基于MIKE FLOOD模型的中顺大围洪水风险研究

朱婷　王鑫

摘要：采用MIKE11（一维）和MIKE21（二维）的动态耦合MIKE FLOOD水动力学模型，构建中顺大围洪水风险图计算模型，分析计算各种不同来水条件下，典型溃口发生溃堤后的洪水传播过程，分析淹没范围、淹没水深、淹没历时等主要特征参数，为中山市、顺德区中顺大围保护区内防洪决策、避洪转移等提供技术支持。

关键词：中顺大围；洪水风险；模型

中图分类号：TV122 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0071-04

1 中顺大围概况

1.1 地形地貌与河流水系

中顺大围位于珠江三角洲下游，地跨中山市西北部和佛山市顺德区，是广东省五大联围之一，围内集水面积779km²。围内地形北窄南宽，东西两侧水道环绕，南部依靠五桂山脉。中顺大围地质构造体系属于华南褶皱束的粤中凹陷。围内北部为冲积平原，地势平坦，地面高程在0.2～2.7m之间，河网密布；南部则以低山、丘陵和台地为主，最高山峰为五桂山531m。

中顺大围上游西江干流在天河附近分为东海水道和主流西海水道，分别流向大围东侧和西侧。围内北部平原水道纵横，网河密布，主要河涌有二十余条，凫洲水道、横琴海和拱北河自北向南纵贯大围北部平原区，上接凫洲河水闸，下通拱北水闸，是北部平原内洪的主要排洪水道，随着经济发展，横琴海下游、拱北河上游的横栏镇内部分河段被人为封堵，致使北部平原区洪水改道经北部排水渠、东部排水渠、沥心涌、浅水湖和中部排水渠、狮浯河、西部排水渠等河涌向南排入石岐河。

1.2 社会经济

中顺大围捍卫顺德区均安镇，中山市小榄、东升、港口、古镇、横栏、大涌、沙溪、板芙、神湾镇，以及石岐区、南区、东区、西区、火炬开发区共15个镇区，是珠江三角洲的富裕地区。中顺大围也是中山市的政治、文化和经济中心。围内农业以稻谷、蚕桑、塘鱼、甘蔗为主；工业种类颇多，有机械制造、纺织、化工、建材等20多个行业。

中顺大围2012年常住人口186万人，围内生产总值1669.5亿元，其中第一产业增加值29.4亿元，第二产业增加值858.7亿元，第三产业增加值679亿元，产业结构比例为1.76：51.44：40.67。

2 模型构建

2.1 模型构建思路及建模范围

中顺大围防洪保护区洪水分析模型选用MIKE模型系列，采用MIKE11（一维）和MIKE21（二维）的动态耦合FLOOD水动力学模型，进行防洪保护区洪水分析，其中MIKE11主要应用于模拟防洪保护区围外珠江三角洲河网的洪、潮水传播，MIKE21主要用于模拟防洪保护区内溃堤洪水和暴雨内涝洪水的传播，采用MIKE11的dambreak模块模拟堤防溃决过程及溃堤水位流量过程。

一维模型的计算范围包括上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、东江控制站博罗站，下游虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡鸣门、虎跳门和崖门八大口门。二维模型的计算为中顺大围范围。

2.2 模型架构

2.2.1 单一河道

单一河道采用一维明渠非恒定流Saint-Venant方程来解，包括连续方程和动量方程：

式中，x，t表示空间坐标和时间坐标；Q、h为断面流量和水位；A、bs、R分别为断面过水面积、断面宽度和水力半径；g为重力加速度；q为单位河长的旁侧人流量；C为谢才系数；α为垂向速度分布系数。

MIKE11采用六点中心隐式差分格式（Abbott Scheme）求解Saint-Venant方程组，数值计算采用传统的“追赶法”，即“双扫”算法。

2.2.2 河网求解

河网是通过汊点连接起来的，按照分级解法的思想，只要解出汊点上的未知量即可求解整个河网，用有限差分法近似表示汊点的连续方程为：

H为实际汊点的水位；H_A，us为支流A的末端水位；H_B，us为支流B的末端水位；H_C，us为支流c的末端水位。

与式（2-4）类似，则N个方程含有N个未知数（N是汊点数）。方程中每个汊点的水位变成了直接相邻汊点水位的线性函数。同样可以用标准的高斯消元法对汊点矩阵求解，解出汊点上n+1时刻的水位，然后解出各河段各断面上的水位和流量。

2.2.3 二维洪泛区计算

平面二维水流基本方程包括水流连续方程和水流运动方程：

其中，h为水深；u和v是x和y方向的流速，M=uh，N=vh；zb为河床高程，n为Manning糙率系数；r₁为紊动粘性系数。方程离散时空间采用有限体积法，运用守恒格式对水流连续方程进行离散，保证计算域内水量守恒，时间采用蛙跳法，计算物理量使用交错网格。方程离散后形式为：

水流连续连续方程为：

水流方程在x和y方向进行离散后，结合初边界条件即可进行计算。

2.2.4 溃坝模块

MIKE11 DB溃坝模块包括采用能量方程求解模块和美国国家气象局的溃坝洪水预报模型DAMBRK模型。该模型由两部分组成：①堤防溃口形态描述。用于确定堤防溃口形态随时间的变化，包括溃口底宽、溃口顶宽、溃口边坡及溃决历时；②堤防溃口流量的计算。

2.2.4.1 溃口形态的描述

目前对于实际的溃坝机理还不是很清楚，因此溃口形态主要通过近似假设来确定。考虑到模型的直观性、通用性和适应性，一般假定溃口发生时由一个特定形状的初始状态开始，在溃决历时内，按线性比率扩大，直至形成最终底宽。若溃决历时小于10分钟，则溃口底部不是从一点开始，而是由冲蚀直接形成最终底宽。溃口形态描述主要由四个参数确定：溃决历时（τ），溃口最终底部高程（h_b），溃口边坡（S），溃口底宽（b）。由溃决历时可以确定堤防溃决是瞬时溃还是渐溃；由后面三个参数来确定溃口断面形态的形状及是局部溃还是全溃等。

2.2.4.2 溃口下泄流量计算

堤防溃口形状如图2所示，坝体溃口下泄流量由堰流公式计算：

其中：b：溃口底宽（三角形溃口底宽b=0）；g：重力加速度；h：堤前河道水位；h_b：溃口底部高程；s：溃口边坡系数；c_weir：水平部分堰流系数，一般取0.546430；c_slope：斜坡部分堰流系数，一般取0.431856；c_v：行进流速修正系数，；b_d为溃口河道水面宽度，h_bm为最终溃口底高程；k_s：淹没损失修正系数。

式中，h_ds为尾水位（坝下游水位）。

2.3 模型网格剖分

采用非结构三角网格对中顺大围防洪保护区进行剖分，网格划分按照网格最大面积不大于0.1km²设定，中山市城区将网格适当加密，按不大于0.05km²设定。内堤、高山边界、内河湖边界、离地较高线状物沿线两侧网格适当加密，对高山区域内部网格可适当加大。对计算区域内明显影响洪水演进的构筑物，如公路、铁路、河渠等线状地物，采用局部地形调整法进行概化，对于桥梁、村镇等点状或面状构筑物，灵活采用局部地形调整法和局部糙率调整法进行概化。

凫洲河和石歧河为区域内最大的两条河，其余还有20余条河涌对行洪排涝均有较大影响。综合考虑河道概化和计算效率，凫洲河和石歧河通过对河道地形采用加密网格进行剖分，其余较大的河涌则按照河道中心线走向剖分网格，并对河道中心线所在网格节点高程进行局部调整。根据现场调研，中顺大围没有铁路，城际轨道采用高架桥形式贯穿，主要道路基本与地面齐平或不超过地面高程0.5m，因此网格剖分不进行特殊处理，仅考虑在该区域适当增加糙率系数。

中顺大围面积779km²，本次非结构网格数共计41729个，平均每个三角形网格的面积不到0.02km²。

2.4 模型参数选取和率定

2.4.1 一维水动力学模型参数选取与率定

（1）率定水文条件。考虑地形及水文资料的实际条件，选取“08.6”洪水对珠江三角洲一维数学模型进行率定。“08.6”洪水：2008年6月西江中、上游发生约5年一遇的洪水，中、下游梧州、高要水文站发生超10年一遇的大洪水，马口站发生超20年一遇的大洪水。

（2）率定站点。珠江三角洲主要水文站点仅有马口、三水两站，另外有珠江三角洲主要汉口以及中顺大围附近的水位站22个，率定验证以水位为主。

（3）率定结果。图3为“08.6”洪水条件下部分站点模型计算结果与实测数据的比较，从计算结果来看，模型能够较好地模拟三角洲复杂水网在洪水及潮汐共同作用下的水动力分布特性。各站水位及流量计算值与实测值吻合良好，能基本满足模型验证要求，表明模型能正确反映网河水位及流量的空间分布特性。同时在计算的长历时过程中潮位及流量相位关系计算与实测同步性也很好，再现了网河各站水位流量时间上的变化特征。

2.4.2 二维水动力学模型参数选取与率定

珠江三角洲近年来较少发生溃堤事件，较为严重的一次为樵桑联围于1998年6月29日发生的荷村水闸溃堤，决口总长93m，最大落差7m，最大流速4.5m/s，最大流量1700m³/s。决堤淹没面积12.47万亩，受灾人口11.94万人。中顺大围未发生较严重的溃堤事件。根据《洪水风险图编制技术细则》和《水力计算手册》，参考樵桑联围洪水分析的糙率参数取值，按下垫面情况选取糙率参数。

2.5 模型验证

2.5.1 验证的水文条件

考虑地形及水文资料的实际条件，选取“05.6”洪水对珠江三角洲一维数学模型进行验证。

“05.6”洪水：2005年6月17日至25日，西江中下游发生了超100年一遇特大洪水，北江出现约10年一遇的洪水，东江发生近20年来最大的一次洪水，西、北江洪水进人珠江三角洲、恰逢19年来最大天文大潮，珠江三角洲也发生了特大洪水。

2.5.2 验证结果

图4为“05.6”洪水水文条件下部分站点模型计算结果与实测数据的比较，从计算结果来看，系统模型能够良好地模拟三角洲复杂水网在洪水及潮汐共同作用下的水动力分布特性。各站水位及流量计算值与实测值吻合良好，能基本满足模型验证要求，表明模型能正确反映网河水位及流量的空间分布特性。同时在计算的长历时过程中潮位及流量相位关系计算与实测同步性也很好，再现了网河各站水位流量时间上的变化特征。

3 典型溃口计算成果

利用以上模型搭建中顺大围洪水风险图计算模，计算七浯典型溃口在西北江50年一遇洪水工况下受灾情况，方案以外洪为主，思贤？（马口+三水）50年一遇设计洪水遭遇多年平均高潮位及2年一遇最大24小时设计暴雨，七？险段出现溃口的工况，见图5。

此时，围内石岐河以北大部分区域受淹，其中淹没水深达3m以上的面积有36km2，主要位于溃口附近的均安镇南浦村、沙浦村和太平村；淹没水深达2-3m的面积有62km²，主要位于均安镇的星槎村、南浦村南部及太平村西北部；淹没水深达1～2m的面积有185km²，主要位于中山市均安镇南部，古镇中部、横栏镇、西区街道、港口镇，东升镇东部、板芙镇和西区；淹没水深达0.5-1m的面积有93km²，主要位于中山市古镇南部、小榄镇、东升镇西北部；淹没水深小于0.5m的面积有102.4km²，主要位于中山市石岐河以北高地及石岐河以南区域。

洪水由七？溃口入侵中顺大围，洪水前锋到达时间受围内区域与溃口的距离和围内地势影响，其中溃口后3h内洪水到达溃口附近的均安镇北部及凫洲河两侧低洼地带，洪水前锋到达的区域面积为22km²；6h时洪水到达均安镇凫洲河右岸陆地，增加淹没区域24km²；24h内到达的地区包括小榄镇、古镇镇、东升镇、横栏镇及沙溪镇北部区域，增加淹没区域170km²；48h时蔓延至港口镇、板芙镇，增加淹没区域181km²；围内其他区域洪水前锋到达时间超过48h，其面积为382km²。

最大洪水流速随着与溃口的距离的增大而减小，溃口附近均安镇局部区域最大洪水流速高于1m/s，面积为6km²；均安镇北部低洼区域0.5-1m/s，面积为29km²；均安镇东南部区域最大洪水流速为0.3-0.5m/s，面积为50km²；中顺大围中部古镇、小榄、横栏、东升、港口、西区街道区域最大洪水流速为0.1-0.3m/s，面积为239km²；其他区域最大流速小于0.1 m/s，面积为454km²。

4 结论

利用MIKE FLOOD模型，构建中顺大围洪水风险图计算模型，分析计算各种不同来水条件下，各典型溃口发生溃堤后的洪水传播过程，编制中顺大围防护保护区洪水风险图，分析淹没范围、淹没水深、淹没历时等主要特征参数，初步实现洪水风险图在土地管理、防汛指挥、避险转移、增强全民水患意识和洪水影响评价等领域的应用，为中山市、顺德区中顺大围保护区内防洪决策、避洪转移等提供技术支持。