基于DELFT3D HM模型的苍海湿地公园洪水淹没模拟研究

(河南省水利勘测设计研究有限公司， 郑州 450016)

基于DELFT3D HM模型的苍海湿地公园洪水淹没模拟研究

李彬

(河南省水利勘测设计研究有限公司， 郑州 450016)

洪水淹没情景受区域洪水流量、河床地形变化、河道工程运行调度等多因素影响，对于洪灾情景的确定，是开展河道与滩区治理研究以及进行防洪设计和滩区功能定位的前提条件。为此，以苍海湿地公园区域为例，利用Delft3D HM模型建立起二维洪水演进模型，进而模拟洪水淹没过程。模型采用P=20 a一遇洪水历史资料进行验证，结果合理；采用P=50 a一遇洪水对苍海湿地公园流域内洪水淹没过程进行了模拟，得到了实时淹没范围、最大淹没区域、水位变化过程等洪涝区内的特征水力要素信息。成果为该区域内的防洪规划和实时洪水预报提供理论参考，同样为后期洪涝区内水质提升工程提供可靠参数。

Delft3D HM模型；苍海湿地公园；洪水淹没；水力要素；洪水预报；水质提升

1 研究背景

洪水演进模型的存在和发展为研究洪水运动规律提供了有力的依据[1]，对洪水演进的水文和水力学数学模拟方法，能够模拟洪水条件下可能的淹没范围、淹没历时、特征水深等水力要素，为绘制洪水风险图和洪水预警预报提供重要依据。国内外专家针对洪水演进模型进行了很多研究，早在1871年法国人圣·维南建立的明渠非恒定流偏微分方程组，为洪水研究奠定了理论基础。胡四一等[2]在建立长江中下游河湖洪水模型中采用无结构网格二维非恒定有限体积格式，可适应湖区各种复杂的边界条件；李大鸣等[3]通过改进有限元质量集中法提出质量加权集中法，并较好地运用于小清河滞洪区二维洪水演进模拟中；李大鸣等[4]在东淀滞洪区采用无结构不规则网格布置方式对其来水进行模拟；张细兵等[5]在建立荆江分洪区模型时利用阵面推进法提出了河道有限元网格自动剖分法。随着商业软件的发展，何典灿等[6]利用MIKE模型的优点(用户界面友好、可视性好、能灵活处理复杂地形等)对杜家台洪道行洪能力进行模拟，其结果精度高、模拟效果真实；段扬等[7]选用EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型来实现蓄滞洪区洪水演进模拟，在漳卫河流域大名滞洪区中得以应用。

本文选用多维水力仿真模型中的水动力模型Delft3D Hydrodynamic Model(简称Delft3D HM[8])进行苍海湿地公园流域内的洪水淹没模拟；通过模拟苍海片区P=50 a一遇洪水时的淹没过程，实现了洪水淹没过程的实时动态模拟，展示了洪水淹没等信息，为流域风险图、洪水风险图、内涝风险图绘制等提供依据。

2 研究区域概况

苍海湿地公园位于广西省梧州市苍海上游的下小河流域滨河岸带之内，总占地面积约783 hm2。区域内主要河道为下小河、石狮河，以及一系列小溪流，河道两岸均未设置堤防，其水土保持及生态系统破坏严重。其中，下小河干流长80 km，流域面积为673 km2，其洪水流量大，时空分布不均；下游河段河床平缓，河湾较多，最大河宽仅50 m；同时，下小河流域内水土流失严重，导致大量泥沙淤积于河道内，加之沿河两岸地势较低，故排洪时易造成流域内涝或两岸流域发生淹没[9]。为明确湿地公园建成后洪水淹没范围及其合理开发规模，避免开发建设后因洪涝造成巨大损失，本文选取苍海湿地公园范围内的流域进行模型建立(见图1)，分析重现期P=50 a时洪水最大淹没区域，为水系规划提供一定理论依据。

图1 研究区域及模型网格剖分示意图Fig.1 Sketch map of the study area and model mesh generation

3 模型建立及验证

目前，关于洪水淹没模拟的软件较多，比较有代表性的成果为DHI的软件系统MIKE21及Delft Hydraulics开发的Delft3D。考虑到研究区的特色，本文采用Delft3D中的HM水动力仿真模型(具有计算功能齐全、稳定性好、计算精度高及实用性强等特点)对苍海湿地公园范围内下小河及其支流的洪水漫滩过程进行模拟。

3.1 控制方程

水流模型主要采用Navier-Stokes方程组，利用ADI方法对其进行离散求解。在正交曲线坐标系下的控制方程为[10]：

连续方程

(1)

动量方程(水平ξ方向和η方向)

(2)

(3)

3.2 网格划分及参数选取

根据苍海湿地公园实际地形及河道断面资料，模型采用曲线正交网格进行离散。模型中定义下小河上游和石狮河干流为进口边界，下小河下游为出口边界，模拟区域内共划分9 019个网格(见图1)。由于河道断面较窄，对研究区域内主河道部分进行局部网格加密，用于保证模拟结果的准确性和合理性。模型中河床概化主要依据河床实测高程点进行三角插值得到，图中共布置7个水文测点用于模型的验证，如图2。

图2 河床概化及水文测点布设平面示意图Fig.2 Sketch map of the generalized bed and the layout of hydrological survey points

模型中需给定的主要参数包括上游进口边界处流量值、下游出口处水位值；典型洪水过程历时3 d左右，故模型中设定总时长为72 h；时间步长设定为5 s，主要考虑到计算网格尺寸较小，且保证模拟结果的稳定性；河床糙率的设定参考相关河道和湿地中植被等阻力的研究，通过加权平均最终选取研究区域谢才系数为30。

3.3 模型验证

采用该河段20 a一遇历史洪水资料对水动力模型进行验证，验证结果见表1及图3。经分析，模型计算最高洪水位与实测最高洪水位基本吻合，最大偏差0.12 m，最大误差百分比为0.85%，均在误差允许范围之内，表明水动力模型合理，可用于进一步洪水演进模拟。

表1 实测最高洪水位与计算最高洪水位比较(P=20 a)Table 1 Comparison between measured maximum floodlevel and computed maximum flood level (P=20 a)

图3 实测流量与计算流量比较(P=20 a)

3.4 洪水演进模拟

考虑到下小河流域防洪标准为P=50 a，模型选取P=50 a时的洪水条件对苍海湿地公园的安全影响程度进行模拟，模拟过程包括最大洪峰过境时的整个洪水涨落过程，模拟历时为72 h，时间步长取5 s。图4所示为下小河和石狮河进口边界洪水流量过程线，下小河下游出口边界采用对应水位值。

图4 P=50 a下小河和石狮河进口处洪水流量过程线Fig.4 Process lines of flood discharge at the inlets of Xiaxiao River and Shishi River (P=50 a)

4 计算结果与分析

当苍海湿地公园遭受P=50 a一遇洪水时，下小河与石狮河的水位变化过程如图5所示。由于石狮河地势较高，其初始水位较高，洪水过程中水位变幅较下小河小。

图5 下小河和石狮河洪水水位变化过程线(P=50 a)Fig.5 Process lines of flood level in Xiaxiao River and Shishi River (P=50 a)

图6 不同时刻洪水演进过程示意图(P=50 a)Fig.6 Flood propagation at different instances(P=50 a)

排洪时，洪水演进方向自下小河上游和石狮河向下小河下游汇聚，淹没范围随时间推移逐渐增大。由图6所示洪水演进过程可知，9 h洪水开始淹没岸滩，区域内淹没范围增大加速，12 h达到最大淹没范围，此时下小河东侧岸滩、石狮河(下小河支流)东侧岸滩以及两河交汇处的岸滩均出现明显洪水淹没区域。其中，下小河东侧约有70万m2岸滩被洪水淹没，石狮河东侧约有15万m2岸滩被淹没，两河交汇处约有15万m2岸滩被淹没。之后随着洪峰流量降低，淹没区域逐渐减小；24 h和36 h时，下小河上游东侧及下小河与石狮河交汇处仍有部分区域处于淹没状态，随后淹没区域逐渐消退(见图7)。

图7 洪水期间最大水位及最大淹没面积与时间关系曲线(P=50a)Fig.7 Curvers of maximum water level and maximum submerged area vs.time in flood period (P=50a)

5 结 论

本文借助Delft3D中的HM模型对广西苍海湿地公园范围内的洪水演没过程进行数值模拟研究，结果表明该模型能够适应复杂的河床条件，具有较好的模拟结果，关键区域的网格加密提高了模拟精度和模拟效果的真实性，其结果可对洪水淹没区域和淹没时间的预报起到参考作用。模拟的洪水演进过程(P=50 a)清晰地展示了苍海湿地公园流域内洪水的实时淹没情况，下小河和石狮河东侧岸滩以及两河交汇处的岸滩淹没较严重，最大淹没范围共计约100万 m2，其淹没范围内不宜设置道路、建筑等其他建筑设施，以免遭受洪涝破坏，可为后期流域规划提供理论参考依据。在下一步工作中将对该模型进行深化，在水动力模型基础上建立水质模型，为苍海片区水质改善工作提供一定理论参考价值。

[1] 袁艳斌，王 乘，杜迎泽，等. 洪水演进模拟仿真系统研制的技术和目标分析[J]. 水电能源科学，2001，19(3)：30-33.

[2] 胡四一，施 勇，王银堂，等. 长江中下游河湖洪水演进的数值模拟[J]. 水科学进展，2002，13(3)：278-286.

[3] 李大鸣，林 毅，徐亚男，等. 河道、滞洪区洪水演进数学模型[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2009，42(1)：47-55.

[4] 李大鸣，林 毅，周志华，等. 蓄滞洪区洪水演进一、二维数值仿真及其在洼淀联合调度中的应用[J]. 中国工程科学，2010，12(3)：82-88.

[5] 张细兵，欧治华，崔占峰，等. 基于非结构网格的分蓄洪区水沙演进数学模型研究[J]. 长江科学院院报，2011，28(4)：75-79.

[6] 何典灿，周建中，江炎生，等. 基于MIKE的杜家台洪道行洪能力研究[J]. 长江科学院院报，2017，34(9)：52-56.

[7] 段 扬，廖卫红，杨 倩，等. 基于EFDC模型的蓄滞洪区洪水演进数值模拟[J]. 南水北调与水利科技，2014，12(5)：160-165.

[8]Deltares. Delft 3D-Flow User Manual — Simulation of Multi-dimensional Hydrodynamic Flows and Transport Phenomena [M]. The Netherlands: Deltares, 2009.

[9] 王 震. 梧州苍海城市湿地公园石狮河湿地规划[D]. 长沙：中南林业科技大学，2015.

[10] 谢谦城，苗伟波，戴文鸿，等. 水沙变化条件下黄河下游连续弯段水流特性研究[J]. 水资源与水工程学报，2016，27(4)：157-161.

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，河南南阳人，工程师，主要从事水利工程设计。E-mail:17039900@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161168

TV122

A

1001-5485(2018)01-0063-04

(编辑：姜小兰)