基于一二維耦合水動力模型的海游溪流域洪水風險研究

占 亮，鄒天遠，葉昕瀅

（1.浙江省臺州市三門縣水利局，浙江 三門 317100；2.航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100195）

0 引言

從自然災害發生的時空強度以及對人類生存與發展的威脅程度而言，洪水災害一直位居各種自然災害之首[1]。洪水風險評估作為一種重要的非工程減災措施，可廣泛應用于洪泛區管理、防洪規劃與應急決策、災情評估、居民避險、土地利用開發、災害保險、公共減災對策以及災害教育與宣傳[2-3]。目前，我國防汛工作正逐步從“控制洪水”向“洪水管理”轉變，即通過洪水風險分析，建立風險管理制度[4]。這是開展洪水風險管理的重要基礎支撐，是國家的一項基礎性、前瞻性、戰略性工作[5]。

沿海地區由于低山丘陵地區的地形地貌和季風濕潤的水文氣象特征，洪、澇、臺災害頻發，災害損失十分嚴重。與內陸流域相比，沿海地區臺風暴雨天氣發生更加頻發，下游潮水頂托也進一步加劇洪災影響。因此，需采用科學合理的方法對沿海流域洪水風險進行分析和評估，進而因地制宜采取減災對策，協調人水關系，保障社會安定和國民經濟的持續穩定發展。洪水風險評估一般是通過編制洪水風險圖進行，通過構建一維或多維數學模型對洪水過程進行模擬演算，以獲得洪澇的時空分布特征值。本文以浙江省臺州市海游溪流域為例，采用MIKE FLOOD 構建海游溪一二維耦合水動力模型，模擬極端洪水（P=1%）條件下流域內洪水淹沒情況，分析評估洪災風險。

1 研究區域概況

海游溪流域位于浙江省臺州市東北部沿海地區，流域面積461.2 km2，干流河長42.9 km，起源于臨海市羊巖山，流入三門縣境內后與亭旁溪匯合，終點匯至出海口。干流分為上、下游兩段，上游段珠游溪長27.8 km，下游段海游港至出海口段河長為15.1 km，支流分別為吳岙溪、珠岙溪、亭旁溪。海游溪流域多年平均降水深1719.4 mm，多年平均徑流深1031.0 mm。流域降水時間分布不均勻，全年分兩個雨季，4 月～6 月為梅雨季節，7月～9 月為臺風暴雨期。

海游溪流域內現有中型水庫1 座、小（2）型水庫6 座，中型水庫為佃石水庫，庫容3009 萬m3，小（2）型水庫合計總庫容103.38 萬m3。流域內主要防洪設施是海游防洪大壩，長約7.8 km，保護區域為三門縣縣城區域。海游溪流域防洪體系初具成型，但現狀防洪地方仍存在過于低矮、標準較低的問題，區域內還未形成有效的防洪閉合區。

2 技術路線及方法

2.1 技術路線

本文研究技術路線是通過區域基本情況調查，獲取基礎數據，識別洪澇災害致災因子，建立MIKE FLOOD 一二維耦合模型，并對模型進行率定，對極端洪水情況進行模擬和分析，得出海游溪洪水風險情況，見圖1。

圖1 海游溪洪水風險評估技術路線圖

2.2 模型方法

（1）一維河道模型

MIKE11 水動力計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant 方程組來模擬河流或河口的水流狀態。一維非恒定流Saint-Venant 方程組：

式中：x、t 分別為計算點空間和時間的坐標；A 為過水斷面面積，m2；Q 為過流流量，m3/s；h 為水位，m；q 為旁側入流流量，m3/s；n 為河道糙率；R 為水力半徑，m；α 為動量校正系數；g 為重力加速度，m/s2。

方程組利用Abbott-Ionescu 六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網格點不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h 點和Q 點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

（2）二維地表模型

Mike21 采用二維非恒定流計算模塊的原理，基于二維不可壓縮流體雷諾平均應力方程，服從布辛涅斯克假設和靜水壓力假設。

式中：h 為水深，m；U 為x 方向的流速，m/s；V 為y 方向的流速，m/s；sx，sy為源項，m2/s2。

（3）一二維水動力模型耦合

一二維水動力模型耦合是通過側向連接進行，側向連接允許MIKE 21 的網格從側面連接到MIKE 11 的整個河道，利用結構物流量公式來計算通過側向連接的水流，用側向連接來模擬水從河道漫流到保護區的運動。

2.3 洪災影響分析方法

洪災影響分析主要包括淹沒范圍和各級淹沒水深區域內社會經濟指標的統計分析、洪災損失評估等，根據洪水風險分析計算得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素和土地利用數據，結合研究區范的社會經濟情況（主要經濟指標包括GDP、耕地面積、省級以上公路里程；社會指標為人口），綜合分析評估洪水影響程度，包括淹沒范圍內不同淹沒水深區域內的人口、資產統計分析等，并評估洪水損失。

左達把那張拍賣推薦函挑出來，刷刷地簽好字，端詳一下，湊到嘴邊，吹口氣，在徐藝面前抖抖，然后，伸開兩只胳膊把面前的五十萬現鈔往徐藝面前一推，道：“這錢現在還是你老板張仲平的。我……不借了。”

本研究中損失率主要根據《三門縣水利志》歷史發生的水災，洪災發生后，調查收集各類承載體的災后價值，運用統計學方法，采用參數統計模型建立單項的洪水淹沒特性與洪災損失率的關系得到。

3 模型構建

3.1 建模范圍

對海游溪流域采用MIKE FLOOD 模型軟件進行一二維水動力模型構建，一維建模范圍為海游溪和支流亭旁溪、吳岙溪；為更好地分析洪水對人口聚居地的影響，二維建模范圍擴大至為三門縣全縣陸域范圍。

一維河道水動力模型以海游溪梅坑斷面、佃石水庫、吳岙溪源頭為上邊界，以海游溪水岙門大橋為下邊界，上邊界以流量過程線作為邊界條件，下邊界以潮位過程作為條件，河道每隔0.8 km 布置一個測量斷面。一維河道建模范圍及斷面布置見圖2。

圖2 一維河道建模范圍及斷面布置

二維地表水動力模型建模范圍為三門縣陸域范圍，共1072 km2，共剖分矩形網格40006 個，城區處網格進行加密處理，同時將構筑物的線狀圖層加入到網格生成器中作為內邊界。二維建模范圍及網格剖分結果見圖3。

圖3 二維建模范圍及網格剖分結果

圖4 一二維水動力模型耦合側向連接設置

3.2 邊界條件

模型邊界條件需根據研究區域洪澇災害致災因子確定。海游溪流域致災因子主要分為三類：上游河道洪水、區間暴雨和下游高潮位頂托。因此設置上邊界條件為海游溪上游梅坑洪水、亭旁溪上游佃石水庫泄洪放水、吳岙溪上游來水以及區間暴雨，下邊界設置為水岙門大橋處潮位過程。

3.3 模型參數選取與率定

一維河道水動力模型參數主要為河道糙率，由于海游溪流域內缺乏歷史洪水洪痕和水文測站實測資料，因此難以通過歷史洪水對模型參數進行率定。根據流域內已有規劃成果并結合鄰近流域相關資料，采用浙江省水利水電設計院的設計洪水代表站點成果進行模型率定，最大水位誤差為0.15 m，滿足模型精度要求。

確定河道糙率結果見表1。

表1 三門縣海游溪各河段糙率率定結果表

二維模型糙率以土地利用圖層為基礎，參考浙江省內其他地區洪水風險圖成果，按照樹叢、居民地、農田等不同類型，賦予網格相應的糙率，其中居民地取0.07～0.12，樹叢取0.065，旱田取0.06，水田取0.05，空地取0.035。

4 極端洪水事件情景模擬

4.1 極端洪水演進過程模擬

經計算，三門縣海游溪流域在目前的防洪體系下，當發生100年一遇的設計洪水時，淹沒面積達到1.35 km2，淹沒水深平均在0.5～2.0 m，范圍內受影響人口達到900 人。淹沒區域主要集中在海潤街道、海游街道和珠岙鎮，謝家、南岙、下洋、外俞等河道附近被淹沒，并且水岙門大橋處由于潮位影響隨漲落潮出現漫溢和退水情況。唯有亭旁溪上游由于佃石水庫的調洪作用，大大的削減了下游的洪峰，有效的保護了亭旁鎮鎮政府、火車站等區域。

三門縣上游下洋村、南岙村、謝家村和外俞處由于堤防建設不健全，常年發生洪水漫堤；中游縣城海潤街道和海游街道曾在1963年、1989年、1997年大洪水中發生潰堤淹沒，淹沒水深達2m～3 m。本次百年一遇極端洪水淹沒情景模擬結果與歷史洪災情況基本一致，具有一定的可靠性。

研究區域淹沒面積見表2。

表2 海游溪流域發生P=1%設計洪水漫溢方案不同水深等級淹沒面積分布

4.2 極端洪水事件洪災損失預測

由洪災損失評估結果（表3～表6）可知，淹沒家庭財產損失所占的比重最大；其次為居民房屋損失；第三產業損失所占比重較小。這主要是因為海游溪流域居民地主要集中分布在海游溪、亭旁溪、珠岙溪等河流附近，易受洪災的影響，并且三門縣多山地，居民地所處的海拔較低所導致。從產業結構上看，居民房屋和家庭財產損失相對嚴重，其次是工商業損失和道路損失，而農業損失較輕。

表3 海游溪流域發生P=1%設計洪水漫溢方案不同水深等級受影響人口分布

表4 海游溪流域發生P=1%洪水漫溢方案不同水深等級影響各類資產分布

表5 洪災經濟損失估算 單位：萬元

表6 淹沒地物統計

5 結論

（1）本文采用MIKE FLOOD 構建海游溪流域一二維水動力模型，根據沿海地區地形地貌和水文氣象特征，設置上游洪水、區間暴雨和下游潮位為致災因子，通過數值模擬得到100年一遇設計洪水情景下淹沒范圍、淹沒水深等水情信息，能夠為研究區域防洪調度管理提供了科學決策依據。

（2）本文對海游溪流域100年一遇設計洪水情景下洪水淹沒進行了模擬，對洪水損失進行了預測評估，結果表明海游溪流域防洪薄弱區沿河居民區受洪災影響較大。海游溪流域通過上游水庫調洪和重點防洪區域防洪堤壩的建設能夠保證部分區域不發生洪水淹沒，但其下游入海口及堤防未達標區域仍存在洪水風險，其防洪體系仍需進一步完善。