0 引言
洪水是我国频繁发生的自然灾害之一，严重威胁着人民的生命财产安全，易造成无法挽回的经济损失。防洪措施包括传统的工程措施和逐步完善的非工程措施。随着我国防洪体系的加强，非工程措施的重要性越来越突出[1]。基于GIS技术、RS技术及网络技术，利用计算得出的洪水风险数据，制作洪水风险图专题图件[2]，可有效地减小洪水来临时该区域的洪水灾害损失[3]，是增强洪水管理的有效措施[4]。
根据国家防办的要求，洪水分析软件可采用MIKE系列软件、HEC-RAS和TABS-RAM2系列软件以及FLO-2D等软件。MIKE系列软件以其强大的前、后处理功能，灵活的耦合特点，强大的卡片设置功能成为世界上最为广泛使用的水力学模型之一[5]。
利用MIKE系列软件进行洪水风险分析时，河道一般建立一维模型，但由于防洪保护区或者行、蓄洪区范围较大，在搭建河网模型时，既要考虑外江与保护区的水量交换，又要考虑保护区内的内河河道与圩区的水量交换，且内河河道难以逐一考虑，部分河道需搭建二维模型。而在进行网格剖分时容易将河道概化，从而使河道丧失其原有的过水能力。内河河道的概化方法多样，不同的概化方法的计算结果也有所差异，概化方法的不当也将增大分析区域洪水风险结果的误差。因此，有必要对河道建模方法进行讨论，分析不同的河道概化方法的洪水演进结果，以探索构建水力模型时合适的河道概化方法。兹以无为大堤防洪保护区为例，基于MIKE系列软件对保护区内的河道建模方法进行研究，分析其洪水演算结果，对比其结果的差异，以期为其他洪水风险分析及水动力分析提供一定参考。
1 无为大堤防洪保护区概况
长江无为大堤自无为县果合兴村至鸠江区方庄村共124.5 km，属长江干流Ⅰ级堤防。无为大堤防洪保护区位于安徽省中部，面积约4 520 km2，人口600多万人，保护耕地427.3万hm2，保护区内含合肥市、六安市、马鞍山市、芜湖市等重要城镇，保护区的防洪安全，是人民安居乐业的基础，也是安徽省经济腾飞的前提。
无为大堤防洪保护区水系（如图1）复杂，洪涝灾害频发[6-7]。根据试算结果，长江发生“1954年型”300年一遇洪水，左岸在二坝镇溃决时，洪水演进不涉及巢湖以北等地区，巢湖闸以下地区是重点考虑的区域，所以河道只考虑西河、兆河、裕溪河等河流。基于综合概率分析方法[8]概化保护区内的线状地物。
图1 无为大堤防洪保护区水系图
2 数值模型
2.1 控制方程
保护区二维模型基于三向不可压缩和Reynolds值均分布的Navier-Stokes方程，并服从Boussinesq假定和静水压力的假定[9]。
连续方程：
动量方程：
式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深；u、v分别为x、y方向上的速度分量；f是哥氏力系数，φ=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S为源项；（us、vs）为源项水流流速；字母上带横杠的是平均值。
2.2 模型构建
无为大堤防洪保护区的河流复杂，长江溃堤洪水模型概化后只考虑西河、兆河、裕溪河3条河流。经试算，海拔大于20 m的区域始终不会被淹没，即海拔大于20 m的区域不参与计算，故将山区抠除，减小模型搭建范围，提高计算速度，处理后的保护区地形如图2所示。
图2 无为大堤防洪保护区地形图
保护区洪水来源主要考虑长江溃堤洪水，长江采用MIKE11构建河道一维模型。长江模型上边界采用大通站“1954年型”300年一遇洪水流量过程，下边界采用马鞍山水位流量关系。保护区分别采用三角形网格、混合型网格及一二维耦合方法建立内河河道及保护区模型，结果如图3所示。三角形网格方案基于计算时间限制，计算采用的网格面积不超过0.1 km2，巢湖网格面积适当加大。混合型网格方案中，河道采用四边形网格，保护区采用三角形网格，河道周边采用渐变型网格与保护区内网格相接。一二维耦合方案中，内河河道和长江共同搭建一维模型，内河与保护区的连接方式为侧向连接。最后采用MIKE FLOOD对长江及无为大堤防洪保护区进行一二维耦合计算，分析保护区内的淹没情况。本研究将溃口设置在二坝镇（见图1），根据经验公式计算，结合历史溃决情况，本次溃口宽度定为600 m，溃堤时刻为溃口水位达到最高时，模型进洪时长1 441 h，溃口采用侧向建筑物连接模拟一二维水量交换。
图3 各方案网格剖分示意图
3 淹没范围分析
图4给出了3种方案计算的洪水淹没范围示意图，图中由浅蓝色到深蓝色代表淹没水深逐渐增大。由图4可知，三角形网格方案和混合型网格方案计算的淹没面积相近，一二维耦合方案计算所得淹没面积约为三角形网格方案和混合型网格方案的57.6%。
三角形网格方案中，由于兆河河道较窄，网格密度不足以支持河道正常的行洪能力，导致洪水并没有通过兆河继续向前演进，而是随着水位的逐渐升高，淹没了西大圩的圩区。
混合型网格计算的淹没范围介于三角形网格方案和一二维耦合方案所计算的淹没范围之间，河道行洪能力充分考虑，洪水先在河道内充分演进，然后在堤防薄弱处向两岸漫溢。
一二维耦合方案的淹没范围比其他2个方案的淹没范围小得多，这是由于模型构建时，一维河道断面的测量密度较小，而实际中沿岸堤防高程差异较大，建模时将堤防薄弱处和险工险段处概化，导致建立的一维河道模型的堤防等级远大于实际堤防等级，河道行洪、泄洪能力偏高，进入保护区内的水量减少，必然导致计算结果偏小。
图4 各方案洪水淹没范围示意图
4 讨论
已有研究[10-14]对3种河道建模方法进行分析，三角形网格与四边形网格混合剖分时，可以有效地控制网格单元的尺寸，提高网格形态质量[10]，其构建的模型计算效果也会优于三角形网格[11]。在进行混合型网格剖分时，对网格质量检查后发现，河道四边形网格与保护区三角形网格交界处易产生发散区域，许多学者[12-13]对此展开了深入研究，并提出了处理方法。采用一维-二维耦合模型进行洪水分析，可以发挥一维模型和二维模型各自的优势，提高计算效率[14]，是进行河道与保护区洪水风险分析的主要方法之一。已有研究主要着重于模型特点的分析，本研究以无为大堤防洪保护区为例，构建了以混合型网格为基础的水动力模型、三角形网格构为基础的模型及一二维耦合模型，通过洪水分析和模型计算，比较三者淹没范围的差异，从而寻找其适用条件及范围，可为其他洪水危险性分析、水动力计算等提供借鉴。
网格剖分是模型构建的基础，而不同的建模方法也会对水量平衡产生不同的影响，因此对不同的建模方法的水量平衡分析有待进一步研究。在进行网格剖分时，网格质量也是影响计算结果的主要因素之一，对局部复杂地形条件下不规则河道进行网格剖分时，模型构建方法也有待进一步分析。
5 结论
1）河道作为保护区内的主要行洪通道，建模方案的选择会改变其行洪能力的强弱，进而必然影响洪水风险分析结果。总结了三角形网格方案、混合型网格方案、一二维耦合方案概化河道模型，其中，一二维耦合方案计算速度最快，是加密后三角形网格方案的5倍左右，是混合型网格方案的2倍左右。
2）保护区采用三角形网格建模是较为常见的河道概化方式。建模时应注意河道网格的适当加密，保证河道的行洪能力，河道加密后计算精度较好，但模型计算时间最长。因此该方案适用于计算时间充足，局部精度要求较高的区域。
3）保护区采用混合型网格建模时可提高计算速度，对比发现，混合型网格建模方法在无为大堤防洪保护区模型构建中最具可操作性，既可以保证河道的正常行洪能力，又提高了计算速度。但河道建模时网格处理过程较为复杂，四边形网格和三角形网格交界处易发散，应注意网格的渐变。
4）保护区采用一二维耦合方案计算时，计算速度显著提高，但易忽略险工险段及堤防薄弱段，导致堤防防洪能力过大。建模时应尽量增加河道断面的采集密度，建议在河道堤防沿岸高程相差不大时使用此方案。
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