基于Mike3D的典型非洲平原河口洪泛影响研究

基于Mike3D的典型非洲平原河口洪泛影响研究

张庭瑞

中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安710075

摘要：近年来随着极端气候不断加剧，平原河口地区极易遭受洪水侵袭，亟需构建洪水风险分析模型，为制定水安全保障方案及区域规划提供技术支撑。本文依托阿尔及利亚东西高速公路项目，基于高精度DEM数据与世界等高资料（SRTM）构建项目地苏马姆（Soummam）河口地区二维水动力模型，模拟分析了洪涝潮共同作用下的洪水位、流速变化过程，进而探究了不同洪水对淹没范围、外海海面的影响，可为河口地区洪水风险分析提供借鉴，并为相关高速公路项目的工程设计与防灾减灾应急预案提供理论指导。

关键词：河口地区  Mike3D  水动力学模型  洪水模拟

1.概述

河口是河流注入海洋、湖泊或其他河流的地方，也是陆海相互作用的集中地带，在人类活动及历史变迁中，河口经济较为发达、人口密度大，是滨海城市环境特色最鲜明、形象最具代表性、活力最充盈和土地价值最宝贵的区域，但随着土地开发建设速度加快，人水争地矛盾突出，包括天然排洪空间萎缩在内河口地区环境高度承压。同时，河口地区一般地处台风走廊，地势平坦，特殊的地理位置和自然条件使得河口地区长期面临洪、涝、潮灾害交织的风险，各种物理过程耦合多变且具有复杂的演化机制，极端气候的大背景进一步加剧了河口安全风险。由于其敏感脆弱的生态环境，水安全已成为河口地区开发建设中面临的首要难题。

本文通过作者参与阿尔及利亚高速公路项目的设计实践与经验总结，针对项目东线连接贝佳亚（Béjaïa）港口的贝佳亚高速近苏马姆（Soummam）河口段的水安全，基于高精度DEM数据与世界等高资料（SRTM）构建项目地苏马姆河口地区二维水动力模型，研究不同设计洪水对其的影响范围，并对相关地带的洪泛风险分析进行了归纳总结。

2.数值软件与计算原理

2.1 水流数学模型

近年来，随着计算技术的不断发展和数值模拟技术的持续革新，水流数值模拟已发展成为工程界运用最为广泛的模拟研究手段。一般来说，连续性方程和动量方程被用来描述天然水体运动的控制方程。其中，连续性方程在直角坐标系下可以表述为：

(1)

其中，ζ为水位，u、v为水深平均流速在x、y方向的分量，具有如下形式：

(2)

(3)

其中，u1、u2为三维空间水平面上x、y方向的流速分量；H为水深，H=h+ζ。

动量方程在直角坐标系下可以表述为：

(4)

(5)

其中，f为科氏力系数f=2ωsinφ，ω为地球地转角速度，φ为纬度；ve为有效粘性系数：ve=vt+v，vt为紊动粘性系数，可采用Smagorinsky提出的紊流模型计算；τbx、τby分别为底部切应力在x、y方向分量，τsx、τsy分别为表面风应力在x、y方向分量，具有以下表达形式：

(6)

(7)

(8)

且 (9)

其中，ks为风荷载系数，本文计算中暂不考虑风应力的影响，因此τsx、τsy为0；cf为底部摩擦系数，具有以下表达形式：

(10)

其中，n为河底糙率系数。

2.2 定解条件

水流泥沙模型的控制方程是非定常的，所以在求解基本方程的定解时不仅要有边界条件，而且要有初始条件。初始条件可用两种方式给出：一种是由已有的实测资料用平面内插得到整个计算区域上初始时刻的各函数值，由此给出的初值比较精确，但计算准备工作量较大；另一种方式是选定某一时刻（通常是憩流时刻），将函数初始值近似地认为是常数。因此，通常我们选定后一种方式，取初始条件为常数，这样既简便又能达到计算要求。

对于边界条件而言，计算结果的正确与否与边界条件是分不开的，边界条件的误差会直接影响整个计算的精度。本文涉及的计算中有固边界（陆边界）和开边界（水边界）：水流固壁边界的法向方向流速满足不可入边界条件，其法向流速为0，而切线方向的流速，在天然的水域计算中，常常采用不可滑移条件，其切线流速为0；水流开边界的模拟则用已知潮位或流量进行控制。

同时，本文因模型需要需考虑动边界，其处理基本原理是：选一个标准水深H1（取H1=0.005m），每个时刻对计算区域的网格点进行扫描，得到每个网格点的计算信息。当某一网格点的实际水深时H1时，认为该点干出，令该节点的流速值为零，关闭该点所在计算单元，并将其水位贮存起来。当计算过程中某一干出点的实际水深H>H2时（取H2=0.1m），说明该点已被淹没，单元重新打开参与计算。

3.研究区域

苏马姆河谷位于阿尔及利亚东北部中部的卡比利亚，在阿尔及尔和君士坦丁的中间。它在西边的朱尔朱拉山地及其由阿格巴鲁-古拉亚山脉向东北延伸的山地和南边的比班山地及其由巴博斯山脉向东延伸的山地之间形成了一条狭窄的西南-东北海沟。上游部分被认为是苏马姆河谷的起点，从布塞拉姆河谷和萨赫勒河谷的汇合处开始，位于阿克布镇西南2公里处，下游的终点是苏马姆河口，位于贝贾亚镇的东郊（见图1）。

图1 研究区域概况 (a)研究区域地理位置，

(b)贝贾亚省水系流域与苏马姆河谷，(c)贝佳亚下游平原河口卫星图

苏马姆山谷地势不平坦。周围的山峰在朱尔朱拉（Lalla Khedidja峰）达到2308米，在巴博斯（Djebel Takoucht）的最西部达到1890米，在阿克法杜达到1600米，在阿格巴卢（Djemâa N'Techeriat）达到1313米，在比班斯达到1100米，在古拉亚山（Pic de la Dent）达到672米。然而，该平原的特点是海拔相对较低，从海平面到Soummam Wadi（Akbou）上游的近170米，悬在平原上的中间高地在某些地方达到400至500米。

苏马姆盆地由一个丰富的水文网络组成，其出口是贝贾亚湾。主要的瓦迪，即苏马姆，长226公里。其源头在艾因贝萨姆（Ain Bessam）和苏尔戈兹兰（Sour El Ghozlane）地区，由于有两条支流：长85公里的埃杜斯河（Oued Eddous）和长54公里的齐安河（Oued Ziane），在阿克布一级与长144公里的布萨拉姆河（Oued Boussalam）汇合处成为苏马姆河。由于大量缺乏大坝、山坡水库和调动农业用水所需的设备，该流域的调蓄滞留洪水能力偏弱，洪泛对于苏马姆盆地平原河口以及贝贾亚镇的影响巨大。

4.模型建立

苏马姆河流域内没有完整的实测地形资料，仅有高速公路S1标段沿线条带状地形测图（比例尺1:2000）。为此，收集苏马姆河流域的SRTM世界高程资料（栅格分辨率90m，见图2），对苏马姆河流域内缺测地形数据进行补充。本次计算范围见图3，其中图中绿色范围采用1:2000地形图，红色范围采用SRTM世界高程地形资料。

图2苏马姆河流域主要干流及支流SRTM地形示意图

图3计算范围示意图

根据上述资料建立了涵盖桥梁及苏马姆河流域内干流及主要支流的数学模型。模型采用非结构三角形网格进行剖分，灵活贴合曲折复杂的岸滩边界，并对工程可能影响到的河道区域进行了局部加密，最小空间步长为2m，计算域内网格节点数为134043个，网格数为267736个。图4所示即为模型网格剖分示意图。

图4模型网格剖分示意图（三维地形）

由于工程靠近地中海海岸，尤其是阿尔及利亚海岸，潮汐非常弱，几乎很少超过20cm，除了天文潮，海岸水位受大气压力和风力作用，尤其是恶劣气候条件的影响，但是，依然很少超过50cm。鉴于其潮汐条件难以充分反映外海水动力的极限条件，因而除了潮汐以外，还需充分考虑外海海面的高度组成，尤其是极端暴风雨期间海面的高度组成情况。通常，极端恶劣气候条件下，受大风作用海面容易形成波浪，波浪的存在造成海面的波动，波峰处海面升高、波谷处海面降低。不过，波峰、波谷先后抵达河口附近时，对于海面高度的改变实际上是呈现周期性变化的，并且，受波浪周期短的特征（该区域风浪或涌浪周期一般小于20s）制约，这种海面的改变实际上是短时间内的，主要对水工结构物的越浪爬高有影响，而难以像长周期潮波一样在一定时间段内对河口水位的持续增大或减小产生持续性累积影响。此外，从河口及海岸地形特征可知，河口宽度小且存在沙体浅滩，外海波浪进入河口及海岸附近水域时，不可避免发生能量损失及破碎，造成波高显著衰减，这将使得波浪难以对河口及上游的水动力发生显著影响。因此，本项目根据地中海潮汐过程并结合历史风暴作用对海面的影响程度，对地中海常规海面过程进行了放大处理。

丹麦DHI公司的MIKE21是一个专业的工程软件包，可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境，已在国内外工程实践中获得了广泛的应用和认可。相比其它商业软件，MIKE21具有计算效率高、稳定性可控、计算精度高等方面的优势，且能方便、合理的模拟涵洞、潜堤、桥墩等人工建筑物的存在对水动力环境的影响。由于本项目所在区域不仅地形复杂，还存在桥墩台等复杂人工建筑物，因此本次选择MIKE21 模型开展相应的计算。

5计算结果与分析

5.1 百年一遇洪水计算条件

根据不同典型河段百年一遇流量结果，以流量2794.87m3/s作为苏马姆河干流水边界；同时，分别以35.54m3/s、197.5 m3/s、56.92 m3/s、46.92 m3/s、73.98 m3/s作为PK0+025.2、PK11+724、PK14+490、PK18+000、PK19+364桥梁横跨河段的支流水边界，各桥梁所在河段位置如图5所示。

图5各桥梁横跨河流位置示意图

考虑极端恶劣气候对于河口及上游水位的影响，构造的具有波动特征并能反映极端气候造成的海面增水及减水过程的外海限制条件如图6所示。

图6 百年一遇外海海面波动特征

根据Google Earth 以及照片显示的地形情况，结合经验糙率取值考虑沿程变化。其中，干流上中游主河槽糙率取0.033，下游至河口段渐变为0.02，两岸滩地糙率取0.045；支流糙率均取0.045。

5.2 百年一遇洪水影响

图7给出了高平潮及低平潮期间苏马姆河河口至河道上游沿程的水面变化。由图7可见：河口涨落潮期间，河口至上游的水面线总体呈现由低至高的变化过程，水面坡度与水下地形近似平行，二者坡度相近，平均在0.8‰左右。由于河口水面差有限，且洪水流量较大，因而，河口海面过程对水面线基本没有影响，河道水位基本不受海面波动影响，主要由洪水流量控制。

图7百年一遇期苏马姆河河口至河道上游沿程水位变化示意图

高平潮期间典型桥梁横跨河段的洪水位、流速计算结果见表1，局部计算水位示意图见图8。

表1 桥梁横跨河段的洪水位、流速成果表

图8 计算河段百年一遇洪水计算水位断面示意图 (A) PK4+200，(B)PK5+000

高平潮及低平潮期间，河口PK0+025.2段的洪水位及流速略有差异，高平潮期间河口区的水位相对略高，流速则相对更低；其它河段的洪水位及流速相同，即使是河口PK0+756段，受大洪水流量下泄顶冲作用，海面波动难以对河口水文要素造成明显影响，这与上述下泄洪水流量大、河口潮汐弱、影响范围不大的论断相符。同时，受洪水流量大、河口潮差小制约，涨落潮期间，河口及河道内并未出现涨潮流现象，均以落潮流为主。

高平潮及低平潮期间，仅入海口计算成果略有差别，计算河段淹没范围、淹没水深及流场、流速大部分相同。计算河段洪水淹没范围示意如图9；流场示意如图10。

图9计算河段百年一遇洪水淹没范围示意图

图10 计算河段百年一遇洪水流场示意图

由图，受上游洪水下泄作用，河道内水位显著抬升，不仅淹没河道内心滩及两岸的边滩，并进一步漫过河岸，淹没河岸周边低洼地区。洪水期间，河道溢洪现象显著，洪水淹没区域相当广泛，河道两岸500m范围内的低洼带基本都处于泛洪区内。并且，涨落潮期间，流速方向均由上游指向下游，即以落潮流为主，未出现方向相反的涨潮流（见图11）。

图11 百年一遇洪水流场典型断面示意图 (A) PK4+200，(B)PK5+000

5.3 重现期1.6年一遇洪水计算条件

作为与百年一遇洪水的对比，根据统计得到的不同典型河段1.6年一遇流量结果，以流量400.81m3/s作为苏马姆河干流水边界。同时，由于支流入汇流量未知，为保守考虑，这里仍分别以35.54m3/s、197.5 m3/s、56.92 m3/s、46.92 m3/s、73.98 m3/s作为PK0+025.2、PK11+724、PK14+490、PK18+000、PK19+364桥梁横跨河段的支流水边界。

基于全球潮波模型对苏马姆河口外的地中海潮汐过程进行预报，藉此给出了河口外常规海面波动过程作为模型的外海开边界条件（图12）。

图12 重现期外海海面波动特征

5.4 重现期1.6年一遇洪水影响

图13给出了高平潮及低平潮期间苏马姆河河口至河道上游沿程的水面变化。由图13可见：河口涨落潮期间，河口至上游的水面线总体呈现由低至高的变化过程，水面坡度与水下地形近似平行，二者坡度相近，平均在0.7‰左右。根据上述干流及支流入汇流量可知，河口入海流量近773m3/s，然而，河口潮差基本在20cm以内，且河口宽度狭窄，潮波能量难以汇聚并向河道上游传播，因而，河口潮位过程对水面线影响较弱，河道水位主要由径流量控制，高平潮及低平潮期间，河道水面线差异不大。

图13 重现期苏马姆河河口至河道上游沿程水位变化

6结论

本文围绕阿尔及利亚东西高速公路项目，对苏马姆河口地区进行了二维水动力模型模拟，分析了洪涝潮共同作用下的洪水位、流速变化过程，进而探究了不同洪水对淹没范围、外海海面的影响，研究发现：

1、不同洪水作用下，苏马姆河口涨落潮期间，河口至上游的水面线总体呈现由低至高的变化过程，水面坡度与水下地形近似平行，河口海面过程对水面线基本没有影响，河道水位基本不受海面波动影响。

2、高平潮及低平潮期间，河道水面线差异不大，计算河段淹没范围、淹没水深及流场、流速大部分相同。

3、相比重现期，百年一遇洪水期间，河道溢洪现象显著，洪水淹没区域相当广泛，河道两岸500m范围内的低洼带基本都处于泛洪区内，且涨落潮期间流速方向均由上游指向下游，即以落潮流为主，未出现方向相反的涨潮流。

参考文献：

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