基于MIKE FLOOD模型的中順大圍洪水風險研究

朱婷　王鑫

摘要：采用MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動態耦合MIKE FLOOD水動力學模型，構建中順大圍洪水風險圖計算模型，分析計算各種不同來水條件下，典型潰口發生潰堤后的洪水傳播過程，分析淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等主要特征參數，為中山市、順德區中順大圍保護區內防洪決策、避洪轉移等提供技術支持。

關鍵詞：中順大圍；洪水風險；模型

中圖分類號：TV122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0071-04

1 中順大圍概況

1.1 地形地貌與河流水系

中順大圍位于珠江三角洲下游，地跨中山市西北部和佛山市順德區，是廣東省五大聯圍之一，圍內集水面積779km²。圍內地形北窄南寬，東西兩側水道環繞，南部依靠五桂山脈。中順大圍地質構造體系屬于華南褶皺束的粵中凹陷。圍內北部為沖積平原，地勢平坦，地面高程在0.2～2.7m之間，河網密布；南部則以低山、丘陵和臺地為主，最高山峰為五桂山531m。

中順大圍上游西江干流在天河附近分為東海水道和主流西海水道，分別流向大圍東側和西側。圍內北部平原水道縱橫，網河密布，主要河涌有二十余條，鳧洲水道、橫琴海和拱北河自北向南縱貫大圍北部平原區，上接鳧洲河水閘，下通拱北水閘，是北部平原內洪的主要排洪水道，隨著經濟發展，橫琴海下游、拱北河上游的橫欄鎮內部分河段被人為封堵，致使北部平原區洪水改道經北部排水渠、東部排水渠、瀝心涌、淺水湖和中部排水渠、獅浯河、西部排水渠等河涌向南排入石岐河。

1.2 社會經濟

中順大圍捍衛順德區均安鎮，中山市小欖、東升、港口、古鎮、橫欄、大涌、沙溪、板芙、神灣鎮，以及石岐區、南區、東區、西區、火炬開發區共15個鎮區，是珠江三角洲的富裕地區。中順大圍也是中山市的政治、文化和經濟中心。圍內農業以稻谷、蠶桑、塘魚、甘蔗為主；工業種類頗多，有機械制造、紡織、化工、建材等20多個行業。

中順大圍2012年常住人口186萬人，圍內生產總值1669.5億元，其中第一產業增加值29.4億元，第二產業增加值858.7億元，第三產業增加值679億元，產業結構比例為1.76：51.44：40.67。

2 模型構建

2.1 模型構建思路及建模范圍

中順大圍防洪保護區洪水分析模型選用MIKE模型系列，采用MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動態耦合FLOOD水動力學模型，進行防洪保護區洪水分析，其中MIKE11主要應用于模擬防洪保護區圍外珠江三角洲河網的洪、潮水傳播，MIKE21主要用于模擬防洪保護區內潰堤洪水和暴雨內澇洪水的傳播，采用MIKE11的dambreak模塊模擬堤防潰決過程及潰堤水位流量過程。

一維模型的計算范圍包括上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、東江控制站博羅站，下游虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞鳴門、虎跳門和崖門八大口門。二維模型的計算為中順大圍范圍。

2.2 模型架構

2.2.1 單一河道

單一河道采用一維明渠非恒定流Saint-Venant方程來解，包括連續方程和動量方程：

式中，x，t表示空間坐標和時間坐標；Q、h為斷面流量和水位；A、bs、R分別為斷面過水面積、斷面寬度和水力半徑；g為重力加速度；q為單位河長的旁側人流量；C為謝才系數；α為垂向速度分布系數。

MIKE11采用六點中心隱式差分格式（Abbott Scheme）求解Saint-Venant方程組，數值計算采用傳統的“追趕法”，即“雙掃”算法。

2.2.2 河網求解

河網是通過汊點連接起來的，按照分級解法的思想，只要解出汊點上的未知量即可求解整個河網，用有限差分法近似表示汊點的連續方程為：

H為實際汊點的水位；H_A，us為支流A的末端水位；H_B，us為支流B的末端水位；H_C，us為支流c的末端水位。

與式（2-4）類似，則N個方程含有N個未知數（N是汊點數）。方程中每個汊點的水位變成了直接相鄰汊點水位的線性函數。同樣可以用標準的高斯消元法對汊點矩陣求解，解出汊點上n+1時刻的水位，然后解出各河段各斷面上的水位和流量。

2.2.3 二維洪泛區計算

平面二維水流基本方程包括水流連續方程和水流運動方程：

其中，h為水深；u和v是x和y方向的流速，M=uh，N=vh；zb為河床高程，n為Manning糙率系數；r₁為紊動粘性系數。方程離散時空間采用有限體積法，運用守恒格式對水流連續方程進行離散，保證計算域內水量守恒，時間采用蛙跳法，計算物理量使用交錯網格。方程離散后形式為：

水流連續連續方程為：

水流方程在x和y方向進行離散后，結合初邊界條件即可進行計算。

2.2.4 潰壩模塊

MIKE11 DB潰壩模塊包括采用能量方程求解模塊和美國國家氣象局的潰壩洪水預報模型DAMBRK模型。該模型由兩部分組成：①堤防潰口形態描述。用于確定堤防潰口形態隨時間的變化，包括潰口底寬、潰口頂寬、潰口邊坡及潰決歷時；②堤防潰口流量的計算。

2.2.4.1 潰口形態的描述

目前對于實際的潰壩機理還不是很清楚，因此潰口形態主要通過近似假設來確定。考慮到模型的直觀性、通用性和適應性，一般假定潰口發生時由一個特定形狀的初始狀態開始，在潰決歷時內，按線性比率擴大，直至形成最終底寬。若潰決歷時小于10分鐘，則潰口底部不是從一點開始，而是由沖蝕直接形成最終底寬。潰口形態描述主要由四個參數確定：潰決歷時（τ），潰口最終底部高程（h_b），潰口邊坡（S），潰口底寬（b）。由潰決歷時可以確定堤防潰決是瞬時潰還是漸潰；由后面三個參數來確定潰口斷面形態的形狀及是局部潰還是全潰等。

2.2.4.2 潰口下泄流量計算

堤防潰口形狀如圖2所示，壩體潰口下泄流量由堰流公式計算：

其中：b：潰口底寬（三角形潰口底寬b=0）；g：重力加速度；h：堤前河道水位；h_b：潰口底部高程；s：潰口邊坡系數；c_weir：水平部分堰流系數，一般取0.546430；c_slope：斜坡部分堰流系數，一般取0.431856；c_v：行進流速修正系數，；b_d為潰口河道水面寬度，h_bm為最終潰口底高程；k_s：淹沒損失修正系數。

式中，h_ds為尾水位（壩下游水位）。

2.3 模型網格剖分

采用非結構三角網格對中順大圍防洪保護區進行剖分，網格劃分按照網格最大面積不大于0.1km²設定，中山市城區將網格適當加密，按不大于0.05km²設定。內堤、高山邊界、內河湖邊界、離地較高線狀物沿線兩側網格適當加密，對高山區域內部網格可適當加大。對計算區域內明顯影響洪水演進的構筑物，如公路、鐵路、河渠等線狀地物，采用局部地形調整法進行概化，對于橋梁、村鎮等點狀或面狀構筑物，靈活采用局部地形調整法和局部糙率調整法進行概化。

鳧洲河和石歧河為區域內最大的兩條河，其余還有20余條河涌對行洪排澇均有較大影響。綜合考慮河道概化和計算效率，鳧洲河和石歧河通過對河道地形采用加密網格進行剖分，其余較大的河涌則按照河道中心線走向剖分網格，并對河道中心線所在網格節點高程進行局部調整。根據現場調研，中順大圍沒有鐵路，城際軌道采用高架橋形式貫穿，主要道路基本與地面齊平或不超過地面高程0.5m，因此網格剖分不進行特殊處理，僅考慮在該區域適當增加糙率系數。

中順大圍面積779km²，本次非結構網格數共計41729個，平均每個三角形網格的面積不到0.02km²。

2.4 模型參數選取和率定

2.4.1 一維水動力學模型參數選取與率定

（1）率定水文條件。考慮地形及水文資料的實際條件，選取“08.6”洪水對珠江三角洲一維數學模型進行率定。“08.6”洪水：2008年6月西江中、上游發生約5年一遇的洪水，中、下游梧州、高要水文站發生超10年一遇的大洪水，馬口站發生超20年一遇的大洪水。

（2）率定站點。珠江三角洲主要水文站點僅有馬口、三水兩站，另外有珠江三角洲主要漢口以及中順大圍附近的水位站22個，率定驗證以水位為主。

（3）率定結果。圖3為“08.6”洪水條件下部分站點模型計算結果與實測數據的比較，從計算結果來看，模型能夠較好地模擬三角洲復雜水網在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量計算值與實測值吻合良好，能基本滿足模型驗證要求，表明模型能正確反映網河水位及流量的空間分布特性。同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位關系計算與實測同步性也很好，再現了網河各站水位流量時間上的變化特征。

2.4.2 二維水動力學模型參數選取與率定

珠江三角洲近年來較少發生潰堤事件，較為嚴重的一次為樵桑聯圍于1998年6月29日發生的荷村水閘潰堤，決口總長93m，最大落差7m，最大流速4.5m/s，最大流量1700m³/s。決堤淹沒面積12.47萬畝，受災人口11.94萬人。中順大圍未發生較嚴重的潰堤事件。根據《洪水風險圖編制技術細則》和《水力計算手冊》，參考樵桑聯圍洪水分析的糙率參數取值，按下墊面情況選取糙率參數。

2.5 模型驗證

2.5.1 驗證的水文條件

考慮地形及水文資料的實際條件，選取“05.6”洪水對珠江三角洲一維數學模型進行驗證。

“05.6”洪水：2005年6月17日至25日，西江中下游發生了超100年一遇特大洪水，北江出現約10年一遇的洪水，東江發生近20年來最大的一次洪水，西、北江洪水進人珠江三角洲、恰逢19年來最大天文大潮，珠江三角洲也發生了特大洪水。

2.5.2 驗證結果

圖4為“05.6”洪水水文條件下部分站點模型計算結果與實測數據的比較，從計算結果來看，系統模型能夠良好地模擬三角洲復雜水網在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量計算值與實測值吻合良好，能基本滿足模型驗證要求，表明模型能正確反映網河水位及流量的空間分布特性。同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位關系計算與實測同步性也很好，再現了網河各站水位流量時間上的變化特征。

3 典型潰口計算成果

利用以上模型搭建中順大圍洪水風險圖計算模，計算七浯典型潰口在西北江50年一遇洪水工況下受災情況，方案以外洪為主，思賢？（馬口+三水）50年一遇設計洪水遭遇多年平均高潮位及2年一遇最大24小時設計暴雨，七？險段出現潰口的工況，見圖5。

此時，圍內石岐河以北大部分區域受淹，其中淹沒水深達3m以上的面積有36km2，主要位于潰口附近的均安鎮南浦村、沙浦村和太平村；淹沒水深達2-3m的面積有62km²，主要位于均安鎮的星槎村、南浦村南部及太平村西北部；淹沒水深達1～2m的面積有185km²，主要位于中山市均安鎮南部，古鎮中部、橫欄鎮、西區街道、港口鎮，東升鎮東部、板芙鎮和西區；淹沒水深達0.5-1m的面積有93km²，主要位于中山市古鎮南部、小欖鎮、東升鎮西北部；淹沒水深小于0.5m的面積有102.4km²，主要位于中山市石岐河以北高地及石岐河以南區域。

洪水由七？潰口入侵中順大圍，洪水前鋒到達時間受圍內區域與潰口的距離和圍內地勢影響，其中潰口后3h內洪水到達潰口附近的均安鎮北部及鳧洲河兩側低洼地帶，洪水前鋒到達的區域面積為22km²；6h時洪水到達均安鎮鳧洲河右岸陸地，增加淹沒區域24km²；24h內到達的地區包括小欖鎮、古鎮鎮、東升鎮、橫欄鎮及沙溪鎮北部區域，增加淹沒區域170km²；48h時蔓延至港口鎮、板芙鎮，增加淹沒區域181km²；圍內其他區域洪水前鋒到達時間超過48h，其面積為382km²。

最大洪水流速隨著與潰口的距離的增大而減小，潰口附近均安鎮局部區域最大洪水流速高于1m/s，面積為6km²；均安鎮北部低洼區域0.5-1m/s，面積為29km²；均安鎮東南部區域最大洪水流速為0.3-0.5m/s，面積為50km²；中順大圍中部古鎮、小欖、橫欄、東升、港口、西區街道區域最大洪水流速為0.1-0.3m/s，面積為239km²；其他區域最大流速小于0.1 m/s，面積為454km²。

4 結論

利用MIKE FLOOD模型，構建中順大圍洪水風險圖計算模型，分析計算各種不同來水條件下，各典型潰口發生潰堤后的洪水傳播過程，編制中順大圍防護保護區洪水風險圖，分析淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等主要特征參數，初步實現洪水風險圖在土地管理、防汛指揮、避險轉移、增強全民水患意識和洪水影響評價等領域的應用，為中山市、順德區中順大圍保護區內防洪決策、避洪轉移等提供技術支持。