王旭瀅，阮跟軍，馬 婷，陳劍平，孫曉峰，鐘 華

(1.中國(guó)三峽上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；2.諸暨市應(yīng)急管理局，浙江 諸暨 311800；3.諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800；4.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

0 引 言

浦陽(yáng)江流域位于長(zhǎng)江三角洲南部，受地理位置和氣候影響，歷史曾遭受多次洪澇災(zāi)害。隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的提高和經(jīng)濟(jì)體量的增加，洪澇災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)影響愈發(fā)嚴(yán)重。為減小流域洪災(zāi)損失，浦陽(yáng)江流域急需開展洪水模擬方法研究并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行情景模擬分析，從而明確流域未來防洪的工作重點(diǎn)。鑒于浦陽(yáng)江流域兩端高、中間低的地形特點(diǎn)，河道水流運(yùn)動(dòng)同時(shí)受上游山區(qū)來水和下游平原河流高潮位頂托的影響，新安江模型中的馬斯京根河道匯流演算無法考慮下游潮位頂托對(duì)洪水持續(xù)時(shí)間的影響。同時(shí)，隨著未來氣候變化和城市發(fā)展等不確定性因素的增加，僅構(gòu)建水動(dòng)力模型無法模擬降雨變化對(duì)流域洪水的影響。針對(duì)單一模型無法滿足模擬要求的情形，水文水動(dòng)力耦合模型應(yīng)運(yùn)而生。模型耦合分為外部耦合、內(nèi)部耦合和全耦合[1]，目前水文模型與水動(dòng)力模型之間仍采用外部耦合較多，即水文模型的輸出作為水動(dòng)力模型的輸入來實(shí)現(xiàn)上下游的水力連接[2,3]；一、二維水動(dòng)力模型之間可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部耦合進(jìn)而模擬洪水漫出河道后的淹沒過程。針對(duì)水文水動(dòng)力外部耦合模型的洪水模擬，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。韓超等[4]在研究區(qū)域降水對(duì)嘉興地區(qū)河網(wǎng)的洪水過程影響時(shí)，將SCS水文模型和MIKE 11水動(dòng)力模型進(jìn)行了耦合；劉瀏等[5]分別在太湖流域的山區(qū)和平原區(qū)構(gòu)建VIC模型和ISIS水力學(xué)模型，為太湖流域洪水風(fēng)險(xiǎn)情景分析奠定了基礎(chǔ)；董湃等[6]、羅文兵等[7]通過耦合水文水動(dòng)力模型，對(duì)平原河湖地區(qū)用地性質(zhì)變化對(duì)排澇模數(shù)的影響展開了進(jìn)一步研究。但目前大多數(shù)應(yīng)用未進(jìn)一步考慮一、二維水動(dòng)力模型的耦合，實(shí)現(xiàn)從降雨到淹沒的全過程模擬和洪水淹沒情景分析，從而提高洪水災(zāi)害評(píng)估的準(zhǔn)確性和可操作性[8]?；谇叭搜芯?，本文分別在浦陽(yáng)江流域的上游山丘區(qū)和下游盆地區(qū)分別構(gòu)建新安江模型和IFMS水動(dòng)力模型，通過耦合水文模型和一、二維水動(dòng)力模型，探究水文水動(dòng)力模型在浦陽(yáng)江流域的適用性，彌補(bǔ)新安江模型中馬斯京根匯流未考慮潮水頂托影響以及水動(dòng)力模型難以響應(yīng)降雨變化的不足；并將水文水動(dòng)力模型應(yīng)用于洪水情景模擬，分析極端降水和人類活動(dòng)影響下的洪水淹沒情況，以增強(qiáng)浦陽(yáng)江流域洪水綜合管理和應(yīng)急響應(yīng)能力。

1 水文水動(dòng)力模型

1.1 研究區(qū)域概況

浦陽(yáng)江流域是錢塘江流域的一部分，地處長(zhǎng)江三角洲南翼。流域總面積3 451.5 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛。夏秋季熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，是流域內(nèi)洪水暴發(fā)的主要原因。浦陽(yáng)江流域地形復(fù)雜多元，包括丘陵、盆地和平原。中部盆地是人口和工業(yè)的聚集地，受盆地地形影響，發(fā)生暴雨洪水時(shí)受到上游山區(qū)洪水和下游錢塘江潮位頂托“兩面夾擊”，洪澇形勢(shì)嚴(yán)峻。浦陽(yáng)江流域沿江地勢(shì)低洼，分布有多個(gè)湖畈，是諸暨防洪重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)，防洪安全主要依靠沿江堤防。特殊的地理位置和發(fā)達(dá)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)使得湖畈地區(qū)防洪任務(wù)十分緊迫。為緩解洪澇壓力，浦陽(yáng)江流域內(nèi)建有水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、電排站等水利工程，對(duì)洪水進(jìn)行蓄、分、排，以提高湖畈地區(qū)的排澇能力。

根據(jù)流域特點(diǎn)，本文采用三水源新安江模型模擬上游山區(qū)產(chǎn)匯流過程，計(jì)算結(jié)果作為一維河道水動(dòng)力模型的輸入；針對(duì)中部盆地，構(gòu)建IFMS一、二維耦合水動(dòng)力模型對(duì)河道洪水和地表洪水的演進(jìn)過程進(jìn)行模擬。

1.2 上游山區(qū)新安江模型

針對(duì)上游山區(qū)水流運(yùn)動(dòng)，建立新安江水文模型，根據(jù)水系分布情況分為8個(gè)子匯水區(qū)，具體建模范圍為：①安華水庫(kù)以上流域；②支流大陳江龍?zhí)稊嗝嬉陨狭饔?；③安華水庫(kù)～丫家楊區(qū)間；④開化江街亭水位站以上流域；⑤五泄江水磨頭斷面以上流域；⑥楓橋江駱家橋斷面以上流域；⑦凰桐江流域；⑧永興河流域，產(chǎn)匯流空間分布如圖1(序號(hào)對(duì)應(yīng))所示。

圖1 產(chǎn)匯流分區(qū)圖Fig.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由于資料年限不統(tǒng)一，因此水文模型與水動(dòng)力模型分開進(jìn)行率定。流域內(nèi)僅安華水庫(kù)和諸暨水文站有長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)流量資料，因此針對(duì)安華水庫(kù)和諸暨水文站兩個(gè)水文分區(qū)建立新安江模型并率定參數(shù)。大陳江流域移用安華水庫(kù)水文參數(shù)，開化江街亭站、五泄江水磨頭、楓橋江駱家橋等其他子匯水區(qū)移用諸暨站水文參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)區(qū)間入流，則采用水文移置法，根據(jù)面積比移用諸暨站分區(qū)洪水過程。率定結(jié)果見表2、表3。

表3 諸暨水文站以上流域新安江模型次洪參數(shù)表Tab.3 Parameters of XAJ model in Zhuji catchment

表1 產(chǎn)匯流分區(qū)表Tab.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由表4可以看出，新安江模型能夠較好模擬上游山區(qū)產(chǎn)匯流過程，徑流深和洪峰相對(duì)誤差均小于20%，除諸暨水文站20110613歷史洪水之外，其余洪水過程模擬確定性系數(shù)均大于0.7。20110613場(chǎng)洪水由于極端降水導(dǎo)致下游退水緩慢，造成諸暨水文站高水位持續(xù)不落，而新安江模型在退水段的模擬無法滿足精度要求導(dǎo)致確定性系數(shù)不高。

表4 新安江模型驗(yàn)證結(jié)果Tab.4 Validation results of XAJ model

1.3 下游一二維水動(dòng)力模型

1.3.1 一維非恒定流模型

河道水流運(yùn)動(dòng)的模擬采用圣維南方程組，方程可以寫為：

(1)

(2)

式中：A為斷面面積，m2；t為時(shí)間，s；Q為斷面流量，m3/s；x為距離，m；q為單位長(zhǎng)度上側(cè)向匯入流量，m3/s；η為河道水位，m；g為重力加速度，m/s2；Sf為摩阻坡降，s2/m3。

建模范圍為干流安華水庫(kù)～聞家堰水位站(見圖2)，概化的主要支流和向上延伸范圍為大陳江至龍?zhí)稊嗝?、開化江至街亭水文站、五泄江至水磨頭、楓橋江至駱家橋。

圖2 一維水動(dòng)力建模范圍Fig.2 1-D hydrodynamic modeling area

河道一維水動(dòng)力數(shù)值模擬對(duì)河道斷面參數(shù)要求較高，同時(shí)受斷面形狀變化的影響也很大，因此選用近二十年發(fā)生的6場(chǎng)歷史洪水進(jìn)行參數(shù)的率定和驗(yàn)證。其中1997、2007、2012、2013、2014年五場(chǎng)洪水用于參數(shù)率定，20110613歷史洪水用于驗(yàn)證。一維河道水動(dòng)力模型的入流邊界由上游山區(qū)新安江模型計(jì)算得到，其中安華水庫(kù)流域洪水需進(jìn)行調(diào)洪演算后作為水動(dòng)力模型輸入，下邊界為聞家堰實(shí)測(cè)水位過程。河段糙率率定結(jié)果見表5。

采用表5的糙率系數(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，20110613典型洪水諸暨站和湄池站水位絕對(duì)誤差小于0.2 m，流量相對(duì)誤差小于20%，驗(yàn)證合格。水文水動(dòng)力組合計(jì)算模型在20110613歷史洪水進(jìn)行模擬時(shí)能夠較為精準(zhǔn)地抓住峰值并模擬出退水段雍水的現(xiàn)象(如圖3)，因此建立的浦陽(yáng)江水文水動(dòng)力組合計(jì)算模型在洪水模擬時(shí)具有一定的適用性和可行性。

表5 浦陽(yáng)江分段糙率系數(shù)表Tab.5 Hydraulic roughness coefficient of Puyang river

表6 20110613洪水一維水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果Tab.6 Simulation results of 1-D hydrodynamic model for historical flood No.20110613

圖3 20110613歷史洪水水位過程Fig.3 Hydrographs of historical flood No.20110613 at Zhuji and Meichi hydrologic stations

1.3.2 二維地表水動(dòng)力模型

水流在地表的演進(jìn)與淹沒采用水深平均的二維淺水方程進(jìn)行描述，將河道兩側(cè)堤防外區(qū)域按照地形地勢(shì)劃分為二維網(wǎng)格；而對(duì)于河道堤防、行洪口門，則采用溢流單元來處理。水深平均的二維淺水方程可以簡(jiǎn)寫為：

(3)

(4)

(5)

式中：h為水深，m；u為x方向的流速，m/s；v為y方向的流速，m/s；sx，sy為源項(xiàng)，m2/s2。采用Godunov法[9]對(duì)上述微分方程進(jìn)行數(shù)值離散。

以諸暨水文站為界，上游以45 m等高線，下游以25 m等高線劃定二維建模范圍共488.7 km2，如圖4所示。對(duì)于二維水動(dòng)力模型來說，由于實(shí)測(cè)資料有限，因此二維水動(dòng)力模型糙率按照經(jīng)驗(yàn)值取0.06。

圖4 一二維水動(dòng)力模型建模范圍Fig.4 1-D and 2-D hydrodynamic modeling area

2 洪水情景模擬

浦陽(yáng)江流域沿江地勢(shì)低洼，分布有多個(gè)湖畈，是諸暨防洪重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)之一。湄池站以下河段受潮水頂托趨勢(shì)加重，高水位持續(xù)時(shí)間明顯延長(zhǎng)，特殊的地理位置和發(fā)達(dá)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)使得湖畈地區(qū)防洪任務(wù)十分緊迫。為緩解湄池地區(qū)洪澇壓力，諸暨市對(duì)境內(nèi)高湖蓄滯洪區(qū)進(jìn)行了分級(jí)改造，以打破分洪困境，同時(shí)對(duì)湖畈堤防進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)提升。根據(jù)浦陽(yáng)江流域洪水特點(diǎn)，結(jié)合致災(zāi)因子變化與水利工程的影響，模擬方案分為洪潮組合和歷史洪水情景，提出共計(jì)9組子情景的模擬方案。

2.1 洪潮組合情景模擬

浦陽(yáng)江流域5年、10年、20年、50年、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨洪潮組合情景模擬結(jié)果如圖5所示，分析統(tǒng)計(jì)各方案淹沒范圍和淹沒水深，并做橫向比較。

圖5 5年一遇～100年一遇設(shè)計(jì)暴雨情景模擬淹沒水深圖Fig.5 Inundation map of designed rainstorm scenario

從5年一遇淹沒水深圖中可見，浦陽(yáng)江流域堤防范圍內(nèi)及各湖畈，沒有發(fā)生淹沒情況。當(dāng)流域上游發(fā)生10年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位時(shí)，依靠各級(jí)防汛體系的科學(xué)防御，大多數(shù)湖畈可確保防洪安全，中游的高湖蓄滯洪區(qū)可維持不分洪，此種情形下僅有葬馬湖和月塘湖兩處湖畈淹沒。流域上游發(fā)生20年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位時(shí)，若開啟高湖蓄滯洪區(qū)一區(qū)，除堤防脆弱的險(xiǎn)工險(xiǎn)段發(fā)生淹沒，流域絕大部分區(qū)域仍可確保防洪安全。流域上游發(fā)生50年一遇、100年一遇洪水，下游遭遇偏惡劣潮位時(shí)，大多數(shù)湖畈會(huì)因堤防不達(dá)標(biāo)發(fā)生潰堤或漫堤，造成淹沒損失。當(dāng)發(fā)生百年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，浦陽(yáng)江流域除諸暨市主城區(qū)外，大部分沿江湖畈發(fā)生漫堤進(jìn)水，淹沒面積達(dá)65.94 km2，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。在此情況下，政府在抵御洪水的基礎(chǔ)上還需及時(shí)轉(zhuǎn)移群眾和物資，避免洪災(zāi)損失的擴(kuò)大。

表7 浦陽(yáng)江洪水模擬方案設(shè)置表Tab.7 Flood scenario description of Puyang river catchment

2.2 歷史洪水情景模擬

為緩解洪澇壓力，諸暨市政府強(qiáng)化了浦陽(yáng)江流域高湖蓄滯洪區(qū)的建設(shè)，并通過優(yōu)化洪水調(diào)度提升整體防洪能力。本節(jié)將基于建立的浦陽(yáng)江水文水動(dòng)力模型，設(shè)置不同歷史洪水模擬情景并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而評(píng)估高湖蓄滯洪區(qū)的有效性。歷史洪水情景主要分為兩類：一類是歷史洪水還原，即分析歷史實(shí)際潰口條件下造成的洪水淹沒；另一類是歷史洪水重演，即分析歷史洪水在現(xiàn)狀條件下造成的洪水淹沒。浦陽(yáng)江流域1997年和2011年遭遇的洪澇災(zāi)害導(dǎo)致多處湖畈潰堤淹沒，因此選取19970709和20110613兩場(chǎng)典型大洪水進(jìn)行計(jì)算分析。

表8 5年一遇～100年一遇設(shè)計(jì)暴雨情景模擬結(jié)果對(duì)比Tab.8 Flood simulation results comparison of designed rainstorm scenario

圖6 歷史洪水情景模擬淹沒水深圖Fig.6 Inundation map of historical flood scenario

表9 歷史洪水模擬歷史與現(xiàn)狀結(jié)果對(duì)比Tab.9 Flood simulation results comparison between historical and current situations

計(jì)算結(jié)果表明，以歷史洪水作為輸入，在堤防加固和啟動(dòng)高湖蓄滯洪區(qū)的情景下淹沒面積和淹沒水深均顯著減少。歷史洪水情景模擬結(jié)果表明，同樣的致災(zāi)因子條件下，現(xiàn)狀防洪工程的提升改造有效遏制了洪水淹沒范圍的擴(kuò)大，通過蓄滯洪區(qū)的應(yīng)急調(diào)度，能夠?yàn)閾岆U(xiǎn)救災(zāi)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。但流域內(nèi)個(gè)別湖畈仍然存在堤防不達(dá)標(biāo)的問題，在現(xiàn)狀防洪體系下仍然易淹易澇，在未來流域防洪規(guī)劃中需重點(diǎn)考慮。

3 結(jié)論與展望

浦陽(yáng)江流域受下游潮位頂托和致災(zāi)因子等不確定性因素影響，單一模型難以滿足模擬精度要求，本文建立新安江_IFMS水文水動(dòng)力模型對(duì)全流域洪水進(jìn)行模擬，并對(duì)上述模型分別進(jìn)行率定和驗(yàn)證。在完成模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，結(jié)合致災(zāi)因子變化和水利工程提升改造對(duì)流域洪水進(jìn)行情景模擬研究。由計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1)新安江-IFMS水文水動(dòng)力模型能夠反映浦陽(yáng)江流域的水文、水動(dòng)力特性，也為其他地形多元的流域洪水模擬精度改善提供了新思路；

(2)浦陽(yáng)江流域發(fā)生洪澇災(zāi)害與極端降水密切相關(guān)，當(dāng)下的防洪體系僅可以抵御50年一遇以下洪水，當(dāng)遭遇超標(biāo)降雨時(shí)，在合理調(diào)度的基礎(chǔ)上還需強(qiáng)化應(yīng)急防洪機(jī)制，及時(shí)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，減少洪災(zāi)損失；

(3)高湖蓄滯洪區(qū)的啟用是減小下游湖畈淹沒范圍的關(guān)鍵，分級(jí)滯洪和優(yōu)化調(diào)度能夠有效減輕流域防洪壓力，在未來防預(yù)案中可進(jìn)一步考慮上游水庫(kù)、中游蓄滯洪區(qū)以及下游電排站的聯(lián)合調(diào)度，通過上下游聯(lián)防聯(lián)動(dòng)增強(qiáng)抗洪能力。

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