燕子河流域洪水演進數值模擬

韓松 張威 王豪 劉玉玉 桑國慶

文章編號：1671-3559（2024）01-0068-10DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.002

摘要：為了對中小河流流域洪水風險進行預測分析， 以山東省臨沂市燕子河流域為研究對象， 利用水動力學模型對洪水演進進行數值模擬；采用MIKE 11軟件建立一維水動力學模型， 分別模擬洪水重現期為5、10、20、50、100 a的河道洪水演進過程；利用MIKE 21軟件對燕子河防洪保護范圍構建二維模型；利用 MIKE FLOOD 軟件側向耦合一、二維模型， 模擬不同洪水重現期洪水從河道漫溢至岸邊的演進過程，對模擬結果進行分析， 得到洪水的淹沒范圍、水深、流速等信息。 結果表明：洪水重現期為5、10、20、50、100 a時洪水淹沒范圍分別為0、4.09、7.59、13.87、18.44 km2，最大淹沒深度分別為0、4.56、5.46、6.20、6.49 m， 洪水最大流速分別為0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s；羅莊區西陸莊村、為兒橋村以及蘭陵縣西莊村、松山東村等村落為淹沒風險較大區域。

關鍵詞：水動力學模型；洪水演進；數值模擬；燕子河流域

中圖分類號：TV877

文獻標志碼：A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Numerical Simulation of Flood Evolution in the Yanzi River Basin

HAN Song1， ZHANG Wei1， WANG Hao2， LIU Yuyu1， SANG Guoqing1

（1. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Flood and Drought Disaster Prevention Center of Shandong Province， Jinan 250013， Shandong， China）

Abstract： To predict and analyze the flood risk of medium or small river basins， the Yanzi River Basin in Linyi city， Shandong province was taken as the research object， and the hydrodynamic model was used to simulate the flood evolution. An one-dimensional hydrodynamic model was established by using MIKE 11 software to simulate the flood evolution of river channels with flood recurrence periods of 5， 10， 20， 50， 100 a， respectively. A two-dimensional model of the flood protection area of the Yanzi River was constructed by using MIKE 21 software. By using MIKE FLOOD software， the one- and two-dimensional models were laterally coupled to simulate the evolution process of flood from the river to the bank in different flood recurrence periods， and the simulation results were analyzed to obtain flood inundation range， water depth， velocity and other information. The results show that when the flood recurrence period is 5， 10， 20， 50， 100 a， the flood inundation range is 0， 4.09， 7.59， 13.87， 18.44 km2， the maximum inundation depth is 0， 4.56， 5.46， 6.20， 6.49 m， and the maximum flood velocity is 0， 3.04， 3.58， 3.98， 4.70 m/s， respectively. There is a significant risk of inundation in Xiluzhuang village and Weierqiao village in Luozhuang district， as well as Xizhuang village and Songshandong village in Lanling county.

Keywords： hydrodynamics model; flood evolution; numerical simulation; the Yanzi River Basin

收稿日期：2022-09-28????????? 網絡首發時間：2023-11-10T07：02：56

基金項目：國家自然科學基金項目（51909105）；山東省自然科學基金項目（ZR2019QEE006）

第一作者簡介：韓松（1998—），男，山東德州人。碩士研究生，研究方向為水文學及水資源。E-mail：1670922407@qq.com。

通信作者簡介：劉玉玉（1984—），女，山東臨沂人。副教授，博士，碩士生導師，研究方向為水文學及水資源。E-mail：stu_liuyy@ujn.edu.cn。

網絡首發地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1626.004

氣候變化和人類活動的影響，導致極端天氣時有發生，洪水災害也屢見不鮮。洪水災害作為一種自然災害，發生頻率高，造成損失大，嚴重阻礙社會的發展，一直是世界各國深受困擾的難題［1］。目前，國內外在防洪減災非工程措施上進行了大量的研究，而洪水演進模擬是對防洪保護區進行洪水風險分析的一種有效解決方案［2-4］。

水動力學模型能夠模擬得到較詳細的淹沒要素時空分布，包括淹沒范圍、淹沒水深、淹沒流速等，是目前運用最廣泛的分析手段［5］。郜國明等［6］基于非結構化網格模型MIKE 21 FM，模擬黃河濮陽段堤防潰決后洪水演進過程，并繪制了最大淹沒水深分布圖。李小天等［7］選取西苕溪干流長潭以下至長興界之間河段作為研究區域，通過建立一-二維耦合計算模型，模擬了洪水演進。王天澤等［8］以北京市某科學城為例，分別建立MIKE 11、 MIKE 21模型，利用 MIKE FLOOD模塊進行動態耦合，結果展示了模型充分的可靠性。

本文中運用水動力學模型，對易發生洪澇災害的燕子河流域進行不同洪水重現期下的洪水演進數值模擬，得到研究區的各項洪水要素，以洪水淹沒圖的形式直觀反映防洪保護區的淹沒情況，為當地防洪減災工作提供科學依據，并對中小河流流域洪水風險分析及防洪管理具有一定的參考價值。

1? 研究區概況

燕子河發源于山東省臨沂市高新技術產業開發區（簡稱高新區）羅西街道澗頭村，流經高新區、羅莊區、蘭陵縣3個縣（區），經羅西街道、沂堂、神山、磨山、蘆柞、長城6個鄉（鎮、街道），于山東、江蘇省界以南100 m處匯入邳蒼分洪道（樁號0+000）。 燕子河地處魯東南， 屬北暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區， 四季分明， 雨熱同期。 受大陸性和海洋性氣候交替作用的影響， 冬季干冷、雨雪稀少， 春季多風、氣候干燥， 夏季濕熱、雨量充沛， 秋季涼爽、降水減少。 燕子河流域多年平均徑流深為281.4 mm；燕子河全長56.8 km， 其中高新區段17.76 km， 羅莊區段5.33 km， 蘭陵縣段33.71 km， 總流域面積為271.25 km2。

2? 模型構建

構建燕子河流域洪水淹沒水動力學模型。首先，采用MIKE11軟件根據河道范圍建立一維水動力學模型；然后根據燕子河防洪保護范圍，采用MIKE21

軟件構建二維水動力學模型；最后基于MIKE FLOOD軟件耦合一、二維模型進行洪水淹沒數值分析。

2.1? 一維模型構建

在一維模型中，共需建立河網文件（.nwk11）、斷面文件（.xns11）、邊界文件（.bnd11）、模型參數文件（.hd11）、時間序列文件（.dfso）5個運行文件［9-11］。其中，時間序列文件用于邊界文件模塊中，其余4個文件模塊完成后，建立模擬文件模塊，并在模擬文件中選中4個文件模塊，設置完成后即可進行數值模擬。

2.1.1? 河網文件

建模起點為羅莊區湖北路橋，終點為入河（邳蒼分洪道）口，河道建模長度為47.488 km。

2.1.2? 斷面文件

斷面數據來源于實測斷面數據， 采用實時動態（RTK）測量儀垂直河道測量。 共設置177個斷面， 每個斷面間距為300～400 m， 各支流未進行斷面測量， 以點源的方式匯入主河道。

2.1.3? 邊界文件

將洪水重現期為5、10、20、50、100 a設計洪水過程作為同頻率下一維水動力模型的上邊界條件；根據相應治理工程設計報告， 選取洪水重現期50 a設計水位（36.54 m）作為下邊界條件；支流以點源邊界匯入干流；區間入流以分布源邊界匯入干流。

2.1.4? 時間序列文件

采用實測暴雨法推求設計雨量，并用山東省綜合瞬時單位線法求得各控制段不同頻率的天然設計洪水過程。

2.2? 二維模型構建

基于MIKE 21 HD FM模塊構建防洪保護范圍內二維非恒定流水動力學模型，并考慮堤防、鐵路、公路等構筑物擋水作用，主要流程包括：導入基礎數據；根據編制范圍以及控制線，如河岸線、阻水道路、導水河渠等，進行網格剖分和地形插值；模型參數設定、邊界條件設定等［12-13］。

2.2.1? 模型范圍劃定

以河流源頭為上邊界，入河口為下邊界，河岸線外2 km范圍作為二維模型計算范圍。

2.2.2 ?網格劃分及地形插值

模型劃分網格個數為172 483，最大網格面積為0.002 37 km2，網格平均面積為0.000 93 km2。地形插值采用的高程點由1∶100 00數字高程模型（DEM） 提取，模型高程散點間距為5 m。

2.2.3? 阻水構筑物設置

根據計算范圍1∶100 00數字線畫圖（DLG）數據及現場測量道路高程，采用局部網格加密、地形修正的方法對道路進行處理。選取了國道 G206、省道 S229、京滬高速等4條高于地面0.5 m的路段作為阻水道路，阻水道路長度共計46 km。

2.2.4? 邊界條件

二維洪水計算邊界條件獲取是利用MIKE FLOOD軟件，采用一、二維側向連接形式，通過耦合計算得到漫溢流量過程作為二維水動力計算模型的入流邊界條件。

2.2.5? 參數設置

模擬起止時間為2022-08-01T00：00：00—2022-08-15T00：00：00，共計14 d。主時間步長為10 s。時間積分與空間離散方式采用高階；計算中將干水深（drying depth）、淹沒深度（flooding depth）、濕水深（wetting depth）分別設定為0.005、0.05、0.1 m；渦黏系數Ce根據Smagorinsky公式計算，取值為0.28。

2.2.6? 糙率設置

根據燕子河防洪保護區土地利用情況，對保護區內主要土地類型，如村莊、耕地、旱田、樹叢、河流、道路等，進行糙率賦值并在網格上顯現出來。

2.3? 一、二維模型耦合

為了得到洪水漫溢結果，選用側向連接模擬水流從河道漫溢到洪泛區。在MIKE FLOOD軟件中，將一維河道分別與二維模型河道的左、右岸進行耦合［14-15］。

2.4? 參數率定及模型驗證

由于燕子河無長期水位或流量監測站點，因此暫時無法進行率定。本文中通過與燕子河治理工程設計報告中的水面線成果進行比較，從而進行合理性分析。以模擬計算的洪水重現期為10 a的設計洪水位為例，在整體趨勢上，一維水動力學模型成果與《山東省臨沂市羅莊區（高新區）燕子河治理工程初步設計報告》中的水面線成果相近（見圖1），計算水面線與設計水面線最大相差0.5 m，說明結果是合理的。

2.5? 模型合理性檢驗

2.5.1? 典型方案模擬結果

燕子河干流規劃防洪能力大部分為洪水重現期為20 a，因此以干流流域遭遇20 a一遇設計洪水為例，闡述研究區洪水淹沒分析過程。

1）以20 a一遇洪水淹沒過程為例，淹沒范圍主要集中于羅莊區羅西街道，蘭陵縣神山、磨山鎮，斷面樁號為11+401—14+074、30+282—47+195。

2）20 a一遇洪水淹沒面積為7.59 km2，最大淹沒水深為5.46 m，最大淹沒流速為3.58 m/s，淹沒河段斷面樁號為11+401—14+074。該河段地勢低洼，僅局部地點的淹沒水深達到了4～5 m，大部分淹沒區域均為農田，且村莊的淹沒水深小于1 m。其中羅莊區為兒橋村以及蘭陵縣松山東村等幾個村落淹沒風險較為嚴重，但其中81%淹沒面積為耕地。

2.5.2? 漫溢點分析

根據模型模擬結果，得到燕子河按洪水重現期20 a設計洪水時主要漫溢點有7處，經分析洪水漫溢點分布在若干個堤防薄弱位置和支流匯入口附近，如圖2所示，各漫溢點相關信息見表1。

2.5.3? 合理性分析

2.5.3.1? 模型合理性

原有的設計資料基于設計斷面，采用天然河道明渠恒定非均勻流的計算方法逐個斷面推算河道水面線。本文中基于一維水動力學模型模擬水面線，求解方法采用Abbott-Ionescu隱式差分格式離散法，按照水位、流量、水位的順序交替布置形成計算網格，因此水面線計算點更加密集，水面線更加精確，較為符合現實的洪水水面線。

現有設計資料中水面線是基于2012年設計斷面進行計算，一方面設計斷面與實際施工后斷面存在偏差，另一方面近年來斷面發生了一定的改變。本文中基于近期實測斷面進行水面線計算，更符合實際情況。

現有設計資料采用《水利動能設計手冊：防洪分冊》中公式計算。本文中采用一維水力學模型，加入實測水工建筑物，充分考慮橋梁、攔河壩、漫水橋等水工建筑物不同的阻水和雍水作用，其中橋梁壅水高度范圍為0.03～0.10 m，攔水壩壅水高度范圍0.25～0.40 m。

2.5.3.2? 淹沒頻率合理性

燕子河在2009、2012、2020年進行了河道治理， 高新區東磊石村至澗溝崖村河段治理標準為10 a一遇；樁號33+700—39+058、39+042—45+400之間河段未系統治理，防洪標準不足20 a一遇；其余河段治理標準為20 a一遇。通過模型分析可得，燕子河遭遇10 a一遇設計洪水時，個別河段仍會發生淹沒，經分析原因如下：

1）雖然燕子河大部分河段經過治理；但目前河道斷面存在一定的淤積，下游河道與設計斷面存在一定差距，且部分未系統治理河道堤防薄弱，因此洪水極易從堤防缺口溢出。

2）支流五里河匯入處雖然經過治理，但防洪能力較薄弱，當有較大支流匯入，容易造成漫灘，淹沒村莊較少。

2.5.3.3? 漫溢點合理性

燕子河漫溢點主要有以下特征：一是河道內建有一些阻水較大的橋， 較大洪水時阻水嚴重， 往往也會成為洪水漫溢風險點（例如羅莊區廟山村，樁號43+897）；二是河道內雜草叢生或人為更改河道影響行洪（例如：羅莊區為兒橋村，樁號37+544；嵐荷高速附近，樁號34+648）；三是部分河道兩側或一側無堤防或者堤防不達標，防洪能力弱（例如羅莊區沂堂社區，樁號40+697）；四是較大支流匯入， 頂托嚴重， 加上堤防薄弱（例如支流五里河， 樁號16+696）。 通過現場調查和歷史洪水調查， 漫溢點位置和范圍基本合理。

3? 洪水影響分析

3.1? 淹沒要素

根據現有設計資料，燕子河現狀防洪能力為10～20 a一遇。根據本次河道洪水演進計算，絕大部分河段滿足10 a一遇防洪能力，在洪水重現期為10、20、50、100 a的洪水過程下均存在一定程度淹沒風險。根據所建立的燕子河洪水淹沒模型，獲得沿程淹沒范圍特征網格洪水淹沒要素過程，對淹沒范圍、水深、流速過程等進行提取和分析。

3.1.1? 淹沒范圍分布

燕子河不同洪水重現期洪水淹沒范圍見圖3。

1）燕子河洪水重現期為10 a的洪水淹沒面積為4.09 km2，共有漫溢點7處（左岸4處、右岸3處），淹沒范圍主要集中于羅莊區羅西街道，蘭陵縣神山、磨山鎮，斷面樁號為11+401—14+074、30+282—47+195，其中羅莊區為兒橋村、蘭陵縣松山東村、蘭陵縣花莊村等村落是淹沒風險較為嚴重區域。

2）燕子河洪水重現期為20 a的洪水淹沒面積為7.59 km2，共有漫溢點7處（左岸4處、右岸3處），淹沒范圍主要集中于羅莊區羅西街道，蘭陵縣神山、磨山鎮，斷面樁號為11+401—14+074、30+282—47+195，其中羅莊區為兒橋村、東為兒橋村，蘭陵縣松山東村、西莊村、花莊村等村落是淹沒風險較為嚴重區域。

3）燕子河洪水重現期為50 a的洪水淹沒面積為13.87 km2，共有漫溢點13處（左岸7處、右岸6處）， 淹沒范圍主要集中羅莊區羅西街道、沂堂鎮，蘭陵縣神山、磨山、蘆柞鎮，斷面樁號為6+386—27+237、30+282—47+195，其中羅莊區廟山村、為兒橋村，蘭陵縣西莊村、松山東村、東石良村、花莊村、為女橋村等村落是淹沒較為嚴重區域。

4）燕子河洪水重現期為100 a的洪水淹沒面積為18.44 km2，共有漫溢點14處（左岸8處、右岸6處），淹沒范圍主要集中在羅莊區羅西街道、沂堂鎮，蘭陵縣神山、磨山、蘆柞鎮，斷面樁號為6+386—27+237、30+282—47+195，其中羅莊區廟山村、為兒橋村，蘭陵縣西莊村、老屯村、松山東村、東石良村、花莊村、墩頭村、為女橋村等村落是淹沒較為嚴重區域。

5）隨著洪水重現期的延長，洪水最大淹沒面積也相應增大。燕子河5、10、20、50、100 a一遇洪水的最大淹沒面積分別為0、4.09、7.59、13.87、18.44 km2。

3.1.2? 淹沒深度分布

燕子河不同洪水重現期洪水淹沒深度見圖4。

1）洪水重現期為10 a的洪水淹沒深度為0.10～4.56 m，平均淹沒深度為0.77 m，羅莊區為兒橋村，蘭陵縣松山東村、花莊村等村莊的淹沒深度為0.10～2.87 m。

2）洪水重現期為20 a的洪水淹沒深度為0.10～5.46 m，平均淹沒深度為0.93 m，羅莊區為兒橋村、東為兒橋村，蘭陵縣松山東村、西莊村、花莊村等村莊的淹沒深度為0.10～3.67 m。

3）洪水重現期為50 a的洪水淹沒深度為0.10～6.20 m，平均淹沒深度為1.10 m，羅莊區廟山村、為兒橋村，蘭陵縣西莊村、松山東村、東石良村、花莊村、為女橋村等村莊的淹沒深度為0.10～3.77 m。

4）洪水重現期為100 a的洪水淹沒深度為0.10～6.49 m，平均淹沒深度為1.13 m，羅莊區廟山村、為兒橋村，蘭陵縣西莊村、老屯村、松山東村、東石良村、花莊村、墩頭村、為女橋村等村莊的淹沒深度為0.10～3.81 m。

5）隨著洪水重現期延長，最大洪水淹沒深度不斷增加。不同洪水重現期的最大淹沒深度位于溝渠、魚塘等低洼區域。

3.1.3? 流速分布

燕子河不同洪水重現期洪水淹沒流速見圖5。

1）洪水重現期為10 a的各網格最大洪水流速為3.04 m/s， 最小洪水流速為0.000 1 m/s， 平均洪水流速為0.26 m/s。

2）洪水重現期為20 a的各網格最大洪水流速為3.58 m/s， 最小洪水流速為0.000 8 m/s， 平均洪水流速為0.27 m/s。

3）洪水重現期為50 a的各網格最大洪水流速為3.98 m/s， 最小洪水流速為0.000 2 m/s， 平均洪水流速為0.29 m/s。

4）洪水重現期為100 a的各網格最大洪水流速為4.70 m/s， 最小洪水流速為0.000 1 m/s， 平均洪水流速為0.30 m/s。

5）隨著洪水重現期延長， 最大洪水淹沒流速不斷增大， 其中， 最大流速小于0.5 m/s的面積占比最大， 約占83%～86%；淹沒村落范圍內流速均小于1.58 m/s，表明洪水出流到岸上后水流較為平緩，對居民生命財產的破壞性大大降低。

3.2? 淹沒影響

燕子河河道淹沒均位于堤防薄弱處以及河道無堤防處， 集中在斷面樁號6+386—27+237、30+282—47+195。 在不同洪水重現期時， 占比約84%的淹沒區域為耕地， 不同地類淹沒面積統計結果見表2， 燕子河流域洪水淹沒受災村莊統計結果見表3。

3.3? 現狀防洪能力

在燕子河流域洪水淹沒模擬計算中，計算起點至入河口之間的計算區域內共涉及高新區羅西街道，羅莊區沂堂鎮，蘭陵縣神山鎮、磨山鎮、蘆柞鎮、長城鎮6個鎮（街道）、80個行政村，同時計算區域內還涉及國道G206、京滬高速、省道（S38、S318、S229）等交通要道。根據燕子河流域 80 個防洪保護對象成災水位對應的洪水水面線信息，推求對應的洪水頻率，結合河道防洪能力，綜合確定防洪保護對象的現狀防洪能力，結果見表4。需要說明的是，確定防洪能力時基于洪水重現期，偏安全考慮，向下取整數，例如，重現期為0～5 a時，防洪能力為5 a以下；重現期為5～10 a時，防洪能力為5 a；以此類推。由表可以看出：洪水重現期為5～10 a時受淹村莊為7個，重現期為10～20 a時受淹村莊為1個，重現期為20～50 a時受淹村莊為3個，重現期為50～100 a時受淹村莊為4個；重現期為100 a以上時受淹村莊為65個。

4? 結論

本文中利用MIKE模型構建了燕子河一-二維耦合的淹沒分析模型，對不同洪水重現期的洪水演進過程進行模擬，得到洪水淹沒范圍、水深、流速等要素，為燕子河流域防洪工作提供參考。本文中得到主要結論如下：

1）隨著洪水重現期延長，淹沒范圍逐漸增大，洪水重現期為5、10、20、50、100 a時洪水淹沒范圍分別為0、4.09、7.59、13.87、18.44 km2，最大淹沒深度分別為0、4.56、5.46、6.20、6.49 m，洪水最大流速分別為0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s。

2）燕子河岸線2 km范圍內80個沿河防洪保護村莊中防洪能力為5、10、20、50、100 a的村莊個數分別為7、1、3、4、65。

3）研究區內防洪能力弱的區域河道有以下幾個特征：一是河道內建有一些阻水較大的橋或阻水建筑物遭到破壞有缺口；二是河道內雜草叢生或人為改變河道影響行洪；三是河道兩側或一側無堤防或堤防年久失修；四是較大支流匯入，頂托嚴重，造成漫溢。針對防洪能力弱的河段，需盡快落實堤防加固、清淤清障等一系列措施。

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（責任編輯：于海琴）