潖江蓄滞洪区洪水淹没数值模拟及运用方式研究

张灿亨

摘要: 本文应用MIKE21 HD建立二维水动力模型对潖江蓄滞洪区的洪水淹没过程进行模拟计算，从洪水到达时间、流场分布、堤围溃决时间等方面分析了洪水淹没特征，取得了比较好的结果，另假设了在江口汛和长怖的三种不同建闸方案，给定相应的边界条件进行模拟对比，最后讨论了实行人工调控潖江蓄滞洪区后可能面临的问题。

关键词: 潖江蓄滞洪区；洪水淹没；数值模拟；运用方式

中图分类号：O245文献标识码：A 文章编号：

Abstract: in this paper MIKE21 HD set up 2 d hydrodynamic model to Pa river flood storage and detention area to simulate the process calculation, from the flood arrival time and flow distribution, provided with time are analyzed; flood characteristics, has obtained the good result, the other in that river mouth xun and some long of three different sluice construction scheme, given the corresponding boundary conditions are simulation, and finally discusses the artificial regulation after the flood storage and detention area Pa river may be facing.

Key words: Pa jiang the flood storage and detention area; The flood; Numerical simulation; Using the way

1前言

近几年，把GIS技术应用到潖江蓄滞洪区洪水淹没模型中，取得了良好的效果[2—5]。随着二维、三维水动力学数值模型和计算机技术的快速发展，利用现代化的洪水仿真技术，能较好模拟蓄滞洪区的洪水淹没演进过程，了解不同频率洪水的淹没演进规律，为滞洪区的科学调控和防洪决策提供科学的依据。应用MIKE 21二维水动力学模型模拟潖江滞洪区不同的运用方式下洪水淹没过程，分析比较之间的不同淹没特征，对实现“人工调控滞洪区”的目标有重要的参考意义。

2潖江及潖江滞洪区概况

潖江蓄滞洪区位于广东省北江飞来峡枢纽大坝下左岸约11.1km处，隶属于广东省清远市。潖江天然滞洪区和北江大堤、飞来峡水利枢纽、芦苞涌与西南涌分洪水道共同组成北江下游防洪体系，是广州、佛山等地防御北江洪水的安全保障。区内地势低洼，以低山丘陵为主，一般地面高程在12~15 m（珠基、下同），22 m高程以下总面积约82.0 km2，相应总库容4.44亿m3，其中围外面积34.7 km2，相应库容1.83亿m3。

3MIKE 21水动力模型简介

MIKE21是DHI开发的系列水动力学软件之一，属于平面二维自由表面流模型。将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均，得到二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组[6]如下：

连续方程

（1）

X方向动量方程

（2）

Y方向动量方程

（3）

式中：h为水深；p, q为x-，y-方向的流量通量，即单宽流量（m3/s/m）；（u，v）为x-，y-方向平均水流流速；C为谢才系数（m1/2/s）；g为重力加速度（m/s2）；f（V）风阻力系数；Ω为柯氏力系数（s-1）；τxx、τxy、τyy为各有效剪应力组分。

4MIKE 21在潖江蓄滞洪区的应用

为了了解潖江蓄滞洪区的复杂水流规律，掌握潖江蓄滞洪区不同运用方式下的洪水淹没规律，把MIKE21水动力模型应用到潖江蓄滞洪区的淹没模拟计算中。本文将按在江口汛和长怖站的不同建闸方案分四种情况进行讨论，各方案的建闸分配见表1。

表1潖江蓄滞洪区的不同建闸方案的特性

建闸方案 运用方式

方案一 江口汛和长怖都不设闸 天然蓄滞洪

方案二 江口汛设闸，长怖不设闸 控制潖江口分洪的水量

方案三 江口汛不设闸，长怖设闸 控制回归干流的水量

方案四 江口汛和长怖都设闸 完全人工调控潖江蓄滞洪区

4.1模型计算范围及地形概化

模型的计算范围主要为潖江中下游地势低洼的区域，包括潖江的江口汛至汤塘的区间和长怖站至与潖江交汇处的区间，整个模拟区域面积约100km2。计算所用DEM是从CGIAR-CSI网站上下载。根据潖江滞洪区范围的相关资料确定模型计算范围，利用ArcGIS平台提取地形数据。根据MIKE21模型对地形的要求[7]和模型创建的相关需要，例如主要堤围的设定，对模拟区域内的地形进行概化。

4.2模型参数的选取

根据所掌握的有效资料，综合考虑模型参数要求，四个方案的模拟模型参数的设置见表2。

4.3 计算结果分析比较

4.3.1 天然蓄滞洪时的洪水淹没特征

（1）洪水演进基本特征

由图2可知，天然蓄滞洪过程中，从北江洪水倒灌滞洪区开始，约经35.5h，洪水演进至上游的汤塘站，除了受堤围保护和高地外，整个滞洪区基本都被淹没。约65h后，洪水溢过较低堤围淹没了整个滞洪区的几乎所有低洼的区域（除受大厂围、叔伯围和凤洲围等高围保护的区域外），至此淹没区域除河道附近外的水流趋于平缓，水深也趋于稳定。

（2）不同时刻的流场分布特征

从图2可看出，第15h的流场主要分布在大燕河与潖江交叉的区域，由于高地阻挡有明显的绕流，北江洪水分两个部分演进，除了入口处和大燕河河道内水流较快，其他地方的流速基本小于1m/s；第30h，洪水流场分布至龙山，各个区域的水流比较平稳，滞洪区内流速在0.2～1.0m/s；第40h，在堤围溢溃处有非常大的流速，最大可达5.0m/s，围内的水流比较紊乱，但与围外水流一样，流速都比较小，在0.2～1.0m/s；第65h，整个淹没区的水流都比较平稳，流速在0.1～1.5m/s，大流速主要分布在入口处和大燕河。

图2方案一不同时刻的流场图

（3）不同区域的洪水达到时间

洪水进入潖江滞洪区后约4h到达大厂围与独树围之间河道（t1），洪水到达民安河与潖江交汇区域（t2）约需23h，到达龙山、鳌头水与潖江交的汇区域（t3）为29h，到汤塘附近区域（t4）需35h，淹没独树围内区域（t5）区域需36h，到达高桥围附近区域（t6）需23h，与t2几乎同时，鳌头水子流域区间（t7）受淹则需47h。

4.3.2 不同方案洪水淹沒特征比较

方案二、三和四以同样的方法进行分析，然后进行对比分析。通过对四个不同方案下比较分析发现，建闸后北江洪水在潖江蓄滞洪区的淹没特征有明显改变。

首先，洪水在滞洪区内的淹没速度方面。从表3洪水到达不同区域所需时间可知，江口汛设闸时（方案二、四）的演进速度要明显大于天然分蓄洪的情形（方案一、三），长怖建闸也会加快演进速度，但其影响取决于所控制的下泄流量。

其次，不同堤围出现溢溃的时间方面。建闸后快速演进的洪水将使堤围的溢溃时间提前，从表4可看出，实行人工调控后滞洪区内堤围都会提前溢溃，只是不同方案不同堤围的溢溃时间变化幅度不一样。长怖设闸使江口汛附近江汛围的溢溃时间明显提前，江口汛设闸则使各个堤围的溢溃时间更明显提前，江口汛和长怖都设闸后，所有堤围溢溃的时间长度缩短最为显著，30h内几乎所有较低堤围都溢溃。

5人工调控潖江蓄滞洪区运用方式探讨

由上文分析可知不同运用方式下洪水淹没特征有较大差异，因此，要实现“人工调控滞洪区”有必要解决以下一些问题。

第一，洪水演进速度大大加快后，堤围的溃决时间提前，如何解决滞洪区内群众及时安全的撤退转移？这个问题可以说是最难解决的，要降低洪水淹没速度，可以降低江口汛的开闸水位，这样一来会增多滞洪区的使用频率。从蓄滞洪区安全建设与管理的角度出发，建立完善的洪水预警预报和减灾安全管理系统是有必要的。

第二，洪水到达时间提前，必将延长蓄滞洪区的淹没历时，使灾情加重，做好防灾、救灾和灾后重建等工作也是一大难题。完善滞洪区的蓄洪、滞洪功能的调控机制，在有效削减北江洪峰的前提下，及时让洪水回归干流，缩短淹没历时是一大关键点。

参考文献：

[1] 李粤安，北江下游防洪体系运用研究探讨[J]，广东水利水电，2006年8月第4期：1-3

[2] 曾仕康等，北江下游潖江天然滞洪区基于GIS的洪水淹没模型研制[J]，中山大学学报，2004增刊（2）：413-415

[3] 高雪山，黄晓红，GIS技术在潖江滞洪区洪水淹没模型中的应用[J]，广东轻工职业技术学院学报，2006，5（2）：19-21

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。