基于MIKE模型的中小河流洪水风险分析

孙 依，王 洁，丁 曼，李鸿雁

(1.吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春130021；2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866； 3.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

0 引 言

近年来，中小河流水害频繁，且与大江大河相比防洪措施较为薄弱[1,2]。洪涝灾害作为世界上最为频发的自然灾害之一，也日益成为经济社会发展中面临的严重问题。2006年末，水利部启动了关于流域洪水预警与风险管理技术研究的项目，以风险管理为基础，提出了洪水风险图制作，并将洪水风险图的编制工作积极推广至全国[3]。目前，利用MIKE模型模拟洪水演进已有大量研究成果。Mark[4]采用隐式差分法求解圣维南方程组，构建一维水动力学模型，对非恒定流过程进行了模拟，结果表明模型适用性良好。田俊玲[5]在一二维模型中引入GIS，建立精细化仿真模型，结果可视化更好。Liang D等[6]将动态链接库技术加入模型当中，建立耦合模型模拟溃堤条件下的洪水演进情况。此外，由于中小河流日渐成为洪涝灾害损失的主体[7]，其洪水风险分析也成为众多学者研究的重点。刘卫林等[8]基于MIKEFLOOD模型对以罗塘河为代表的中小河流进行洪水风险分析，并提出抵御洪水能力的防范措施。李龙[9]采用一二维模型对牡丹江上游敦化段的洪水特点进行风险分析，为敦化市防洪规划提供理论支撑。高鹏等[10]采用MIKE模型对辉发河干流进行淹没风险分析，并制定合理的避险转移方案。

本文对于中小河流的研究主要以饮马河(石头口门水库坝址以下)为研究对象，通过采用MIKE软件建立了一、二维水动力模型及耦合，模拟多种计算方案下的洪水演进过程，并进行灾害分析，为日后编制中小河流洪水风险图提供了重要依据。

1 研究区概况

饮马河发源于伊通县地局子乡老爷岭东南侧[11]，是松花江(三岔河口以上)下游左岸最大的一条支流。流域面积18 247 km2，河道长度387.5 km，河道平均比降约为0.03%。其流域平均高程300 m左右，干流烟筒山水文站以上流域地形均为山区，生长着茂密的次生林，烟筒山水文站以下流域地形均为低山丘陵区，且部分土地类型已转化为耕地。石头口门水库以下至饮马河中、下游河段两侧为平原，地表波状起伏支流较多[12]。

饮马河流域水系良好且支流较多，其中伊通河为饮马河流域最大的支流，集水面积8 440 km2，占饮马河总面积的46.3%，河道长度343.5 km，河道平均比降0.03%。干流设有石头口门、九台、德惠水文站，其中石头口门站多年平均径流量为7.61 亿m3，德惠站多年平均径流量达9.54 亿m3。此外，流域内均匀分布九台、双阳、德惠、农安等气象站，观测资料精度较高，全年四季分明，降雨多发生在6-9月，易于7-8月造成流域大暴雨。各河流特征值见表1，水系图如图1。

表1 饮马河主要支流特征值Tab.1 Characteristic value of main tributaries of Yinma River

图1 饮马河流域水系示意图Fig.1 Water system diagram of Yinma River Basin

2 研究方法及模型原理

2.1 洪水分析方法

饮马河(石头口门水库坝址以下)洪水主要来源为石头口门水库下泄洪水以及汛期饮马河干流与支流洪水的汇入。针对这一特征，本次研究选取一、二维水动力学模型模拟河道和溃堤淹没区的洪水演进过程，即通过一维水动力学模型建立饮马河从石头口门水库坝址至河口的洪水演算模型，当洪水溃堤进入淹没区后再采用二维水力学模型计算。

由于洪水分析计算分为河道和淹没区的洪水演进过程的计算，操作十分复杂。为了在提高效率的同时保证计算结果的稳定可靠，本次洪水分析采用DHI Water and Environment研发的MIKE 模型系列软件，包括MIKE 11、MIKE 21和MIKE Flood模块，可用于一维非恒定流洪水与二维非恒定流洪水的分析模拟。MIKE 11软件的原理是在圣维南方程和能量方程的基础上对河道水动力模拟和结构物进行计算[13]，通过隐式有限差分格式对模型求解。MIKE 21软件是在二维浅水波方程的基础上，通过单元中心的显式有限体积法对模型进行求解[13]。最后，应用MIKE Flood模块将一、二维模型进行耦合计算。

2.2 模型的构建范围

本次洪水风险图编制范围为饮马河石头口门水库到饮马河河口及沿岸的防洪保护区。其中，一维河道模型的构建范围为石头口门水库到饮马河河口，范围内的主干河道长度为110 km；二维水流模型的构建范围为饮马河沿岸的防洪保护区，包括A、B、C、D、E五个分区，模型构建范围如图2所示。

图2 模型构建范围图Fig.2 Map of model building scope

2.3 网格的剖分

基于已经收集到的防洪保护区范围1∶10 000比例尺数字高程(DEM)、国家2000大地坐标系和1985年国家高程基准，将饮马河防洪保护区按主要水系、地物分割、地形地貌以及堤防情况等划分成若干区域。饮马河左岸雾开河、伊通河及右岸小南河将干流堤防分隔成上、下游相对独立的堤段，初步将左岸分区为A、B、E三个计算分区，右岸分区为C、D两个分区。由于无结构网格在复杂性区域具有良好的适应性，且在局部加密方面具有一定的灵活性，在模拟自然边界和条件相对复杂的水下地形时，能够提高边界精度，使模拟结果更好。因此本次采用无结构三角形对防洪保护区进行剖分，进行洪水分析。分析区域总面积约为1568 km2，控制最大网格面积不大于0.02 km2，网格总数128 898个，最大网格为0.019 km2。网格分布如图3～4所示。

图3 饮马河(石头口门水库坝址以下)洪水风险图二维模型计算网格Fig.3 Two dimensional model computing grid of flood risk map for Yinma River

图4 饮马河洪水分析局部网格剖分情况Fig.4 Local grid division for flood analysis of Yinma River

2.4 设计洪水

饮马河(石头口门水库坝址以下)洪水风险图编制区域的洪水来源为石头口门水库下泄洪水以及汛期饮马河干流与各支流洪水，支流主要包括小南河、雾开河、三道沟与伊通河。洪水主要由暴雨形成，造成暴雨的主要天气系统是台风，受暴雨特性的制约，一次暴雨历时在1～3 d，但雨量主要集中在24 h以内。

饮马河现有堤防已达到10～50年一遇标准，设计洪水标准为20年、50年和100年一遇。洪水分析方案主要针对设计低标准洪水、标准内洪水与超标准洪水3级[14,15]，本次饮马河(石头口门水库坝址以下)洪水风险图分析标准内洪水采用经复核后的现状标准。超标准洪水按高一个等级设计标准的洪水考虑，洪水量级选取20年一遇洪水，50年一遇洪水和100年一遇洪水。洪水频率共分以下几个方案： ①饮马河20年一遇洪水与支流小南河、雾开河、伊通河同频洪水组合；②饮马河50年一遇洪水与支流小南河、雾开河、伊通河同频洪水组合；③饮马河100年一遇洪水与支流小南河、雾开河、伊通河同频洪水组合。

2.5 溃口设置方案

溃口的设置主要根据“最可能”、“最不利”、“代表性”三个原则[16,17]，结合现场调查历史灾害、河道险工险段、历史溃口统计及洪灾损失等确定溃口位置，依据堤防现状和历史实际溃口确定溃口尺寸。最终确定11种方案，其中农村堤段7处，城区段4处。

(1)A区拟在双丰村设置一个溃口，位于饮马河左岸九台农村段堤防，河道凹岸的迎流顶冲位置，且堤线与主流方向接近垂直，历史上出现溃坝决口。

(2)B区拟设置2个溃口，一个拟建在望河堡，位于德惠市城区段堤防，饮马河干流雾开河汇入口以下，河道凹岸处，主河道临近堤防，偏于不利考虑，选择该处溃口。另一个拟建在陈家崴子，位于德惠市农村段堤防，凹岸的迎流顶冲位置，堤防为砂基，堤内地势低洼，积水浸泡堤防，经常出现险情，偏于不利考虑，选择该处溃口。

(3)C区拟建2个溃口，一个拟建在赵家屯，另一个拟建在下洼子，二者均位于饮马河右岸九台空港新城区段河道右侧凹岸，此处有一小溪流汇入，受洪水冲刷易形成塌岸，威胁堤防安全。

(4)D区拟在饮马河右岸设置4个溃口，分别为莲花村溃口、明月楼溃口、五家子溃口、合发屯溃口。其中莲花村溃口位于老城区堤防，小南河汇入凹岸的迎流顶冲位置，且堤线与主流方向接近垂直，堤防为砂基，历史上出现过险工险情。明月楼溃口位于九台农村段堤防，河道凹岸处，经历洪水对堤岸的冲刷，水流对堤岸易产生淘刷，有溃堤危险。五家子溃口位于德惠市农村段堤防，凹岸的迎流顶冲位置，由于其附近有一拆除的五家子涵洞，且堤防为砂基，在堤内产生冲坑及管涌，易产生溃堤危险故选择该处溃口。合发屯溃口位于德惠市农村段堤防，饮马河干流伊通河汇入口以下河道凹岸处，考虑支流洪水汇入后易产生冲刷溃堤危险，故选择此处溃口。

(5)E区拟在农村段堤防设置2个溃口，分别为卧牛石丁字堤溃口和东排木涵洞溃口，位于饮马河干流伊通河汇入口以下河道凹岸处，由于其历史上出现溃坝决口，易发生溃堤危险，因此选择此处溃口。

2.6 计算方案及边界条件

2.6.1 计算方案

本次溃口宽度参考1985年堤防溃口的情况确定。根据调查了解，饮马河1985年洪峰流量为921 m3/s，相当于5年一遇洪水标准。干流堤防溃口宽度从40～200 m不等，一般溃口宽度在100 m以下，最大的溃口宽度达到200 m左右。本次溃口宽度的设置根据洪水量级情况，分别设置3个等级：①当发生20年一遇洪水时，各溃口宽度取50 m；②当发生50年一遇洪水时，各溃口宽度取100 m；③当发生100年一遇洪水时，各溃口宽度取200 m。根据计算分区、洪水量级和溃口分布，共设置计算方案 20 个。

2.6.2 边界条件

(1)一维水动力模型边界条件。由河网分布情况可知，以石头口门水库的设计放流过程作为模型的上边界条件，以饮马河河口水位-流量关系作为模型下边界条件，各支流汇入点的设计流量过程作为各区间来水的边界条件。边界入流及各区间汇流均按1953年典型洪水过程推算而得。上、下边界及区间来水边界情况见图5。

图5 边界条件示意图Fig.5 Schematic diagram of boundary conditions

(2)溃堤洪水模型边界条件。溃堤模型需要处理的边界条件为溃口形态的变化过程，采用预先制定的溃口形态变化过程结果。由溃堤洪水模型与一、二维水流模型进行联立求解，三者连接处的边界条件不需设定。

(3)二维水动力模型边界条件。堤防溃口处与溃堤模型连接，不需人工设定，其他堤防及各交通干线都只考虑漫溢，不考虑溃决。

3 洪水演进及结果分析

3.1 模型参数的选取及率定

一维河道模型参数的选取主要分为主槽和滩地，主槽糙率主要由河床组成、水流形态和岸壁特性三方面因素确定[18]。由于饮马河干流主槽河底底坡较均匀，石头口门水库上游段河床多为砾质粗砂、中砂，下游多为细砂、灰壤土，水流通畅且岸壁整齐，满足天然河道糙率表中单式断面第Ⅳ类，故主槽糙率值选用0.03。边滩糙率值主要由断面形态、床质和植被因素确定[18]，由于研究区两侧滩面宽阔平坦、土壤肥沃，多数被垦为良田，局部筑有民堤，局部河段形成阻水，满足滩地糙率表中第Ⅲ类特征，因此，边滩糙率值选用0.05。二维水动力模型参数主要为糙率、初始水深、干湿水深等[19]，淹没区下垫面类型及糙率的选取直接影响着洪水分析的结果。故本次依据研究区内土地类型对区域地物进行概化，将淹没区分为6种地表类型[10,20]，各类糙率值见表2。

表2 下垫面糙率表Tab.2 Roughness of underlying surface

在对模型进行率定的过程中，主要选取2010年汛期7月21日-9月7日实测洪水过程，来率定一维河道模型参数。为了保证模型的稳定性和在沿程水位精度计算上的准确性，将模型中的计算时间步长设置为30 s，河道断面最小间距设置为50 m，水位计算点的最小间距也设置为50 m。以石头口门水库实测放流过程和各支流实测流量过程作为饮马河的入流过程，通过调整饮马河的河床主槽及滩区的糙率参数，使德惠水文站的水位、流量与实测水位、实测流量在最大水平上达到吻合。模拟值与实测值对比成果见图6。当洪峰流量误差小于10%，水位误差小于20 cm时[21]，河道参数取值比较合理。将率定后的河道糙率分布对1973年洪水进行验证，德惠站的计算与实测结果如图7所示，由图7可见，洪水的涨落趋势与实测数据拟合较好，流量过程误差小于10%。验证结果符合要求。

图6 德惠站模拟流量、水位与实测流量、水位过程对比图(2010年)Fig.6 Comparison between simulated flow (water level) and measured flow (water level) of Dehui station (2010)

图7 德惠站模拟流量与实测流量过程对比图(1973年)Fig.7 Comparison between simulated flow and measured flow of Dehui station (1973)

3.2 洪水演进

由于饮马河设置的溃口较多，且不同溃口在溃决后的淹没过程具有较大差异，本次仅以饮马河干流发生50年一遇洪水，各支流按相应洪水组合为例，进行洪水演进，并分析其淹没情况。

饮马河农村段堤防五家子溃口在发生溃决1 h后，保护区淹没面积为0.63 km2；溃决发生3 h后，淹没面积为3.24 km2；溃决发生8 h后，淹没面积为8.97 km2；溃决发生1 d后，洪水受到高速公路G1和长图线的限制，在高速公路和铁路中间的地带向下游演进，淹没面积为19.17 km2；溃决发生3 d后，洪水穿过高速公路G1向下游演进，淹没面积为47.45 km2；溃决发生8 d后，洪水穿过高速铁路向下游演进，淹没面积为108.48 km2。整个溃决分洪过程中，受到铁路、道路以及高地势的阻水作用，洪水始终沿着铁路和堤防中间的地带向下游演进，随着淹没水深的增大，直到淹没铁路及道路后向下游演进。从不同时刻的淹没水深及分布情况，可以看出模型模拟的结果符合由高向低的水流走势，同时也能看出阻水建筑物对洪水演进具有一定影响。

3.3 洪水影响分析

针对本次洪水风险图20个计算方案及11个溃口的社会经济情况，对饮马河(石头口门水库坝址以下)防洪保护区进行灾情统计分析，主要包括淹没面积、淹没房屋面积、受影响公路、铁路、人口以及GDP等方面。洪水影响图见图8，统计成果见表3。

图8 饮马河干流洪水影响图Fig.8 Flood impact map of main stream of Yinma River

表3 饮马河洪水影响分析成果表Tab.3 Analysis of flood impact of Yinma River

4 结论与建议

本次中小河流洪水风险分析能够很好地基于MIKE模型演示洪水在时空上的变化过程，模拟洪水演进过程。这不仅为日后中小河流洪水预报奠定了基础，同时也为洪水风险图的绘制提供了指导作用。就计算成果来看，饮马河两岸淹没面积大，受灾损失较为严重，因此，在避险转移方面，应着重做好防范措施，减少人员伤亡和财产损失。

此外。在研究过程中仍存在不足，饮马河石头口门水库坝址以下到河口，有若干条支流汇入，本次计算只考虑相对较大支流汇入，实际水系水流情况复杂。后续研究应增加实地调研，定期收集水文数据、水力特性数据和洪灾损失调查，积累大量基础资料。在进行二维水流计算时，网格大小的设定对计算结果及精度具有显著影响，网格剖分越小，计算精度越高，但同时也会降低运算软件的运行速度，所以在后续的研究中对网格的剖分应做到更加细致，使结果更精确。

□