孟鉦秀，黃琳煜，楊曉斌

（上海市浦東新區(qū)水文水資源管理署，上海 200129）

浦東新區(qū)地處長(zhǎng)江口和杭州灣交匯處，瀕臨東海，受海洋氣候的影響，每年汛期（6 — 9月）容易遭受臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣強(qiáng)降雨引起的內(nèi)澇和風(fēng)暴潮災(zāi)害，易面臨“風(fēng)、暴、潮、洪”三碰頭，甚至四碰頭的威脅，防洪排澇任務(wù)艱巨[1]。近年來(lái)，短歷時(shí)、強(qiáng)降雨、多尺度的大暴雨頻頻發(fā)生，對(duì)浦東防洪排澇管理提出越來(lái)越高的要求。目前，浦東新區(qū)已積累了大量水文在線監(jiān)測(cè)、河網(wǎng)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)等信息，為構(gòu)建現(xiàn)代化防洪排澇預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)提供良好的基礎(chǔ)。本研究基于SOBEK模型構(gòu)建的浦東水利片河網(wǎng)模型，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)不同等級(jí)的全流域面雨量，應(yīng)用模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出浦東新區(qū)臨界安全雨量。并且嘗試模擬不同梯度雨量下，可采取的防汛管理措施，使水位不超或者少超警戒水位，為浦東河網(wǎng)應(yīng)急調(diào)度提供參考依據(jù)。

1 研究目標(biāo)

本研究應(yīng)用浦東水利片河網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)不同降雨條件、潮位條件與水閘調(diào)度方式的組合情景下，計(jì)算浦東的水位變化情況，運(yùn)用GIS手段展示并分析計(jì)算結(jié)果，以研究浦東新區(qū)理論最大安全降雨量、不同梯度雨量下的防汛管理措施，為浦東提高防汛管理水平，降低防汛管理成本提供更加充分、量化的技術(shù)支持。

（1）模擬不同降雨量發(fā)生時(shí)浦東的水位超警戒情況，以計(jì)算理論最大安全降雨量，分析不同降雨量下浦東洪澇風(fēng)險(xiǎn)情況；

（2）模擬不同的梯度雨量方案下，采取何種防汛管理措施，以減少洪澇風(fēng)險(xiǎn)；

（3）模擬不同降雨量與不同潮位的組合方案，分析浦東河網(wǎng)特性、排水格局及風(fēng)險(xiǎn)范圍，同時(shí)提取支撐調(diào)度決策研究的關(guān)鍵信息。

2 河網(wǎng)模型原理

水動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)河網(wǎng)水系水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種模擬，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算可以預(yù)測(cè)各種降雨標(biāo)準(zhǔn)、邊界條件、控制條件下的河網(wǎng)水位和流量變化，水動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)相當(dāng)成熟，應(yīng)用甚廣。

本次計(jì)算范圍屬平原河網(wǎng)地區(qū)，范圍大而河道密集。本項(xiàng)目中水動(dòng)力學(xué)模型主要以浦東水文署已有的浦東水利片水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，將其轉(zhuǎn)換成所需的SOBEK模型，并用于河網(wǎng)水位、流量的預(yù)報(bào)。

2.1 水動(dòng)力模型基本方程

水動(dòng)力模型基本方程采用Saint - Venant方程組[2]，數(shù)值離散方程采用成熟的Preismann四點(diǎn)隱式差分格式，聯(lián)立方程求解。

水量基本方程，一維明渠非恒定流Saint - Venant方程組:

式中:t為時(shí)間坐標(biāo)，h；x為空間坐標(biāo)，m；Q為流量，m3/s；Z為水位，m；u為斷面平均流速，m/s；n為糙率系數(shù)；A 為過(guò)流斷面積，m2；B為主流斷面寬度，m；R為水力半徑，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；BW為水面寬度（包括主流寬度B及起調(diào)蓄作用的附加水面寬度），m；g為重力加速度，m2/s。

對(duì)水量基本方程，采用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散[3]。

2.2 河網(wǎng)泵閘系統(tǒng)控制模塊

泵、閘調(diào)控方式的模擬是水動(dòng)力模型的重要組成部分。根據(jù)上海的河網(wǎng)特征、水資源合理調(diào)度的客觀要求以及水利工程運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4]，遵循防汛時(shí)按照防汛安全要求調(diào)度、平時(shí)按照改善水質(zhì)和保障用水需要調(diào)度的原則，對(duì)泵閘的運(yùn)行方式按照閘內(nèi)外的水位控制、閘關(guān)聯(lián)水系的區(qū)域平均水位控制以及時(shí)間控制等多重要求進(jìn)行精細(xì)的模擬。

2.3 降雨徑流模塊

不同的下墊面具有不同的產(chǎn)流規(guī)律，降雨徑流模擬將本區(qū)域下墊面分成水面（包括河道、湖泊等水面）、水田、旱地或綠地和城鎮(zhèn)道路等覆蓋面，按照水文學(xué)的原理和方法來(lái)分別計(jì)算分塊區(qū)域的產(chǎn)匯流。

2.4 計(jì)算方法

對(duì)過(guò)閘流量及區(qū)間調(diào)蓄作用采用成熟的模塊進(jìn)行精細(xì)模擬；降雨徑流過(guò)程模擬，則是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨和下墊面的類型，采用“扣損法”計(jì)算凈雨深及產(chǎn)流過(guò)程。

3 主要研究?jī)?nèi)容

3.1 河網(wǎng)模型率定

通過(guò)水文分區(qū)劃分、河網(wǎng)構(gòu)建、水工建筑物和邊界條件設(shè)置，浦東水利片河網(wǎng)模型中的水系河網(wǎng)概化見(jiàn)圖1。利用2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行率定驗(yàn)證，結(jié)果顯示，選取的40個(gè)實(shí)測(cè)水位站點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合度較好，其中平均最高水位絕對(duì)誤差為0.070 7 m，平均高水位絕對(duì)誤差為0.040 0 m，達(dá)到預(yù)期的模型精度要求。

圖 1 河網(wǎng)概化圖

3.2 理論最大安全降雨量的計(jì)算

理論最大安全降雨量，是探求浦東新區(qū)河網(wǎng)在常規(guī)狀態(tài)下所能承受的最大降雨量。其判斷標(biāo)準(zhǔn)為:某種強(qiáng)度的雨量發(fā)生時(shí)，在常規(guī)水閘調(diào)度方式（非防汛預(yù)警下的引清調(diào)水方式）下，即不采取任何水閘防汛調(diào)度措施時(shí)，浦東能承受的最大雨量。也就是說(shuō)，實(shí)際降雨量在理論最大安全降雨量以下，浦東內(nèi)河水位總體不超過(guò)警戒值；大于此降雨量，內(nèi)河水位將超過(guò)警戒值，可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。

本文采用的浦東內(nèi)河水位警戒值取自浦東水文署課題“浦東新區(qū)內(nèi)河警戒水位研究”成果，取值為:大治河以北3.20 m，大治河及大治河以南3.30 m[5]。

通過(guò)試算不同降雨量下浦東河網(wǎng)的最高水位，以不超過(guò)警戒水位為標(biāo)準(zhǔn)，得出理論最大安全降雨量。其中:

（1）降雨:在實(shí)際生活中，降雨具有時(shí)空不確定性、降雨強(qiáng)度的多樣性，模型無(wú)法窮盡。這里，選取實(shí)際工作中出現(xiàn)較多的降雨歷時(shí)12 h的雨量過(guò)程進(jìn)行模擬分析。根據(jù)浦東水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取12 h降雨總量分別為50，60，70，80，100 mm的典型降雨過(guò)程進(jìn)行試算。模型的模擬期為24 h，降雨主要集中在中間12 h，雨峰出現(xiàn)在第12個(gè)小時(shí)至第13個(gè)小時(shí)之間，雨峰偏大。假定在各場(chǎng)典型降雨下，整個(gè)浦東水利片降雨過(guò)程相同。通過(guò)試算不同強(qiáng)度的雨量，得到降雨歷時(shí)為12 h時(shí)，浦東河網(wǎng)所能承受的理論最大安全降雨量。

（2）以蘆潮港潮位站作為代表，潮位選擇稍不利情形“藍(lán)色警戒潮位”，潮峰時(shí)間對(duì)應(yīng)雨峰時(shí)間?？紤]到匯水時(shí)間，潮峰落后雨峰2 ～ 3 h。

（3）水閘調(diào)度考慮全區(qū)排水最大化，設(shè)定 “全部排水”的調(diào)度規(guī)則。

（4）預(yù)降水位和閘內(nèi)最低控制水位這2個(gè)特征水位的設(shè)定，參考2011 — 2012年浦東2個(gè)排水較為不利的水位站 — 祝橋站、惠南站的水位雨量過(guò)程線（見(jiàn)圖2 ～ 3）。如圖3所示，非汛期進(jìn)行引清調(diào)水時(shí)，2個(gè)站點(diǎn)的水位最低值趨近于2.50 m，且2013年 “菲特”臺(tái)風(fēng)暴雨來(lái)臨前水位也預(yù)降至2.50 m，因此把2.50 m作為此次研究的預(yù)降水位和最低控制水位。

圖 2 2011 — 2012 年祝橋站水位雨量過(guò)程線圖

圖 3 2011 — 2012 年惠南站水位雨量過(guò)程線圖

3.2.1 洪澇風(fēng)險(xiǎn)組合

此次研究基于“不利”形勢(shì)進(jìn)行，將降雨（雨量大小、降雨歷時(shí)、雨型）、潮位（大小、潮型）、水閘調(diào)度方式、預(yù)降水位等前置條件進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)組合。

結(jié)合上述前置條件，應(yīng)用河網(wǎng)模型，分別計(jì)算各種雨量條件下河道計(jì)算點(diǎn)的最高水位。以大治河以北3.20 m、大治河及大治河以南3.30 m作為風(fēng)險(xiǎn)線，對(duì)河道水位做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。各梯度降雨下洪澇風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)圖4（其中12 h梯度雨量50 mm時(shí)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)）。

圖 4 12 h 60 mm 雨情下河網(wǎng)超警戒風(fēng)險(xiǎn)情況圖

3.2.2 確定理論最大安全降雨量

理論最大安全降雨量基于梯度雨量洪澇風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)研究確定。根據(jù)梯度雨量風(fēng)險(xiǎn)分布圖，12 h 50 mm雨情下，河道均未超出警戒水位；12 h 80 mm雨情下，大治河以北與以南都有部分河道超出警戒值。因此，根據(jù)理論最大安全降雨量的定義，在50 mm與80 mm之間確定理論最大安全降雨量值。

模型計(jì)算12 h 60 mm雨情下，水位超警戒風(fēng)險(xiǎn)情況。可以看出，大部分河道未超出警戒值，超出部分應(yīng)是模型精度不佳導(dǎo)致，分析判斷實(shí)際情況下很可能未超警戒值。因此，可認(rèn)為60 mm為浦東降雨歷時(shí)12 h對(duì)應(yīng)的理論最大安全降雨量。

3.3 梯度雨量方案的防汛管理措施分析

當(dāng)降雨量超過(guò)理論最大安全降雨量，研究不同梯度雨量下，分別采取何種閘門(mén)調(diào)度方案，包括選取不同的水閘調(diào)度方式，閘內(nèi)最低控制水位、預(yù)降水位，使得全區(qū)水位不超警戒值、或者少超警戒值，從而在一定程度上節(jié)省防汛管理成本，提升調(diào)度針對(duì)性。

本次研究的防汛管理措施包括:水閘調(diào)度方式的選用、預(yù)降水位和閘內(nèi)最低控制水位2個(gè)特征水位的設(shè)置。

在12 h 80，100，120，150 mm設(shè)計(jì)面雨量條件下，研究防汛管理措施的效果，評(píng)估目標(biāo)為水位超警戒風(fēng)險(xiǎn)。此處降雨、潮位、水閘調(diào)度方式的確定方法均與理論最大安全降雨量相同。特征水位分別在2.50 m的基礎(chǔ)上降低0.10，0.20，0.30 m，分別為2.40，2.30，2.20 m（極限值）（見(jiàn)表1）。

表 1 梯度雨量預(yù)降方案表

研究表明:在80 mm雨情下，特征水位為2.20 m時(shí)，整個(gè)片區(qū)恰未超警戒水位。而100，120，150 mm降雨下，特征水位控制在2.20 m時(shí)，河道水位仍有不同程度的超警風(fēng)險(xiǎn)。因此，在12 h雨量超過(guò)100 mm的情況下，采用預(yù)降水位與最低水位控制的管理措施，且水位降低至極值2.20 m，仍有一部分地區(qū)可能存在洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）基于浦東水利片水動(dòng)力模型的SOBEK模型模擬結(jié)果基本能夠滿足區(qū)域水位模擬和體現(xiàn)防汛調(diào)度的要求，所確定的參數(shù)基本能反映河道和流域特征。

（2）降雨歷時(shí)采用12 h，潮位為“藍(lán)色警戒潮位”，潮峰時(shí)間對(duì)應(yīng)雨峰時(shí)間，水閘設(shè)定“全部排水”的調(diào)度規(guī)則，預(yù)降水位及閘內(nèi)最低控制水位這2個(gè)特征水位設(shè)為2.50 m的前置條件下，模型計(jì)算得到理論最大安全降雨量為60 mm。

（3）12 h 80 mm雨情下，特征水位控制在2.20 m，整個(gè)片區(qū)恰未超警戒水位；12 h雨量超過(guò)100 mm，特征水位設(shè)為極限值2.20 m，部分河道仍有風(fēng)險(xiǎn)。

（4）未來(lái)降雨的時(shí)空不確定性、降雨歷時(shí)與強(qiáng)度組合的多樣性、潮位的漲落特性，決定了河網(wǎng)的水力條件的千變?nèi)f化，而離線模型只能設(shè)計(jì)若干種簡(jiǎn)單的、典型的條件進(jìn)行模擬計(jì)算，無(wú)法完全模擬所有的真實(shí)場(chǎng)景，計(jì)算仍存在一定的局限性。依托高質(zhì)量的實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是最終目標(biāo)。