紹興平原河網(wǎng)模型研究與應(yīng)用

陳 飛，應(yīng)曉麗

(紹興市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 紹興 312000)

紹興平原河網(wǎng)模型研究與應(yīng)用

陳 飛，應(yīng)曉麗

(紹興市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 紹興 312000)

紹興平原河網(wǎng)水動力情況復(fù)雜，水利工程眾多.利用MIKE11軟件建立紹興平原河網(wǎng)一維水動力學(xué)模型，用產(chǎn)匯流計算確定了模型的邊界條件，對2場典型洪水進行了率定和驗證.并利用模型在2015年“燦鴻”臺風(fēng)預(yù)報中進行了檢驗，取得了較高的精度，代表水位站最大水位差僅有3 cm.結(jié)果表明，模型在率定期和驗證期模擬效果均良好,給紹興平原的防洪分析提供了技術(shù)支撐.

MIKE11；平原河網(wǎng)；率定驗證；洪水預(yù)報

紹興市位于浙江省中北部、杭州灣南岸，位于東經(jīng)119°53′至121°13，北緯29°13′至30°17之間，市轄區(qū)總面積2 942 km2.紹興平原南高北低，南部為山區(qū)，面積563 km2，北部為平原，面積747 km2，平原高程在4.4～5.5 m之間.紹興平原屬于曹娥江流域，蕭紹運河水系，境內(nèi)河網(wǎng)縱橫，湖泊眾多，有大小河流1 900 km，平原區(qū)現(xiàn)狀水面率高達16%，素有“東方威尼斯”的美譽.歷史上紹興平原是一個多旱澇災(zāi)害的地區(qū)，極端性災(zāi)害和短歷時暴雨頻發(fā).特別是近幾年，梅雨和臺風(fēng)造成的洪水發(fā)生頻率越來越高，洪水造成的財產(chǎn)損失越來越大.

1 模型基本方程

水文演算采用MIKE11[1]軟件中NAM模型.NAM水文模型是一個集總式的確定性概念模型，用于模擬流域內(nèi)的降雨產(chǎn)匯流過程.它將土壤含水量分成積雪儲水層、地表儲水層、淺層或根區(qū)儲水層和地下水儲水層四個部分，分別進行連續(xù)計算以模擬流域中各種相應(yīng)的水文過程.

水動力計算采用MIKE11中的HD模塊[2-3]，本模型洪流演進計算的對象是平原河網(wǎng)，河道交錯，水流流向復(fù)雜，計算采用一維非恒定流方法，圣維南偏微分方程組為：

(1)

(2)

式中：x、t—計算點空間和時間的坐標(biāo)；

A—過水?dāng)嗝婷娣e；Q—過流流量；

h—水位；q—旁側(cè)入流流量；

C—謝才系數(shù)；R—水力半徑；

α—動量校正系數(shù)；g—重力加速度.

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解圣維南方程(見圖1).該格式在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點.Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點.離散后的線形方程組用追趕法求解.

圖1 Abbott格式水位點、流量點布置圖

2 水文和水動力模型構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)概化

MIKE11軟件是由丹麥著名水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)[4]，MIKE11軟件較其他一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢，在于將河道和水工建筑物高度集成化和可視化，且后處理功能強大，為本次防洪分析中眾多水工建筑物的模擬和調(diào)度提供了技術(shù)平臺.

紹興平原河網(wǎng)模型概化了“六縱五橫”骨干河道及其間連接的重要河道共計300余條，共布設(shè)約3 900多個計算斷面；包含有重要湖泊8個，排澇閘、節(jié)制閘12個，鐵路公路涵洞50個，規(guī)劃排澇泵站3個.模型基本上涵蓋紹興平原區(qū)主要河道、全部的排水擋潮閘以及曹娥江上浦閘以下河段，綜合了現(xiàn)有河網(wǎng)、水閘和規(guī)劃河道、泵站、排水擋潮閘的調(diào)蓄與排澇的作用，能適用于紹興平原河道洪流演進的定量分析計算.

紹興平原河網(wǎng)水利計算概化圖(見圖2).

圖2 紹興平原河網(wǎng)水利計算概化圖

“五縱六橫”河道由11條河道組成，五縱為：大坂湖直江、瓜渚湖直江、外官塘、馬山大河、長水江，六橫為：東小江—濱海大河、杭甬運河、三江大河、馬山閘西江、浙東古運河、鑒湖.

共概化的水域面積占紹興平原總水域面積近50%，其他未概化河道均以調(diào)蓄水面的方式加到相鄰的骨干及重要河道上.

2.2 邊界條件

模型研究范圍[5]為:東側(cè)為曹娥江，南側(cè)為南部山區(qū)的山脊線，西側(cè)和北側(cè)與蕭山交界.

上邊界[6]：南部山區(qū)18個流量邊界+曹娥江上浦閘流量邊界，其中南部山區(qū)采用NAM水文模型計算，采用浙江省推理公式和瞬時單位線法驗證，上浦閘流量邊界采用曹娥江流域綜合規(guī)劃修編中數(shù)據(jù)；

下邊界：北部與蕭山交界處為閉邊界，下游與錢塘江交界處為潮位邊界，潮位邊界采用曹娥江河口5年一遇潮位過程線.

3 模型率定和驗證

3.1 模型率定

由于紹興南部山區(qū)沒有流量站，難以對下泄流量進行率定.平水江水庫流域面積較大，并且有準(zhǔn)確的庫容曲線和詳細(xì)的調(diào)度記錄，并且其地形地貌在南部山區(qū)具有代表性，因此利用平水江水庫進行水文模型參數(shù)的率定，得到一套南部山區(qū)的水文參數(shù)，用于其他小流域，并結(jié)合流域出口處水位站進行驗證和調(diào)整，從而推出每個小流域適合的水文參數(shù).

根據(jù)多年洪澇資料分析，選用洪澇發(fā)生時間較近，降雨情況較為典型，實測資料較完整的2013年“菲特”臺風(fēng)暴雨過程進行參數(shù)率定計算.考慮到模型計算穩(wěn)定性及計算時間要求,模型計算時間步長取2 min，空間步長取200～10 000 m不等(見圖3).

圖3 平水江水庫水位過程

經(jīng)調(diào)試后按以下三方面進行率定：

(1)平原河網(wǎng)水位—容積曲線校驗

河網(wǎng)斷面及水位容積概化必須與實際河網(wǎng)水位容積曲線接近，這是平原河網(wǎng)水力計算的關(guān)鍵，表1為不同水位高程下，概化蓄水量與實際調(diào)蓄水量對比情況(水位站為紹興南門站).可以看出，相同水位高程下，概化蓄水量與調(diào)蓄水量基本一致，相對誤差較小.

表1 河網(wǎng)水位容積關(guān)系表

(2)參證站水位

本次選取紹興平原具有代表性的四個水位站作為驗證站點，選定參數(shù)情況下各參證站水位過程成果(見圖4).

圖4 “菲特”洪水各參證站水位過程線

從計算成果可以看出，實測水位過程線與計算值吻合較好，綜合反映了排澇演進計算方法及擬定的參數(shù)是合理的.

(3)總水量平衡

總水量平衡主要包括兩個方面：平原河網(wǎng)進出水量平衡和曹娥江進出水量平衡.

“菲特”洪水期間(從2013年10月6日到2013年10月10日)，平原河網(wǎng)內(nèi)水位從3.9 m到5.02 m，再將回到4.3 m.水文率定結(jié)果(見表2).

表2 水文率定結(jié)果表

從表2可以看出，平原區(qū)和曹娥江進出水量計算差值與實際調(diào)蓄量相比，誤差均在5%以內(nèi)，計算結(jié)果合理.

模型率定[7]主要以糙率系數(shù)為基本率定參數(shù)，平原河網(wǎng)由于橋梁眾多，部分河道漁網(wǎng)密布，因此糙率較大，根據(jù)調(diào)查情況，按河道等級設(shè)置糙率(見表3).

表3 河道糙率表

3.2 模型驗證

本次模型還對“120618”梅雨進行了驗證計算，參證站計算最高水位(見表4).

表4 參證站率定計算成果表

從表4可以看出，參證站計算最高水位與實測最高洪水位十分接近，差值百分比均在2%以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范的要求.

以上驗證結(jié)果表明，本次所建數(shù)學(xué)模型和水利計算所選參數(shù)是合理的，能夠為洪水預(yù)報及規(guī)劃方案提供計算支持.

4 洪水預(yù)報

2015年6月30日20時“燦鴻”在西北太平洋生成，強臺風(fēng)中心于11日16時40分在舟山市朱家尖鎮(zhèn)登陸.此次“燦鴻”臺風(fēng)對紹興市造成嚴(yán)重影響，截止6月12日，全市因洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失6.2億元，水利工程直接經(jīng)濟損失0.6億元.

為驗證模型的實用性，對“燦鴻”臺風(fēng)進行了預(yù)報檢驗[8]，洪水過程線(見圖5).可以看出，在降雨預(yù)報準(zhǔn)確的情況下，各參證站預(yù)報水位與實測水位擬合較好，說明紹興平原河網(wǎng)模型具有較高的精度，可以用于洪水預(yù)報.

圖5 “燦鴻”洪水各參證站水位過程線

5 結(jié) 論

針對紹興平原河網(wǎng)的特點，建立了基于水文與水力學(xué)相結(jié)合的洪水預(yù)報模型，利用模型對2015年“燦鴻”臺風(fēng)洪水進行早期預(yù)警預(yù)報，主要參證站洪水位過程預(yù)報結(jié)果較好，最大水位差僅有3 cm.

本模型具有較強的理論依據(jù)和應(yīng)用價值，對同類洪水預(yù)報有一定的借鑒意義，為紹興平原的洪水預(yù)報提供了一定的技術(shù)支持.但仍有需要進一步討論的問題：

(1)需要在更多的洪水預(yù)報中進行驗證，進一步完善洪水預(yù)報模型，提高洪水預(yù)報效果.

(2)盡快把曹娥江上浦閘以上流域建入到模型中來，使模型更具有可信性.

(3)探討建成洪立預(yù)報系統(tǒng)，把歷史上歷次臺風(fēng)和降雨資料錄入系統(tǒng)中，根據(jù)臺風(fēng)特點，匹配出歷史上最相似的臺風(fēng)路徑和降雨過程，進行更精確的早期洪水預(yù)警.

[1] 丹麥DHI公司.MIKE11用戶手冊[M].丹麥：DHI公司,2008.

[2] 林 金.MIKE11模型在臺州市區(qū)河網(wǎng)納污能力計算中的應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2014,26(1)：13-18.

[3] 童云英，李東風(fēng)，聶 會.大田平原河網(wǎng)水動力和平面二維數(shù)學(xué)模型研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2016，28(1)：14-17.

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[6] 陳衛(wèi)金，李東風(fēng)，張紅武.紹興平原河網(wǎng)防洪排澇水動力模型控制條件分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2014,26(3)：38-41.

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HydrodynamicModelforPlainRiverNetworkinShaoxing

CHEN Fei,YING Xiao-li

(Shaoxing Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Shaoxing 312000,China)

The hydrodynamic situation of river network in Shaoxing plain is complex,and there are many water conservancy projects. One-dimensional hydrodynamic model of Shaoxing plain river network based on MIKE11 software is established,and the boundary conditions of the model are determined by runoff calculation,therefore,the calibration and validation for two typical floods is conducted. The model was tested in 2015 in the forecasting of typhoon "Chanhong",with the maximum water level difference in 3cm. The results show that the proposed model has good simulation effects,providing technical support for flood control analysis of Shaoxing plain.

MIKE11; plain river network; calibration and verification; flood forecasting

2016-06-13

陳 飛(1985-)，男，山東榮成人，碩士，工程師，主要從事水動力及洪水預(yù)報工作.

P334+.92

A

1008-536X(2016)10-0043-05