双溪口水库下游防洪风险分析

但灵芝，杨益青

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

近年来，极端天气频发，2021年“烟花”台风期间，恰逢天文大潮，甬江流域遭遇“风、暴、潮、洪四碰头”，上游水库在连日的降雨中逐渐蓄满并超历史极值，为了保证水库的安全运行，在危机时刻超下游河道安全流量泄洪，导致水库下游受灾严重。为确保水库安全度汛，本文以双溪口水库为例，考虑地形、道路、河道等对洪水演进的影响，通过建立双溪口水库下游区间内一二维水动力学模型，利用MIKE FLOOD进行耦合计算，分析双溪口水库不同泄洪标准下水库下泄洪水演进过程，分析具有防洪任务的大中型水库超下游河道安全流量时淹没风险，进一步提升水库超标准洪水应对能力，也为水库防洪减灾决策提供技术支撑。

1 工程概况

双溪口水库位于浙江省余姚市大隐镇章山村，距大隐镇3.0km，距余姚市城区22km，距宁波市区17km。水库集水面积40.01km2，流域平均海拔307.90m(国家85高程基准，下同)。水库正常蓄水位65.3m，蓄水量2873万m3，设计洪水标准为100年一遇，相应设计洪水位68.04m，校核洪水标准为2000年一遇，相应校核洪水位69.21m，水库总库容为3398万m3，是一座以供水、防洪为主，结合灌溉等功能综合利用的中型水库。水库防洪直接保护大隐镇及杭甬高速公路等重要基础设施安全，间接保护宁波市区。

2 淹没风险分析

2.1 模型范围确定

双溪口水库坝址以上集雨面积40.01km2，下游地区的入流洪水主要由双溪口水库的泄洪流量以及区间来水组成。考虑到整个流域连通性，本次计算范围将拓展到双溪口水库下游隐溪河出口断面以上区域，面积共计约62.97km2，绘制淹没范围面积约5.92km2。

2.2 模型原理

根据双溪口水库坝址以下至姚江河段的河道地形特点，拟采用一维模型与二维模型耦合的方式建立洪水演进数值模拟模型。用一维模型模拟河道、二维模型模拟滩地，没有修建防洪工程的用侧向耦合，已经建有防洪工程的在分析调查可能溃口位置处设置耦合点，当水位超过一定高程后，洪水通过耦合点进入二维区域；由产汇流模型根据降雨及下垫面条件提供流量上边界，由实测或设计外海潮位过程提供流域排水下边界，以一维水动力模型模拟河道；漫堤洪水在平原上的演进采用二维水动力模型，进行网格淹没分析与展示；一维模型和二维模型之间的水量交互通过在过渡面处虚设宽顶堰的方式进行处理，过闸流量采用宽顶堰淹没出流公式，将一二维耦合的复杂问题概化为堰流模型方便的进行计算[1-2]。

2.2.1一维模型

一维非恒定流数学模型基本方程为圣维南方程组：

(1)

(2)

式中，x、t—距离和时间的坐标；A—过水断面面积；Q—流量；h—水位；q—旁侧入流流量；C—谢才系数；R—水力半径；α—动量校正系数；g—重力加速度。

2.2.2二维模型

(1)控制方程[3-4]

水流连续方程：

(3)

水流运动方程：

(4)

(5)

式中，H=h+ζ—垂线水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂线平均流速分量；ε—紊动运动粘性系数；n—糙率系数。

(2)边界条件

①固壁边界

利用岸壁法，取法向不可入条件，即法向流速为零。

Vn=V·n=0

(6)

②开边界

可采用边界水(潮)位过程或流速过程，即按边界网格线方向，求得流速分量u和v，然后再纳入过程计算。

③动边界

模型区域内边滩随着水位涨落，存在淹没和露滩交替的现象，具有可移动边界的特点，为保证模型计算的连续性，采用干湿判别确定计算区域由于水位变化产生的动边界，干水深(drying depth)取0.005m、洪水深(flooding depth)取0.05m、湿水深(wetting depth)取0.1m。

2.2.3一、二维耦合模型

本次一、二维模型耦合计算采用MIKE FLOOD模块计算[5-7]，MIKE FLOOD通过建立一维模型与二维模型之间的连接，实现一、二维模型的耦合。模型总共有6种不同的连接形式，本次计算将采用其中的侧向连接形式，如图1所示。侧向连接允许MIKE 21的网格从侧面连接到MIKE 11的部分河道，甚至是整个河道。利用结构物流量公式来计算通过侧向连接的水流，用侧向连接来模拟水从河道漫流到洪泛区的运动是非常有效的。本次计算中，一二维连接处采用宽顶堰淹没出流公式计算河道漫流，堰顶高程采用一维河道堤顶高程与二维网格底高程中的较大者。流量系数根据本流域现有闸坝资料选取。过闸流量确定之后，对于一维河道来说，一二维交互问题转化为旁侧入流的问题，而对于二维河网来说，该问题转化为外部有流量边界的问题，均可以根据之前建立的考虑旁侧入流或外部流量边界条件的模型进行求解。

图1 MIKE FLOOD侧向连接示意图

2.2.4边界条件

(1)初始条件

对于建模的给定的计算区域，给定水位和流速初始值。

(2)边界条件

一维模型上边界为进口开边界处的水位过程，下边界为出口开边界的水位过程。二维模型上下开边界条件由一维模型提供。

2.3 河道断面设置与网格划分

本文采用动态耦合的一二维洪水模型，通过构建水库下游河流水系模型(MIKE11)、水库下游二维地形模型(MIKE21)，利用MIKE FLOOD模型平台进行耦合，分析5、10、20、50、100年一遇降雨下水库下游淹没范围、淹没深度，从而提出相应的避洪转移措施。

2.3.1断面概化

(1)断面间距：考虑不同河段的断面变化程度，一般设置断面间距300m，对变化剧烈的河段加密设置断面。

(2)断面形式：采用起点距-高程形式的大断面资料，或采用梯形、复式断面等概化后的规则断面。

(3)断面个数：模型采用2022年6月实测隐溪河及支流河道断面资料，共布置68个断面，如图2所示。

图2 双溪口水库下游河道及断面概化图

2.3.2网格概化

本次建立的二维水动力数学模型，为了较好反映水库下游地形，满足精度要求，采用非结构网格，宽度为30～40m，重点区域如水深编号较大及边界形态变化较大的地方网格进行局部加密，宽度为10～20m。共搭建网格数量10328个，如图3所示。

图3 水库下游区域网格概化

2.3.3地形概化

本次收集到大隐镇1∶2000地形图和DEM数据，其中DEM高程密度30m以内，为尽量提高计算精度，本文通过ARCGIS将DEM数据作为网格高程插值的基础数据，导出最高精度的离散高程点，共5.92万个。

2.3.4边界条件

考虑到双溪口水库所处流域流量测站少，雨量测站多的实际情况，本次由各产流分区暴雨过程推算其流量或净雨过程。水库出流根据各方案下水库拟定的防洪调度规则进行调洪演算，然后通过河道洪水演算至坝址处，各洪水标准流量过程作为一维计算的入流边界条件，区间洪水以点源或点汇输入，下边界为各洪水标准下姚江水位过程，偏安全考虑，取偏不利的多年平均最高潮位潮型，进行缩放作为各标准下设计水位过程；二维模型上下边界条件由一维模型提供，见表1。

表1 各方案边界条件

2.3.5参数率定

本文主要河道的糙率根据实测的河道水位、流量资料进行率定取值。山区河道糙率一般取0.028～0.045，其中主槽糙率0.028～0.035，边滩糙率0.035～0.045。网格糙率根据土地类型的不同，利用ARCGIS的空间分析功能，将不同下垫面的糙率复制到网格点，见表2。

表2 网格糙率取值表

2.4 影响分析

各方案下计算范围内平均淹没水深及各方案下淹没情况见表3，根据计算结果，5年一遇淹没总面积0.37km2，主要涉及大隐村及民乐村，淹没范围内主要为村庄低洼处房屋；10年一遇淹没总面积0.91km2，主要为滨溪社区、大隐村及民乐村，淹没范围内主要为下游农田以及少部分村庄内低洼地区；20年一遇淹没总面积1.44km2，主要为滨溪社区、学士桥村、大隐村及民乐村，淹没范围内主要为下游农田以及少部分村庄内低洼地区；50年一遇淹没总面积1.74km2，主要为滨溪社区、学士桥村、大隐村及民乐村，淹没范围内主要为下游农田以及村庄内低洼地区；100年一遇淹没总面积1.93km2，主要为滨溪社区、学士桥村、大隐村及民乐村，淹没范围内主要为下游农田以及村庄内低洼地区。

表3 淹没情况统计表

3 结语

为科学分析水库下游防洪风险，本文采用一二维耦合模型对双溪口水库进行洪水影响分析，根据模型计算结果，当发生非超标准洪水时，淹没范围大多为农田低洼处，当发生超标准洪水时，村庄低洼处开始受淹。淹没影响对象涉及大隐镇和高桥镇，主要为滨溪社区、学士桥村、大隐村及民乐村。因此，当超标准洪水发生时，水库应采取相应措施，以防止水库上游洪水对于下游平原的侵袭，减轻下游平原的受灾程度。

由于本文只对水库下游淹没范围及淹没水深进行了统计分析，对于水库下游淹没损失还未进行定量评估，在后续研究中还需进一步分析。