MIKE FLOOD耦合模型在城市超标准洪水防御预案中的应用

查 理

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

近年来，随着全球气候变化的加剧，极端天气事件增多，由洪水引起的各种灾害呈现出频发和多发的态势。随着防洪理念由控制洪水向洪水管理转变，洪水数值模拟已经成为洪水风险图绘制、洪水风险分析、洪水损失评估的一个重要手段[1-3]，同时也为制定洪水防御预案提供了科学依据，对于减少城市堤防险工险段溃决时洪水造成的损失具有十分重要的意义。

水动力数值模拟软件众多，近年来应用较多的有DHI MIKE模型[4-6]，SWMM暴雨洪水管理模型[7]和美国地表水建模系统SMS[8]等。MIKE系列软件为河流与洪泛区、海洋与内陆水道之间提供了有限的动态连接方式，能够很好地模拟溃堤、满溢洪水，有很高的灵活性和模拟精度[9-10]，并在实际的工程项目中得到了广泛的验证。

为做好超标准洪水防御的总体考虑和各项准备措施，保证第一时间提出防御意见和建议，有效应对洪水灾害领域的“黑天鹅”和“灰犀牛”事件，保证抗洪抢险救灾工作高效有序进行，最大限度地减少人员伤亡和灾害损失，本文选择MIKE系列软件，以亳州谯城区为例，运用MIKE FLOOD分析超标准洪水情况下城区堤防溃破的洪水淹没演进过程，并对洪水风险进行分析，为研究区防御预案的编制提供了重要参考。

1 研究区域概况

亳州市城市地处黄淮海平原南端，安徽省西北部。现状亳州主城区位于涡河南岸，平均地面高程约37.5m，西北高东南低。建成区面积约50km2，其中涡河南岸主城区42.3km2，涡河北岸7.7km2，常住人口约47万人。

涡河流域汛期的洪水均由暴雨产生，暴雨具有持续时间长、范围大的特点，易形成流域性大洪水。据有关资料记载，新中国成立以后亳州城区就发生大小洪涝灾害10余次。所以，针对该区域进行洪水风险图编制，提出合理的防御预案是十分有必要的。

2 模型原理

2.1 一维模型原理

MIKE11一维水动力模型基于以下假定[11]：水体为不可压缩的一维均质流体，河道坡降小、纵断面变化幅度小且符合静水压力假设。模型采用了专业的追赶解析法和6点Abbott-lonescu格式离散圣维南方程组[12]。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；q—侧向入流，m3/s；A—过水面积，m2；h—水位，m；R—水力半径，m；C—谢才系数；α—动量修正系数。

2.2 二维模型原理

亳州城区平面水流模拟采用MIKE21FM模块，该模块计算采用非结构化网格，能够给出洪水水量空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时等统计特征参数[13]。模型主要依据水流连续性方程式和x、y方向上的动量方程组。

(2)

(3)

2.3 模型耦合

本研究在一维模型基础上建立虚拟河道，以侧向连接的方式耦合一维模型与二维模型，采用控制性建筑物模块将溃口进行概化，模拟洪水从溃堤处向城区演进的过程。

3 模型建立与验证

3.1 一维河网概化

根据研究区域的基础地理信息数据，结合ArcGIS软件配准，构建安徽与河南省界至淮河段涡河MIKE11河网文件。涡河上有大寺、涡阳、蒙城3座节制闸，均以MIKE 11中Control Structure模块进行概化，并根据闸的设计参数进行合理设置。

3.2 二维模型构建

(1)网格剖分。MIKE软件自带有网格剖分功能，也可以通过SMS等软件剖分网格后导入MIKE21中计算，由于网格质量对于计算时间和结果影响巨大，如果网格质量不好，会导致数值计算震荡大，模型计算易崩溃等问题，故本文采用了2种方案进行比选。

优质的网格要求网格大小过度尽量平滑，且网格尽量为等边三角形。由于需要对模型区域中的龙凤新河、麦秸沟河槽进行细化，所以对河道周边网格进行了加密，在这种情况下，MIKE软件自带网格剖分结果(图1左)质量不佳，所以本研究采用SMS网格计算(图1右)。

图1 二维水动力模型河道细化网格剖分对比

(2)二维成果。二维模型计算域为古井大道、赵王河及涡河包围的区域，二维模型网格节点37001个，网格数73632个，地面高程采用20m×20m精度DEM插值计算。所得涡河南岸城区mesh文件如图2所示。

图2 涡河南岸二维模型示意图

3.3 参数率定

根据洪水风险计算的需要，需对涡河一维水动力模型和亳州城区二维水动力模型进行参数率定。

(1)一维模型糙率率定。涡河蒙城闸-龙亢集区间无支流汇入，故率定范围为蒙城闸下-龙亢集，河段长44.4km。计算时段为2003年8月27日—9月14日，共19d。

率定参数时将已有的参数成果作为初值，在此基础上不断试算。涡河糙率主槽最终采用主槽0.03，滩地0.035，率定结果精度评价见表1。

表1 2003年洪水蒙城闸下实测水位与率定水位 单位:m

由表1可知，实测与模拟计算的水位差相对值均在0.2m以内，率定结果总体比较理想，水位峰值及相位等能够得到较好的拟合。

(2)二维模型参数选取与率定。由于保护区无实测的洪水淹没范围调查资料，无法进行糙率率定。根据《水力计算手册》《洪水风险图编制技术细则》等资料，并结合本片区土地利用图和保护区下垫面情况，参考邻近土地利用类型后为每个网格取不同糙率值，具体见表2。

表2 防洪保护区不同下垫面糙率取值

3.4 模型验证

根据率定的参数，采用2007年7月1日—8月19日实测过程进行涡河蒙城闸下-龙亢集河段一维水动力学模型参数验证，验证结果见表3。

表3 2007年洪水蒙城闸下实测水位与验证水位 单位：m

由表3可知，实测与模拟计算的水位差相对值均在0.2m以内，说明计算采用的参数是合理有效的。

4 风险分析及防御方案

风险图后处理中等值线根据SL754—2017《城市防洪应急预案编制导则》划分，据此规则对城区进行风险等级划片。

表4 洪水对人的影响危险性指标及等级划分

4.1 计算方案

根据城区堤防险工险段的原则，在城区涡河沿岸选择堤防溃决，计算方案见表5。

表5 溃口计算方案

4.2 计算成果

根据3种洪水风险图模拟结果，在险工险段发生溃决时，洪水总体向东南演进，大部分城区淹没深度在0.12～1.1m之间，溃口附近的老城区淹没深度超过1.1m，最终洪水汇入宋汤河、龙凤新河以及麦秸沟经由赵王河排出。

图3 亳州城区百年一遇洪水溃口水深h等值线风险图

根据淹没水深、流速图交叉对比，发现城区风险等级的主要影响因素为淹没水深，且一旦城区堤防发生溃决，在没有准备的情况下，将造成严重的生命财产损失，据风险图及相关资料分析，灾害影响见表6。

表6 洪涝灾害影响分析统计

4.3 防御预案

根据风险图模拟结果，将处于高、中风险等级的城区划分为4个风险区，其中受洪水影响人口与洪水量级、淹没范围成正相关，也是描述洪水风险最根本的指标之一[14]。根据就近原则，在风险区附近综合人口密集度、城区地形等因素，设置3个避险区，并提前规划3条较为安全的避险路线。

图4 亳州城区百年一遇洪水避险转移安置图

当发生险情时，启动防御预案，风险区居民根据避险转移安置路线提前转移至避险区，尽量减少洪水所造成的生命财产损失。

5 结论

(1)本文利用MIKE FLOOD耦合模型模拟出城区堤防溃决时的淹没水深、流速图，据此划分城区洪水风险等级，并规划出较为合理的避险区及避险路线，对城市防洪救灾有重要指导意义。

(2)城区堤防溃决灾害巨大，应在汛期来临前针对城区险工险段堤防进行排查，必要时加高加固；结合地形分析，高风险区集中在城市低洼地段，建议相关部门重点关注该类地段居民，必要时提前按照规划避险安置转移路线进行疏散。

(3)MIKE FLOOD可以很好地模拟溃堤后的洪水淹没情况，但由于资料有限，本文未充分考虑城区地下管网建设对洪水演进的影响，在后续的工作中洪水模型仍有改进的空间。