杭州市上塘河流域防洪能力分析

姬戰(zhàn)生,張飛珍,孫映宏

(1.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站,浙江 杭州 310016;2.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江 杭州 310020)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),人為改變行洪道、人為設(shè)障、侵占或填埋河道等人類與水爭(zhēng)地的行為時(shí)有發(fā)生,使流域防洪能力不斷下降,且其下降速度甚至快于防洪建設(shè)所提高的防洪能力[1],人為因素在一定程度上加劇了洪澇災(zāi)害發(fā)生的程度。在此背景下,對(duì)流域防洪能力的研究顯得尤為重要。杭州市上塘河流域所在行政區(qū)主要是江干區(qū)和下城區(qū),撤村建居、大規(guī)模房地產(chǎn)項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)等使城市化進(jìn)程不斷加快,流域下墊面發(fā)生巨大變化,產(chǎn)匯流速度加快,洪水演進(jìn)變得更加復(fù)雜,進(jìn)一步校核流域的防洪能力十分必要。

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)平坦,水系發(fā)達(dá),河道縱橫交錯(cuò),主支流間層次復(fù)雜,形成環(huán)狀河網(wǎng),不但受本區(qū)域天然來(lái)水影響,還與上游入流、支流來(lái)水、下游外海潮位 (或外江、湖水位)、水利工程調(diào)度等有密切聯(lián)系,整個(gè)洪水演進(jìn)過程極其復(fù)雜[2]。綜合考慮地區(qū)可能的邊界條件,建立水動(dòng)力學(xué)模型,采用數(shù)值方法對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的洪水過程進(jìn)行模擬,是目前較為有效的研究平原河網(wǎng)地區(qū)水力特性的手段。本文在實(shí)測(cè)水文、斷面資料的基礎(chǔ)上,依據(jù)流域內(nèi)水利工程調(diào)度原則,利用MIKE11一維水動(dòng)力模型HD和SO模塊,模擬流域內(nèi)河道洪水演進(jìn)過程,確定上塘河流域整體防御能力。

1 基本情況

1.1 流域水系

上塘河水系杭州部分范圍西北至上塘河分水嶺,東至赭山港、規(guī)劃京杭運(yùn)河二通道,南至錢塘江,西至京杭運(yùn)河,面積約171 km2。流域內(nèi)河河網(wǎng)縱橫交錯(cuò),主要有備塘河、赭山港、喬司港、三義港、東風(fēng)港、勤豐港、丁橋港、油車港、引水河、二號(hào)港、三號(hào)港、白石港、筧橋港、五號(hào)港等河流,外與錢塘江、運(yùn)河、上塘河干流相溝通。

1.2 現(xiàn)有水利工程設(shè)施及其防洪調(diào)度

1.2.1 上塘河干支流主要水利工程及防洪調(diào)度

上塘河干支流主要排澇閘有五堡閘、姚家壩閘、德勝壩閘、日暉壩閘和施家橋閘,主要翻水站有德勝壩翻水站、姚家壩翻水站和備塘河翻水站。

因上塘河水系地勢(shì)上高于運(yùn)河水系,錢塘江一帶地勢(shì)稍高于腹地,雨洪經(jīng)上塘河匯集后,以向運(yùn)河排泄為主。當(dāng)預(yù)報(bào)有大雨時(shí),停止三堡排灌站和德勝壩翻水;當(dāng)發(fā)生大雨時(shí),打開施家橋、姚家壩、日暉壩、南應(yīng)加河等水閘向運(yùn)河排澇,打開余杭東風(fēng)閘向海寧排澇,并加大七堡泵站排澇能力。

1.2.2 內(nèi)河河網(wǎng)主要水利工程及防洪調(diào)度

為滿足排澇、工農(nóng)業(yè)用水和改善水環(huán)境,在上塘河流域內(nèi)河河網(wǎng)上建有眾多的排灌站、排澇站和節(jié)制閘以調(diào)節(jié)水流。主要翻水站有三堡排灌站、五堡排灌站;主要排澇閘有顧家橋閘、橫河閘、三堡排澇閘、七堡船閘、全福閘、赤岸閘、東風(fēng)閘等。主要節(jié)制閘多數(shù)分布在江干區(qū)運(yùn)河?xùn)|片,按河道的底高程劃為彭埠片、筧橋片和丁橋片。彭埠片河道由御道閘、錢家閘、普福閘、朝北五圣閘和云峰閘等閘門控制;筧橋片河道由筧橋閘、錢福閘、閘斗門閘及顧家橋船閘等控制;丁橋片河道由上塘河沿線諸閘控制。

暴雨洪水期間,內(nèi)河河網(wǎng)澇水通過錢塘江、運(yùn)河、上塘河干支流向外排澇。其中,向錢塘江排洪主要通過五堡排灌站、七堡船閘等閘站;向運(yùn)河排洪主要通過三堡排澇閘、顧家橋閘、橫河閘等閘站;向上塘河干支流排洪主要通過全福閘、備塘河閘、赤岸閘、東風(fēng)閘、勤豐閘、丁橋排澇站等閘站。

1.3 區(qū)域現(xiàn)狀地形及高程

上塘河流域地勢(shì)相對(duì)較高,多數(shù)地塊(78.15%)高程在5.20 m以上。上塘河水系所處區(qū)域地形可分為2部分:一部分為山區(qū),位于區(qū)域西北部,面積約9.1 km2,地勢(shì)均在6.0 m以上,分水嶺處高程最高達(dá)150 m。另一部分為平原地帶,面積約161.9 km2,平原地帶中地勢(shì)較高處為南部錢塘江沿岸,大多數(shù)在6.0 m以上,最高達(dá)9.0 m;地勢(shì)較低處為北部上塘河沿岸附近,半山、丁橋、星橋、臨平等處部分地坪高程在4.8 m以下。

2 防洪水力計(jì)算

本文采用丹麥水利研究所 (DHI)研制的MIKE11河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型水動(dòng)力模塊(HD)進(jìn)行防洪水力計(jì)算。MIKE11是模擬一維水流、泥沙和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件,適合于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算。

2.1 水動(dòng)力HD模型

一維水動(dòng)力模型的Saint-Venant方程組[3-4]:

式中:x為距離坐標(biāo),m;t為時(shí)間坐標(biāo),m;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Q為流量,m3/s;h為水位,m;q為旁側(cè)入流量,m3/s;C為謝才系數(shù);R為水力半徑,m;g為重力加速度,m/s2。

HD模型利用Abbott 6點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組,該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量,而是按順序交替計(jì)算水位或流量,分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。該格式無(wú)條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的克朗數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定,可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省計(jì)算時(shí)間[5]。

2.2 水工建筑物的模擬

平原河網(wǎng)地區(qū)水力條件相當(dāng)復(fù)雜,泵站、水閘、船閘、涵洞、堰等水工控制建筑物對(duì)河網(wǎng)水流形態(tài)影響很大。因此,在平原河網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力模擬過程中,不僅要正確地模擬這些水工建筑物的位置、規(guī)模,而且還要準(zhǔn)確地模擬其控制運(yùn)行方式[6]。MIKE11系列軟件中的水工建筑物模塊(SO)功能非常強(qiáng)大,不僅可以模擬堰、閘、涵洞、泵、橋梁等各種水工建筑物,而且還能準(zhǔn)確、靈活地模擬各種水工建筑物的調(diào)度規(guī)則。在這些建筑物處,圣維南方程組已經(jīng)不再適用,MIKE11/SO模塊也根據(jù)水工建筑物的水力學(xué)特征作了相應(yīng)特殊處理。

MIKE11/SO模塊中的可控結(jié)構(gòu)物Control Str.功能最為強(qiáng)大,實(shí)用性最強(qiáng),模擬難度也最大。模擬基本思路是,首先對(duì)可控結(jié)構(gòu)物的位置、類型、各種屬性進(jìn)行定義;其次確定各調(diào)度方案的優(yōu)先級(jí);最后確定當(dāng)前調(diào)度方案的調(diào)度控制方式。調(diào)度方案的優(yōu)先級(jí)是if/else、if/end的關(guān)系,根據(jù)用戶設(shè)定的優(yōu)先級(jí)別依次往下執(zhí)行其調(diào)度控制方式,并根據(jù)調(diào)度控制方式中的判斷條件來(lái)判斷是否執(zhí)行此優(yōu)先級(jí)調(diào)度方案。調(diào)度控制方式中主要有表格 (Tabulated)、PID算法、動(dòng)量方程 (Momentum equation)、迭代 (Iterative solution)、全開 (Fully Open)、關(guān)閉 (Close)、保持不變(Unchanged)、隨給定的質(zhì)而變 (Change with)、等于某給定值 (Set equal to)等計(jì)算模式,用法靈活多變。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),大多數(shù)情況下,計(jì)算模式采用Tabulated即可模擬現(xiàn)實(shí)許多可控結(jié)構(gòu)物。

模型對(duì)上塘河干流及內(nèi)部河網(wǎng)的節(jié)制閘、排澇閘、泵站等50余項(xiàng)水工建筑物分門別類進(jìn)行概化,對(duì)上塘河干流的半山拱橋、宣杭鐵路橋、永寧橋等阻水橋梁進(jìn)行了詳細(xì)勘測(cè)及概化,并依據(jù)杭州市城郊河道管理處提供的 《上塘河流域防洪調(diào)度規(guī)則》對(duì)水工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行模擬調(diào)度,以準(zhǔn)確模擬河道最高洪水位的實(shí)際情況。

2.3 邊界條件

錢塘江采用五堡和七堡潮位邊界;運(yùn)河采用塘棲站水位邊界;上塘河采用臨平上水位邊界。

2.4 河網(wǎng)概化

河網(wǎng)概化的基本原則是概化河網(wǎng)要基本反映天然河網(wǎng)的水力特性,即概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力2個(gè)方面必須與實(shí)際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致[7]。模型計(jì)算范圍為整個(gè)上塘河水系杭州部分,并將邊界適當(dāng)擴(kuò)大至京杭運(yùn)河,最終將河網(wǎng)概化為121條河道,選用1 245個(gè)最新水域調(diào)查的實(shí)測(cè)斷面資料,計(jì)算出各種水力條件下河道特征斷面水位過程。河網(wǎng)概化情況見圖1。

圖1 河網(wǎng)概化圖

2.5 模型驗(yàn)證

通過模擬研究區(qū)域1996年6月29日20時(shí)至7月6日8時(shí)的洪水過程,進(jìn)行相關(guān)模型參數(shù)率定和檢驗(yàn),河道糙率優(yōu)化取值范圍為0.025～0.038[8]。區(qū)域內(nèi)河道調(diào)查最高洪水位和計(jì)算最高洪水位比較見表1。

表1 驗(yàn)證洪水特征點(diǎn)最高洪水調(diào)查與計(jì)算值比較表 m

由表1可知,模型計(jì)算最高洪水位與實(shí)際調(diào)查最高洪水位吻合程度比較高,計(jì)算誤差相對(duì)較小,參數(shù)率定合理,模型計(jì)算可靠,能較好地反映洪水演進(jìn)規(guī)律,可以用于下一步防洪水力計(jì)算。

3 成果與分析

利用MIKE11一維水動(dòng)力模型計(jì)算上塘河流域骨干河道5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇3種設(shè)計(jì)洪水條件下各樁號(hào)的最高洪水位值,并有代表性地選擇部分河道樁號(hào)點(diǎn)的最高洪水位進(jìn)行區(qū)域防洪能力分析,河網(wǎng)水力計(jì)算成果見表2,主要特征點(diǎn)位置見圖2。

表2 河網(wǎng)內(nèi)代表性河道樁號(hào)點(diǎn)最高洪水位計(jì)算表m

圖2 河網(wǎng)水利計(jì)算主要特征點(diǎn)位置圖

上塘河流域大部分區(qū)塊地勢(shì)較高,但上塘河和備塘河交界位置正好位于北部地勢(shì)低洼區(qū)塊,上塘河樁號(hào)9 830～16111 m沿岸和備塘河樁號(hào)11 117m附近,地勢(shì)較低,堤頂高程基本在4.40～4.70 m。5a一遇設(shè)計(jì)洪水條件下,各河道最高洪水位遠(yuǎn)低于堤頂高程,在河道防御能力之內(nèi);10a一遇設(shè)計(jì)洪水條件下,上塘河該段河道最高洪水位在4.45 m左右,基本到達(dá)堤頂高程高度,且達(dá)到防御的上限;20a一遇設(shè)計(jì)洪水條件下,上塘河和備塘河該段河道最高洪水位在4.50～4.75m,高于河道堤頂高程。

綜上分析,上塘河流域內(nèi)河河網(wǎng)骨干河道現(xiàn)狀的防洪能力不足20a一遇,上塘河現(xiàn)狀的防洪能力不足10a一遇,整個(gè)上塘河流域現(xiàn)狀防洪能力不足10a一遇。

4 結(jié) 語(yǔ)

上塘河流域多數(shù)地塊地勢(shì)較高,北部半山、丁橋、星橋、臨平等處上塘河沿線地勢(shì)較低。上塘河樁號(hào)9 830～16111 m沿岸堤頂高程僅為4.40～4.60 m,而現(xiàn)狀工況10a一遇設(shè)計(jì)洪水條件下河道最高洪水位在4.25～4.45 m,已基本達(dá)到防御上限。因此,整個(gè)上塘河流域現(xiàn)狀防洪能力不足10a一遇。

根據(jù)流域防洪調(diào)度規(guī)則,對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)泵站、閘、涵洞、橋梁等人工控制建筑物進(jìn)行準(zhǔn)確模擬非常困難,是建模的難點(diǎn)和重點(diǎn)。模型充分利用MIKE11水工建筑物SO模塊的多功能性和靈活性,體現(xiàn)了該軟件水工建筑物調(diào)節(jié)功能強(qiáng)大的突出優(yōu)點(diǎn),為平原河網(wǎng)地區(qū)眾多繁雜的水工建筑物模擬提供了一種便捷、行之有效的解決辦法,可在平原河網(wǎng)地區(qū)防洪水力計(jì)算中推廣應(yīng)用。

[1]劉興華.流域防洪能力研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[2]劉芹.平原河網(wǎng)水力計(jì)算及閘群防洪體系優(yōu)化調(diào)度研究 [D].南京:河海大學(xué),2006.

[3]Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Modeling System for Rivers and Channels Reference Manual[R].上海:Danish Hydraulic Institute,2007.

[4]Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Modeling System for Rivers and Channels User-Guide Manual[R].上海:Danish Hydraulic Institute,2007.

[5]盧士強(qiáng).平原感潮河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用 [D].上海:同濟(jì)大學(xué),2003.

[6]朱琰.太湖流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)研究[D].南京:河海大學(xué),2003.

[7]楊松彬,董志勇.河網(wǎng)概化密度對(duì)平原河網(wǎng)水動(dòng)力模型的影響研究 [J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(5):567-570.

[8]孫映宏,姬戰(zhàn)生,周蔚.基于MIKE11 HD和NAM耦合模型在河流施工圍堰對(duì)防洪安全影響分析中的應(yīng)用與研究 [J].浙江水利科技,2009(2):30-34.