沿岸都有洪水漫溢至城区马路，武宁水沿岸都存在3.2 m以上水深，杭口水上游耕地低洼区也出现3 m水深，受灾情况非常恶劣，严重影响当地居民的生命财产安全。 3.2 研究区洪水到达时间统计及分析

一次洪水的行洪过程存在很多重要信息，决定着受灾居民的生命财产安全，也影响着防洪避洪行动的决策安排。其中最有价值性的信息就是洪水到达时间和持续时间，即洪水漫溢的时间序列。本次分析提取研究区模型计算结果中20年一遇的上游段行洪过程，具体过程见图6。

图6 研究区上游20年一遇段洪水行洪过程图Fig.6 20 year flood-flooding process in the upper reaches of the study area

在23日12时杭口水左岸开始出现淹没，水深为0.4 m，修河干流左岸沿河耕地也出现淹没，水深为1.6 m。在23日20时洪水淹没范围由这2处开始缓慢扩散，水深变化相对较为平缓。在23日20时至24日12时之间，洪水淹没范围迅速扩散，整个杭口水两岸淹没面积急剧上升，局部地区出现水深达3.6 m，由于来洪时间的特殊性，对当地居民防洪避洪工作造成严重影响。在24日16时洪水呈现缓慢消退迹象，直至26日0时洪水才完全消退。在纵向时间轴上，不同年遇的洪水对杭口水地区影响不同，具体各洪水频率下水面线高程数据见表1。

3.3 洪水最大流速统计及分析

观察洪水流速有利于分析洪水漫溢洪泛区的走向和原因，为加强局部地区防洪工程措施提供有效合理的依据。本次分析以研究区20年一遇洪水为例，整体区域流速较为缓和，平均流速为0.4 m·s-1，局部区域由于地形地势因素存在中快速水流，最大流速可达到1.5 m·s-1以上，是洪泛区内最危险的地带。本次行洪流速最大区分别在杭口水河口处右岸和宁州镇大洋洲附近，详图见图7和图8。

表1 杭口水地区各年遇洪水水面线高程Tab.1 Flood water surface elevation in flood frequency ofHangkou area断面里程洪水频率/%20105210.00106.63113.53117.64119.50120.661 945.42103.34103.70103.97104.57105.062 369.56102.84103.20103.64104.39104.912 741.79102.48102.93103.46104.28104.883 198.67101.75102.41103.15104.04104.633 897.15101.19101.98102.89103.57104.214 525.47100.97101.92102.85103.90104.504 930.53100.94101.92102.86103.91104.795 649.66100.77101.90102.83103.90104.586 216.00100.53101.79102.65103.81104.536 514.00100.59101.73102.63103.80104.93

图7 杭口水河口处20年一遇洪水最大流速图Fig.7 Maximum flow rate of a 20 year flood at the mouth of the Hangou River

图8 宁州镇大洋洲处20年一遇洪水最大流速图Fig.8 Maximum flow rate of the 20 year flood at Oceania,Ningzhou Town

由图7所示，杭口水河口处汇流水急速向右岸洪泛平原行洪，最大流速已达到2.0

m·s-1以上，且形成旋涡状，属于高速危险区。导致这种现象的原因有2个：一是该区域河道较窄，流向弯曲严重，且地势较陡，河道坡度比降较大；二是杭口水来水大多来源于山区洪水，水流流速较为湍急，不易控制。由图8所示，大洋洲位于河道中心，流速普遍较大，平均流速可达0.8 m·s-1，宁州镇沿岸由于地势低洼，急速水流直接漫溢该处，局部流速可达1.2 m·s-1以上，对当地房建安全产生严重影响。

该模型通过对丘陵地区叉网式修河流域的河网及其断面进行高度精细的概化，建立了一维河道水动力学模型Mike11和二维洪水漫溢模型Mike21FM，加强一、二维模型在连接处地形的契合连接，动态耦合成Mike Flood模型，并准确模拟出2个特殊工况下洪水演进过程。比较2种工况的洪水行径路线，分析得出研究区内最危险的2块区域，分别是杭口水河口处和宁州镇大洋洲处，并对其进行其他风险因子的评价分析，由洪水到达时间和最大流速结果过程图，推理出其危险的原因及具体的危险要害所在，对制定应急避洪预案和防洪减灾工作具有重要意义。 4 结论

1) 建立了基于Mike11与Mike21动态耦合的Mike Flood洪水分析模型，结合研究区内洪水历史行迹等记录资料，在校核典型断面行洪特征参数的基础上，给出了研究区内不同频率条件下洪水行洪过程及淹没范围，并分析了潜在受灾范围内淹没程度与风险要素。

2) 综合运用现代水文学模型、河流水动力学理论及ArcGIS遥感数据，构建了适应丘陵地区叉网式河流洪水风险分析的计算方法，较好地揭示了实际洪水在丘陵地区叉网式河流的演进规律。

3) 本文所建模型与方法，其计算结构体系理论完善且对前期实测数据依赖性不强，同时较好地解决了传统水文模型难以动态模拟洪水演进过程、流向及抵达时间等问题，尤其在缺乏完整水文序列的复杂河流风险分析方面优势明显，可为其洪水演进

风险预报和紧急避洪转移提供决策依据。

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