1.引言山洪多诞生于中小型流域由短时强降雨驱动形成陡涨陡落的地表洪流具备致灾速度快、预报预判难度大、破坏烈度高等典型特征属于危害性极强的一类自然灾害预测预防难度大。如何高效地进行山洪灾害防控是防洪减灾体系建设中亟待解决的难点问题。及时有效的灾害预警是决定山洪灾害防控成败的关键提高洪水过程模拟精度是提升山丘区防灾减灾能力的核心需求。本文将以北京市门头沟区樱桃沟流域为例介绍一、二维耦合水动力方法在流域暴雨山洪风险模拟分析中应用。2.研究区域概况樱桃沟位于北京市门头沟区妙峰山镇东部是一条南北走向、长约22公里的沟谷为永定河支流之一。流域呈树叶状东面、西面、北面都有大山环绕地势大体东北西三面较高南面较低。流域面积33.4sq km主河道长12.7km干流平均比降49.17‰流域水系图见下图所示。图1 樱桃沟流域水系图3.模型构建3.1网格划分基于流域边界及河道边界划分非结构三角形/四边形混合网格构建山洪分析2d计算域其中沟谷河道采用顺水流方向曲边四边形网格其他采用三角形网格以适应山脊线和河道岸线的不规则形状。干流河道采用一维模拟一维河道与二维模型通过河道两岸侧向连接进行耦合模拟河道与两岸地表水流交换网格划分如下图所示。图2 网格划分图局部放大3.2产流模型在水文计算中初损主要涉及到植物的截流作用以及填洼此外还需考虑土壤的初始水分含量。而后损则主要取决于土壤的渗透能力这一能力与土壤的类型、土壤的初始水分含量以及降雨的强度紧密相关。基于二维网格构建的地表产流模型网格上的产流量为净雨扣除下渗量值。下渗计算可采用最大恒定渗流能力或者Horton下渗公式后者是一个经验公式用于描述渗透能力的变化趋势描述如下当渗透能力逐渐降低时该方程可描述如下同时当下渗能力开始恢复时可描述如下4.提交计算任务用户可选择模拟计算区域根据雨型分布和降雨历时计算面降雨量的时程分配结果。再输入植物截留、蒸发量、下渗计算参数提交计算任务。其中下渗计算可采用恒定的最大下渗能力和霍顿公式进行计算如下图所示。图3 计算输入参数图4 降雨时程分配图5 实时反馈计算进度5.结果查看5.1一维河道要素一维河道的中心线、采样线、边界线以及断面高程点如下图所示。图6 一维河道要素5.2河道横断面结果河道横断面结果查看可以在单独的对话框中按照河流-河段下拉菜单进行选择同时提供了视图中点选断面采样线的方式进行多断面对比查看如下图所示。图7 点选断面采样线查看横断面结果图8 对话框查看横断面结果5.3河道纵断面结果勾选相应的目录树弹出的按照河流-河段组织的纵断面结果如下图所示。图9 对话框查看横断面结果5.4网格结果查看对1d,2d耦合问题查看流速、水面高程、水深变量云图需要特别对1d结果进行处理可依据河道边界线生成插值三角网格将1d节点结果插值到三角网格再与2d部分合并更进一步的将网格矢量结果转栅格通过webGIS平台进行可视化展示如下图所示。图10 水面高程时间序列变量云图图11 水深时间序列变量云图图12 流速时间序列变量云图5.5监测点过程线查看对风险点位及重点保护对象可输出水位、流量时序过程数据如下所示可直观的查看峰现时刻、洪峰流量、最高水位等信息。除固定输出的以外用户还可以用鼠标查询任意点位、任意时刻的水位、水深信息。图13 监测点过程线6.结语本文以北京市门头沟区樱桃沟流域为示范构建了一套基于一二维耦合水动力模型的山洪灾害模拟技术体系。针对山丘区地形陡峭、汇流迅速、边界复杂的特点模型采用了非结构混合网格与侧向耦合技术有效解决了河道急弯、断面突变及漫堤行洪的精细模拟难题同时结合Horton变渗率产流机制与植物截留等下垫面物理过程有效提升了山区强降雨条件下山洪过程模拟的科学性与精准度对提升中小流域防灾减灾能力、科学制定防洪策略、优化灾害风险管理具有至关重要的意义。注本文所用空间数据均来源于公开资源仅用于模型试验与技术研究不作正式工程依据与参考。基于一二维耦合水动力模型的山洪模拟