區域洪水風險管理模型及其應用

厲 凱,王澤民,唐斌斌,趙 俊,王 盼

(揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

從全球范圍來看，許多地區都受到由降雨、融雪、徑流等復雜因素相互作用引起的洪水災害影響[1]。在大洪水期間，河岸周邊的洪泛區通常是受到影響的主要區域[2]，該區域的洪水泛濫有可能會導致人身和財產的重大損失[3]。河流周邊洪泛區需要高空間分辨率的模型才能進行精確模擬，這一特征使得傳統水力模型應用困難[4]。為了準確、全面地解決這一問題，本文引入MSN_Flood系統，通過將嵌套邊界作為內部計算邊界來模擬實際情況。在構造嵌套系統時，最重要的部分是邊界處理。此外，為了計算效率，要求當上游河流沒有淹沒時，邊界寬度較小，而在淹沒期間，邊界寬度增加，跨越嵌套邊界的流動不必垂直于邊界，故水流可以沿MSN_Flood邊界進行再循環流動，從而解決現實和復雜的水力條件模擬問題。本文將其應用于洑西河宜興市河段的洪量模擬，并將模擬結果與實測數據進行對比分析。

1 研究區概況

宜興市地處經濟發達的長江三角洲地區，位于江、浙、皖三省結合部，隸屬江蘇省無錫市，其南部和西南部分別與浙江長興、安徽廣德毗鄰，西鄰溧陽，北接金壇和常州市武進區，位于北緯31°07′～31°37′、東經119°31′～120°03′，全市國土總面積為1996.6 km2。洑西河位于江蘇省宜興市，屬太湖流域的蠡河水系。洑西河自上游東省莊水庫(1973年竣工，集水面積3.2 km2，總庫容14.3萬m3)，向東流匯入湖父大河，是宜興市一條重要的排水河道。河道沿線保護人口20.63萬人，保護農田6380 hm2。

2 研究方法

MSN_Flood的工作原理是在空間粗糙網格(父網格)和嵌套在父網格內的高分辨率網格(子網格)之間進行多級嵌套。該模型使用交替方向半隱式有限差分格式對所有水力參數進行計算。設計了四個嵌套層次用于測試MSN_Flood，以9∶1的嵌套比例獲得了最好的結果。MSN_Flood在嵌套界面包含一個移動邊界，邊界的寬度可以根據溢流階段而變化。嵌套建模系統的父網格和子網格之間的質量和動量守恒對建模精度至關重要。其中子網格邊界處的入射通量守恒是最重要的部分，在通量向內傳播期間，邊界數據對內部解的影響最大。引入了一種新的邊界形成方法，減少了邊界形成誤差，從而確保了進入子網格的質量和動量通量的高度守恒。

本文在MSN_Flood的研究中，在實際嵌套邊界之外建立了重影單元，沿著內部的粗糙網格模型進行計算沿著嵌套邊界的動量方程中的所有參數。這種方法可以保存嵌套邊界上的動量。圖1為在MSN_Flood孤行的邊界配置。

圖1 MSN_Flood中所使用的邊界配置

3 案例研究

使用普林斯頓模型(POM)[5]，為研究區的MSN_Flood 模型提供邊界條件，通過嵌套，以90 m、30 m、6 m和2 m的空間分辨率解決了該區域的水動力學問題。將由模型產生的聯合水位在空間和時間維度上插值，并在每個模型時間步長被輸入進MSN_Flood模型。在第一級，將粗略父網格的水面高度、速度和速度梯度在空間維度中插值，提供更精細子網格的邊界數據。隨后，每個子網格分辨率提高，用于替代父網格。

以90 m的網格間距和18 s的時間步長(PG90模型)解決了整個區域的水動力學問題。PG90模型中嵌入的第一級嵌套模型CG30模型以3∶1的嵌套比例縮小了區域，并以30 m的網格間距和6 s的時間步長計算流體力學參數。在嵌套比為5∶1的情況下，CG30模型為CG06模型的東邊界提供了6 m網格間距的邊界條件，這將區域縮小到河床及其河口范圍；CG06模型的時間步長為0.6 s。圖2為上游邊界的流量過程線。

圖2 宜興上游水文站2019年11月19日和20日的流量數據

空間分辨率最高的是網格間距為2 m的CG02模型。它以3∶1的嵌套比例完全嵌入到CG06模型中。該模型解決了李河下游及其洪泛區的水動力學問題。區域地形由2 m分辨率的光探測和測距數據構建而成。數據由數字表面模型和數字地形模型(DTM)組成，生成了圖3所示的洪泛區地形。

圖3 洪泛區地形

3.1 模型驗證

綜上所述，所有的主要邊界條件都是可用的，并且有實際來洪最高水位的記錄。對MSN_Flood模型評估包括根據洪水的實測數據對CG06和超高分辨率CG02洪水模型進行模型精度驗證。洪水后，在CG06和CG02模型共同的淹沒區上的45個測量點收集高水位數據,如圖4所示。

圖4 測量高水位的位置

在圖4所示位置測量得到的高水位數據用于驗證模型。在驗證期間，將模型后推洪水水位與洪水水位記錄進行比較。出于分析目的，將它們分為五個位置：完整的區域、上洪泛區、河道、下泛洪區和城市中心。表1給出了觀察數據和模型后推法之間的比較結果。

表1 觀察數據和模型后推法之間的比較

表1所示的結果表明，該模型在整個區域的所有45個測點的平均水位差為0.060 m。這些差異受上游農村洪泛區結果的影響，沒有到受下游城市洪泛區結果的影響，即上部洪泛區的洪水模擬是用低分辨率的CG06模型來模擬的，而城市洪泛區的洪水模擬是用CG02模型來模擬的。圖5沿CG06模型河道和實際觀測值的比對情況。其擬合情況說明整個模型區域的高度一致性。圖6為模型后推法和觀測數據的比較圖。從圖5和圖6中可以看出，MSN_Flood在模擬洪水最大水位時具有高精度。

圖5 沿CG06模型河道和實際觀測值的水位比對

圖6 模型后推法和觀測數據的比較

3.2 洪水泛濫的演變過程

當極高的洪水流量(1000年一遇)與高水位同時作用時，應該采用高度復雜的界面，即2 m超高分辨率MSN_Flood網格模型。在河流處于正常水流條件時，河水完全被控制在主河道內，圖7所示，沿著該邊界模型的橫截面，模型將主河道和側河道分開，形成多段、非連續的嵌套邊界。在圖7中，4 h指洪水事件早期的河道情況，此時水被控制在主河道內。其余時間表示洪水不同階段的水位；這些水位的時間進程說明了此邊界是如何橫向擴展的。

圖7 主河道西部邊界模型和水位

隨著洪水在西部邊界上漲，河道寬度增加。圖8為在洪水持續期間，邊界不同部分(A、B、C和D)水位上升和下降的過程。邊界動態一個特別重要的特征是跨越嵌套邊界的水位的顯著梯度，尤其是D段和其他段之間的水位梯度變化。還可以看出，在洪水階段，梯度隨時間迅速變化。圖8為西部邊界水位程隨時間的發展過程。

圖8 西部邊界水位隨時間的發展

使用CG06模型進行了后驗分析。圖9為事件開始和結束時，由CG06模型模擬的上游農村和下游城市洪泛區的淹沒范圍。圖9(a)表示模型從宜興市的東部邊界延伸，從這個邊界向西，河口變窄，直到市中心，河道分叉成圍繞城市的南北河道。在城市的西部，河道在一個大堰的下游重新匯合。在這次洪水中，洪水造成堰被完全淹沒，導致復雜的回水效應。如圖9(a)所示，在正常水流條件下，堰以西的水流被限制在其兩岸內。圖9(b)顯示了洪水結束時的淹沒程度。很明顯上游河流決堤，淹沒了大面積的城市區域。

圖9 上下游洪水泛濫的進程

通過對CG02模型結果分析，對市區進行了更深入的淹沒評估，該模型模擬了洪水開始和結束時的淹沒情況，如圖10所示。圖10(a)是早期大部分水流被控制在河道內時的淹沒圖。圖10(b)為市區最終淹沒的高分辨率地圖。

圖10 市區洪水泛濫進展

很明顯，在主要河道中產生了更大的水深，大部分城市洪泛區，尤其是城市西部被淹沒。圖9和圖10表明MSN_Flood模型真實地模擬了洪水波傳到農村和城市的過程。洪水會給受災地區帶來巨大的經濟和社會影響。

4 結 論

洪水模擬系統能夠在與水流特征相稱的尺度上解決水動力學問題。多尺度數值模擬中的嵌套子模型足以解決嵌套域尺度的動態模擬問題。本研究最重要的一個結論是MSN_Flood模型能使嵌套域的邊界位于洪泛區域上，這種橫向移動的邊界可以在區域的任何地方定位嵌套子域，從而降低計算量。2 m分辨率的城市洪水模型準確再現了上游農村洪泛區和下游城市的洪水淹沒情況，高分辨率激光雷達地形數據對于準確評估淹沒至關重要。然而，需要對數據集進行后處理，以校正某些表面物體(如樹木和樹籬)的存在與否，避免這些物體由于遮蓋而對流場產生影響。

在研究中，通過對洪水傳播的詳細時間和空間進行分析，演示了數值模型如何模擬洪水波運動及其影響的過程。這可以應用于識別未來洪水易發區、洪水風險時間、淹沒范圍和洪水高度，從而進一步提升洪水管理工作的質量，識別淹沒范圍和程度可以便于及時制定計劃，應用于洪水后的救援行動中。