城市堤防漫决模拟

鲍建华

摘要 洪水灾害是我国城市中发生较为频繁且破坏性较大的自然灾害之一，阻碍城市可持续发展。针对已有研究中设定堤防一点漫决堤情景模拟方法较为单一的缺点，提出多点堤防漫决堤洪水演进方法。以哈尔滨市松北区为实证研究区，以水动力学方法为基础，以不规则网格为洪水灾害数值模型骨架，以一、二维非恒定流为洪水灾害数值模型控制方程，综合构建堤防多点同时漫决堤情景下洪水演进模型，并对研究区不同洪水频率情景进行模拟。研究结果表明，该方法可以较好地模拟多点破堤情景下，即0.5%频率、1%频率、2%频率的洪水演进及叠加效果，其中当破堤1 h后研究区最大淹没水深可达3 m以上，同时利用GIS空间可视化技术对研究结果进行可视化表达，为防洪规划设计提供决策依据。

关键词 洪灾;危险性评价;漫决堤;松北区;情景模拟

中图分类号：X4 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）06-033-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.013

Simulation and Empirical Study of MultiPoint Overflow Dike of Urban Embankment：Taking Songbei District in Harbin as an Example

BAO Jian-hua （College of Tourism and Geographical Science，Jilin Normal University，Siping，Jilin136000）

Abstract Flood disaster is one of the most frequent and destructive natural disasters in Chinese cities.In view of the shortcoming of the scenario simulation method of setting a point overburst in the study，a multipoint embankment flood evolution method was proposed. Based on the hydrodynamic method，with irregular grid as the model skeleton and unsteady flow as the model governing equation，the flood evolution model under the situation of multipoint levee overrunning and bursting at the same time was constructed comprehensively，and the different flood frequency scenarios in the study area were simulated. The results showed that this method could well simulate the flood evolution and superposition results of 0.5%，1% and 2% frequency in the case of multipoint dike breaking，in which the maximum submerged depth of the research area could reach more than 3 m after 1 h of dike breaking. Meanwhile，GIS spatialvisualization technology was used to visualize the research results. The research results can provide decision basis for flood control planning and designing.

Key words Flood;Risk assessment;Flood burst its banks; Songbei District; Scenario simulation

目前，基于水動力学方法的洪水数值模拟研究是洪水灾害危险性分析的主要途径。国外Liang等[1]采用动态链接库方式，整合一、二维水动力学模型，实现洪水灾害危险性模拟;Bladee等[2]、Morales-Hemandez等[3]基于有限体积法分别构建一、二维水动力学模型，并提出基于数值通量的方式将二者进行耦合。随着有限差分法的广泛应用，Lai等[4]提出了适合大尺度水动力模拟的一、二维耦合模型，实现了长江流域洪水演进模拟。我国一些学者依据一、二维水动力学模型耦合[5-6]，采用重叠计算区域法[7-8]、边界迭代法[9]、基于堰流公式[10]的水量守恒法及基于数值通量的水量与动量守恒方法进行求解。重叠计算区域法要求上下游同时采用一、二维模型耦合联解，且满足水位相等、进出流量相等的限制条件;堰流公式法需要满足水量守恒且水力传递关系需合理;边界迭代法在进行洪水演进模拟时，需要注意边界的设定及与外界水量交换过程。已有洪水演进模拟成果多假设一点破堤的情况[11-12]，难以满足实际需要。

针对上述问题，采用有限体积法求解一、二维非恒定流耦合洪水演进模型;引入不规则矢量网格解决动量交换、不规则溃口、堰流公式流量系数选取不确定性等问题。不规则网格能够较好反映地物走势、形状、位置等，且可以存储下垫面属性数据。

1 研究区概况

哈尔滨市松北区（126°33′ E，45°48′ N）位于松花江北岸，面积736.8 km2（图1）。松北区冬长夏短，春季干旱多风，夏季温暖多雨，秋季短暂早霜，冬季寒冷积雪。区内河流纵横，水量丰枯不均，主要江河有松花江及其支流金水河和呼兰河，河流正常年份水量充沛，洪涝年份两岸易受水灾影响，如1998年洪水灾害对哈尔滨市造成巨大损失。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

空间数据采用哈尔滨市松北区DEM和快鸟影像（分辨率0.61 m）数据，下垫面数据（下建筑、路网、河道等）由快鸟影像解译得到。通过下垫面矢量数据与不规则网格数据的交操作，获得具有下垫面信息的不规则网格;属性数据包括历史洪峰流量、频率、防洪堤坝及防洪规划数据，由哈尔滨市水科院提供。

2. 2 研究方法

2.2.1 洪水数值演进模型构建

2.2.1.1 模型不规则网格划分 以往洪水分析数值模型的计算多采用规则网格，但适应区域边界的能力较差。网格形状的选择要考虑如下因素：首先要反映水流动的方向性，即尽量垂直与等高线方向布设;其次，网格边界是水量交换的通道，应尽量沿道路、二级河流布设;再次，考虑到计算的稳定性，相邻网格间高程和面积差距不易过大;最后，网格一般为四边形，只在一些特殊区域采用三角形或五边形[13-14]。依据等高线、路网、河流水系以及已有建筑等情况，将研究区划分为1 626个不规则网格（网格平均面积0.326 km2），3 355个通道（通道平均长度0.587 km），如图2所示。

2.2.1.2 模型网络拓扑关系构建 采用GIS空间关联方法将下垫面信息与不规则网格进行关联，使其具备下垫面基础地理信息。通过一定的编码规则（图3），使网格和通道产生联系，明确一个网格周围有哪些通道，一个通道两侧有哪些网格。由ARCGIS的空间分析功能，综合运用面线转换、求交、求并等方法，建立网格通道拓扑关系，通过图层属性表转换为TXT文件，供程序输入。

2.2.1.3 基本方程 松北区洪水演进数值模拟模型是以一、二维非恒定流方程为基础，根据地形、地物的特点，将模拟范围划分为不规则网格，以这些网格为基本单位，利用有限体积法进行数值计算，求解研究区内的淹没范围和水深。在计算时，通过网格对地形地物进行概化，设置网格类型、高程、糙率、面积修正率等参数，网格与网格之间的水量交换通过通道实现。对于空间尺度较小，不足以概化为网格的二级河道，概化成特殊通道，

二维连续方程：

++=0（1）

二维动量方程：

+++gh+=0（2）

+++gh+=0（3）

式中，h表示水深;H表示水位（H=h+z，z为下垫面高程）;q表示源汇项，在模型中代表有效降雨强度;M、N分别表示x、y方向上的单宽流量;u、v分别表示流速在x、y方向的分量;n表示糙率系数;g表示重力加速度;t表示时间。

一维非恒定流基本控制方程：

++gA=-gASf（4）

式中，Q表示截面流量;A表示计算断面的过水面积;Sf表示摩阻坡降;t表示时间;l 表示网格通道长度。

宽顶堰溢流公式：

Q=mσsH（5）

式中，Qj表示堰顶堰单宽流量;m表示流量系数;Qs表示淹没系数;H表示堰顶水深。

流速计算公式：

V=/h（6）

式中，V表示水流速度;M、N分别表示x、y方向上的单宽流量;h表示水深。

采用Visual C++语言编程。程序流程为：读取网格信息，读取通道信息，读取降雨信息，而后进入循环，判断通道类型，计算通道流量，计算网格水深。计算结果以CSV格式输出，与ARCGIS结合，便于结果的可视化处理。

2.2.2 洪水淹没范围提取方法 首先，由遥感影像及土地利用图提取下垫面信息，如房屋、播种面积、水产面积等;人口、经济、产量数据依据哈尔滨市统计年鉴获得，并将此类属性数据利用GIS关联到矢量数据中;其次，将网格数据与下垫面矢量数据进行空间交操作，使得网格具有下垫面属性数据;最后，利用GIS的空间统计方法得到洪灾淹没范围及承灾体数量。

3 结果分析

3.1 洪水演进过程模拟

洪水淹没是河道水位壅高超过堤防，或是洪水冲破堤防流入保护区所形成的灾害[16]。由于堤防较长[17]，险情往往在多处发生。下面分析了研究区3种频率洪水情况下5处堤防漫决的工况：

（1）50年一遇洪水，洪峰流量16 300 m3/s，5處堤防漫决1 h，总水量29 340万m3。淹没范围及水深分布如图4所示。

（2）100年一遇洪水，洪峰流量19 200 m3/s，5处堤防漫决1 h，总水量34 560万m3。淹没范围及水深分布如图5所示。

（3）200年一遇洪水，洪峰流量22 200 m3/s，5处堤防漫决1 h，总水量39 960万m3。淹没范围及水深分布如图6所示。

图4～6中蓝色为淹没范围，颜色越深表示水深越大。部分网格中积水深超过3 m。由于多个点漫决存在淹没的叠加效应，是城市防洪对策必须考虑的情况。

3.2 洪水淹没范围承灾体提取

承灾体是指直接受到灾害影响或损害的物体，包括人、财产、设施。城市主要包括居民人口、房屋、居委会、单位数量、类型及营业收入;农村主要包括村镇个数、受灾户数与人数、房屋数量、农作物播种面积与产量、水产产量。松北区淹没范围承灾体情况见表1。

4 讨论与结论

以一、二维非恒定流为基本方程，采用不规则网格进行离散，结合GIS技术对哈尔滨市松北区洪水漫决过程进行了演进，得到2%、1%、0.5%洪水多点漫决时的淹没范围及水深分布，并进行了承灾体提取，统计了淹没损失。数值计算中，寻求合适的网格尺寸是下一步重点工作内容。此外，下渗及下垫面物理特性也是影响计算精度的重要因素，也是今后研究的重要方面。

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责任编辑：李杨