陳 翔，王慶平

(寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000)

我國(guó)東南部部分沿海地區(qū)作為典型的內(nèi)陸河流和海洋的連接區(qū)域，流域內(nèi)上游山區(qū)洪水泛濫，中游受河流徑流影響，下游出口受潮波等海洋動(dòng)力的影響，是一個(gè)復(fù)雜多變的開(kāi)放的動(dòng)力體系。中下游河段水流同時(shí)受上游河川徑流、內(nèi)澇水蓄滯、下游淺海潮波的影響，水流流態(tài)復(fù)雜，流速大小、方向往返不定，再加上自然河道中河床高低起伏較大及氣象因素引起的非周期性增(減)水，更增加了水流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。當(dāng)上游發(fā)生大洪水，下游又遇大潮頂托，就容易導(dǎo)致洪水下泄不暢，水位急劇上升，很容易釀成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。至今，水利工作者雖對(duì)洪澇潮水流運(yùn)動(dòng)方面進(jìn)行了大量工作[1- 4]，但由于其水動(dòng)力過(guò)程的復(fù)雜性以及不同區(qū)域之間的差異性，仍然需要做進(jìn)一步的深入研究。

文章創(chuàng)建了考慮到洪、澇、潮共同作用的水文學(xué)及水動(dòng)力耦合模型，并結(jié)合區(qū)域DEM數(shù)據(jù)以及河口地區(qū)洪水預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)時(shí)校正、提高洪水預(yù)報(bào)精度。從而為防洪減災(zāi)提供更準(zhǔn)確的決策信息，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)水利規(guī)劃、感潮河段堤防建設(shè)及合理開(kāi)發(fā)利用區(qū)域自然資源具有十分重大意義。

1 模型構(gòu)建

洪澇潮三水作用段水流在徑流、潮流、河道地形變化等諸多因素的共同作用下，水流波動(dòng)及紊動(dòng)效應(yīng)顯著。忽略波動(dòng)作用的水動(dòng)力模型應(yīng)用在感潮河段尤其是強(qiáng)潮河段時(shí)會(huì)引起較大誤差。根據(jù)感潮河段水流特性并結(jié)合實(shí)測(cè)資料分析，基于波動(dòng)、紊動(dòng)作用對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響，并通過(guò)理論推導(dǎo)及概念分析采用水力要素(水位和流速)來(lái)構(gòu)建其表達(dá)式。根據(jù)感潮河段水流運(yùn)動(dòng)分層的特點(diǎn)，上層水流考慮波動(dòng)作用，下層水流忽略波動(dòng)作用，構(gòu)建垂向洪潮耦合模型。

GIS技術(shù)和DEM數(shù)據(jù)信息提取為模型前期搭建以及模型數(shù)據(jù)輸入提供精確的資料[5- 6]，降雨、蒸發(fā)、流量、水位等觀測(cè)誤差抗差技術(shù)的引入，以及實(shí)時(shí)洪澇預(yù)報(bào)綜合修正技術(shù)保證了洪澇預(yù)報(bào)的精度。

1.1 洪水演算模型

馬斯京根作為河道流量驗(yàn)算方法，具有物理基礎(chǔ)強(qiáng)、簡(jiǎn)單合理的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但在感潮區(qū)馬斯京根方法并不適用，文章通過(guò)對(duì)河道槽蓄方程及水量平衡方程方法進(jìn)行改進(jìn)及推導(dǎo)，使其能同樣適用于河道水位驗(yàn)算，并與二維河網(wǎng)模型進(jìn)行耦合，構(gòu)成洪澇耦合模型。

河道槽蓄方程及水量平衡方程反應(yīng)了流量和水面比降對(duì)河道槽蓄量的影響[7]。式(1)為河道槽蓄方程，屬經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?2)為水量平衡方程，屬物理模型。

W=K[χI+(1-χ)Q]

(1)

(2)

式中，K—蓄量流量關(guān)系曲線的坡度；I—河段上斷面入流量；Q—河段下斷面出流量；W—河段蓄水量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蓪⒑拥啦坌盍扛呕癁楹佣伍L(zhǎng)和河段斷面面積關(guān)系的物理方程，如式(3)所示。

W=A×L

(3)

(4)

假設(shè)河段上下斷面均能滿足曼寧公式，則流量可表示為：

(5)

(6)

(7)

式中，A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；n—糙率；i—水面比降；ε—濕周；a1和a2—在滿足曼寧公式的前提下是相等的。對(duì)于實(shí)際河段，由于上下斷面糙率、河床差異性，可將a1和a2作為參數(shù)來(lái)進(jìn)行模型計(jì)算，以此來(lái)充分反映實(shí)際河道情況。

聯(lián)立式(2)，通過(guò)式(5)和式(6)，進(jìn)行差分求解，可得：

(8)

式中，下標(biāo)1和2表示時(shí)段初和時(shí)段末；Hr為河道水位。

1.2 澇水演算模型

我們將洪水定義為經(jīng)由山區(qū)或半山區(qū)匯入干流的上游來(lái)水，澇水定義為平原區(qū)內(nèi)部由于排泄不暢蓄積后留在支流或蓄滯區(qū)內(nèi)部的水。澇水如何進(jìn)入到干流或相應(yīng)河道中，對(duì)整個(gè)模型設(shè)計(jì)以及模型模擬精度都至關(guān)重要。

洪澇結(jié)合有兩種模式[8]：外排通暢，澇水直接通過(guò)閘、堰、泵或漫灘進(jìn)入干流與洪水結(jié)合；外排不暢，洪水可通過(guò)倒灌進(jìn)入澇水區(qū)域增加澇水量，澇水待洪水退卻也會(huì)再次經(jīng)由閘、堰、泵進(jìn)入干流，并最終排出。

根據(jù)洪澇水相互結(jié)合的理念，可通過(guò)式(9)進(jìn)行洪澇水水位驗(yàn)算：

(9)

式中，Qi—澇水量，結(jié)合式(5)、式(6)，進(jìn)行差分，則河道水位為：

(10)

1.3 洪澇潮耦合模型

通過(guò)GIS信息對(duì)河道周邊地區(qū)進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)提取，并根據(jù)河道周邊片區(qū)內(nèi)具有阻水、匯水功能的設(shè)施(如地坪較高的道路、立交橋等)將片區(qū)進(jìn)行劃分，在DEM數(shù)據(jù)足夠精細(xì)的前提下，可劃分為多個(gè)網(wǎng)格狀的片區(qū)。根據(jù)片區(qū)大小分片制定河網(wǎng)水位與片區(qū)水量交互模型，用以模擬河道與周邊片區(qū)對(duì)洪水的調(diào)蓄作用。洪澇潮耦合模型計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 洪澇潮耦合模型計(jì)算流程圖

(1)河道漫堤模型

將河段堤防概化為堰壩，如果河道水位超過(guò)河道堤防高程，則洪水漫過(guò)堤防就近進(jìn)入平原河網(wǎng)及低洼地區(qū)。

(11)

式中，φ—堤防漫堤流量系數(shù)；B—漫堤堤防長(zhǎng)度；H—漫堤水頭；Zu—河道內(nèi)水位；Zd—河道周邊低洼地水位。

(2)河道潰堤模型

河道潰堤是一種具有突發(fā)性和不確定性的災(zāi)害，潰堤的形狀、位置等的多變性，給計(jì)算潰堤量帶來(lái)困難，根據(jù)GIS信息實(shí)時(shí)獲取河道易潰堤地段，對(duì)河道堤防低地段進(jìn)行模擬，洪水破堤漫灘后，采用二維非恒定流計(jì)算方法。

守恒型二維淺水方程與對(duì)流擴(kuò)散方程耦合的矢量表達(dá)式為：

(12)

(3)改進(jìn)的低洼地回水模型

河道水位降低后，滯蓄在低洼地區(qū)、農(nóng)田、山塘的水量則通過(guò)下滲或管網(wǎng)再次匯流到河道中，由于地下管網(wǎng)資料在一個(gè)區(qū)域缺乏較多且不準(zhǔn)確，可以將低洼地回水計(jì)算全部概化為下滲處理，在簡(jiǎn)化計(jì)算模型的前提下保證數(shù)據(jù)資料的準(zhǔn)確性。

格林-安普特下滲公式可表示為：

FM=K(Z+H+φ)/Z

(13)

考慮到格林-安普特下滲公式中一些變量很難觀測(cè)到，同時(shí)結(jié)合土壤下滲能力為土壤含水量對(duì)土壤毛管水壓力的影響關(guān)系，根據(jù)改進(jìn)后的格林-安普特下滲公式[11]，計(jì)算低洼地實(shí)際下滲率FC。

(14)

(15)

式中，F(xiàn)M—平均下滲速率；fC—穩(wěn)定下滲率；KF—滲透系數(shù)；WM—低洼地平均蓄水容量；W—土壤含水量；FC—流域?qū)嶋H下滲率；Fmm—最大下滲能力；BF—下滲能力曲線指數(shù)。

2 模型應(yīng)用

文章選取浙江省白溪流域作為模型的應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用效果，分析其適應(yīng)性和有效性。

白溪流域位于浙江省東部地區(qū)寧?？h，流域內(nèi)地勢(shì)西高東低，為沿海多山丘陵區(qū)，流域面積427km2，河道平均坡降12.8‰。其中流域內(nèi)主河道沿途經(jīng)過(guò)岔路、上金、前童、馬婆園、水車(chē)等村鎮(zhèn)，在白嶠港流入三門(mén)灣，注入東海。城鎮(zhèn)人口、田地主要分布在干流兩岸，其農(nóng)田灌溉、生活、牲畜和工業(yè)用水主要依靠干流的水源。白溪流域不僅是浙江省四大暴雨中心之一，每年還多次遭受臺(tái)風(fēng)襲擊，如“云娜”“海棠”“麥莎”“卡努”“莫拉克”“菲特”等臺(tái)風(fēng)給居民造成了上百億的經(jīng)濟(jì)損失，防汛形勢(shì)嚴(yán)峻。

文章通過(guò)洪澇潮耦合模型，對(duì)該流域進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，以期還原歷次臺(tái)風(fēng)暴雨災(zāi)害情況，為該區(qū)域洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

根據(jù)近幾年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取2009～2015年流域內(nèi)5場(chǎng)洪水資料，通過(guò)四個(gè)主要測(cè)站洪水水位過(guò)程資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定；選取2015～2016年3場(chǎng)洪水資料，通過(guò)6～8個(gè)測(cè)站對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。由于流域上游為白溪水庫(kù)和西溪、黃壇水庫(kù)，在資料率定及檢驗(yàn)期水庫(kù)下泄流量按實(shí)際下泄量進(jìn)行模型上邊界計(jì)算。流域下游為入?？?，以實(shí)測(cè)潮位資料進(jìn)行模型率定和檢驗(yàn)。各測(cè)站率定期和檢驗(yàn)期模擬結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

洪澇潮耦合模型洪水率定期，5場(chǎng)洪水中20個(gè)測(cè)次最大誤差0.31m，確定性系數(shù)平均達(dá)到0.8；檢驗(yàn)期3場(chǎng)洪水中18個(gè)測(cè)次最大誤差0.36m，確定性系數(shù)平均0.8，其中4個(gè)測(cè)次確定性系數(shù)達(dá)到0.9以上。該結(jié)果也證明了洪澇潮耦合模型在進(jìn)行洪澇模擬計(jì)算中整體模擬效果良好。

表1 率定期模擬結(jié)果

表2 檢驗(yàn)期模擬結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)于區(qū)域洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警若單獨(dú)采用二維水力學(xué)模型分析計(jì)算，一方面區(qū)域范圍內(nèi)外基礎(chǔ)資料收集困難，另一方面計(jì)算復(fù)雜；若僅采用水文學(xué)模型，雖然計(jì)算速度快，可較好模擬洪水在河道中演進(jìn)過(guò)程，但無(wú)法反映河道兩側(cè)居民區(qū)淹沒(méi)情況。構(gòu)建基于GIS技術(shù)和DEM數(shù)據(jù)信息提取的綜合流域洪澇潮耦合模型，能很好地解決以上問(wèn)題，為區(qū)域規(guī)劃、洪澇預(yù)報(bào)、洪水影響分析、災(zāi)后評(píng)估提供技術(shù)手段。

模型在計(jì)算中對(duì)不同流域、不同類(lèi)型洪水的適應(yīng)性有較大變化，為使模型能較好地使用于不同地區(qū)和不同類(lèi)型的洪水，還需要經(jīng)過(guò)大量的應(yīng)用和實(shí)踐。

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