構(gòu)建紹興市曹娥江流域水動力模型的探討

吳 勇，何立群

（紹興市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 紹興 312000）

水動力模型是描述流域河網(wǎng)水域水流運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，可為流域內(nèi)防洪、排澇、灌溉、航運(yùn)、水污染治理和保護(hù)等工作提供精確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從已有的成果來看，整個曹娥江流域水動力情況的模型較為缺乏，白立影[1]以曹娥江流域?yàn)槔治鰧Ρ人哪Ｐ团c水動力模型在不同水文條件下的優(yōu)劣，并沒有對其模擬方法、模擬結(jié)果方面進(jìn)行重點(diǎn)討論。

通過構(gòu)建曹娥江流域水動力模型，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計算分析，能掌握整個流域內(nèi)不同水文條件下河流湖泊的水動力狀況，較為準(zhǔn)確的預(yù)測水流流速、水位、水深、流量及其變化過程[2]，但目前對于該方面的工作研究亟待加強(qiáng)。本文主要通過對曹娥江流域?qū)嶋H情況及相關(guān)模型構(gòu)建方法的對比分析，探討構(gòu)建紹興市曹娥江流域水動力模型的可行性。

1 流域概況

曹娥江位于浙江省紹興市，是浙江省八大水系之一，主流澄潭江，發(fā)源于金華市磐安縣尖公嶺，經(jīng)紹興市新昌縣鏡嶺鎮(zhèn)、澄潭鎮(zhèn)澄潭江，北流至紹興市嵊州市城關(guān)鎮(zhèn)附近與新昌江、長樂江、黃澤江匯合后總稱曹娥江，折西北流至紹興市柯橋區(qū)新三江閘注入杭州灣。河道全長197 km，流域面積6 046 km2。

曹娥江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)雨量充沛，多年平均降水量約為1 500 mm，且降水量時空分布不均，年際、年內(nèi)變化較大。降水量最大的年份為1976年2 514 mm，最小為1967年814 mm。全年共有3個雨季，3 — 4月份為春雨季，降水量約占全年降水量的18%；5 — 7月份為梅雨季，降水量約占全年降水量的35%，雨量大且持續(xù)時間長；8 — 10月份為臺風(fēng)雨季，降水量約占全年降水量的15%，受臺風(fēng)影響主要為暴雨，山區(qū)性河道水位易暴漲暴落。

曹娥江干流章鎮(zhèn)以上及支流小舜江湯浦鎮(zhèn)以上為山區(qū)性河段，不受海洋潮汐影響，以徑流作用為主；曹娥江河口大閘建成前，章鎮(zhèn)以下至曹娥江大閘段為感潮河段，其水流動態(tài)不僅受到上游來水影響，也受到下游曹娥江河口海洋潮汐回水頂托的影響，徑流和潮流共同作用；河口大閘建成后，曹娥江干流水流動力受徑流作用。

曹娥江主要支流有左于江、小烏江、新昌江、長樂江、黃澤江、里東江、隱潭溪、小舜江等，除小烏溪、長樂江、小舜江由左岸匯入曹娥江外，其余均從右岸匯入。各大支流中長樂江最大，黃澤江次之，各支流河長及流域面積見表1[1]。

表1 曹娥江主要支流情況表

續(xù)表1

2 模型建立

目前主流的流域模型主要由水文學(xué)模型和水力學(xué)模型通過連接的方法耦合而成[1]。2種模型單獨(dú)計算，通過水文學(xué)模型提供水力學(xué)模型計算的邊界條件，再由水力學(xué)模型進(jìn)行河道水流計算。其中水文學(xué)模型計算的區(qū)間入流，以源項(xiàng)的形式引入水力學(xué)模型，作為旁側(cè)入流加入到河道相應(yīng)斷面中。為水文學(xué)模型與水力學(xué)模型相連接，主要使用MIKE11中的降雨 — 徑流模型（NAM）與水動力學(xué)模塊（DH）。流域模型見圖1。

圖1 MIKE11流域模型圖

2.1 水文產(chǎn)匯流模型

MIKE11的NAM模型主要是一個確定性的、概念性的、集總式模型，簡單、定量的描述陸相水文循環(huán)過程。作為一個概念的集總模型，NAM將整個流域作為一個模擬單元，各參數(shù)或各變量代表整個流域的平均取值，因此，大部分參數(shù)的最終取值需要通過水文監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。模型通過連續(xù)計算4個不同且互相關(guān)聯(lián)的儲水層（Storages）的含水率來模擬流域降雨徑流過程，每個儲水層代表不同的物理單元，分別是積雪儲水層、地表儲水層、土壤或植物根區(qū)儲水層、地下水儲水層。

NAM模型在模擬一個面積大、地形復(fù)雜的流域時，通?；贏reGIS的AecHydro水文分析工具來直接確定地形，按照DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理→確定水流方向→匯流累積柵格計算→提取河網(wǎng)→流域分割等步驟實(shí)現(xiàn)流域水文特征的提取[3]，導(dǎo)入Mike11軟件后，通過輸入降雨、蒸發(fā)、氣溫數(shù)據(jù)，輸出得到地表徑流、地下水位、土壤含水率等數(shù)據(jù)。最后將NAM模型模擬產(chǎn)生的徑流作為旁側(cè)入流進(jìn)入到HD模型的河網(wǎng)中，HD模型將流入的徑流作為計算河道沿程水位和流量的邊界條件處理。應(yīng)用水文模型圖見圖2。

圖2 結(jié)合Aecgis應(yīng)用水文模型圖

2.2 一維水動力模型

水動力計算采用MIKE11中水動力模塊（HD），所采用的基本控制方程為1871年法國學(xué)者Saint - Venant建立的簡單河渠非恒定漸變流運(yùn)動規(guī)律偏微分方程，方程建立在一定的假定前提下，主要包括：①水流是一維的，在整個橫斷面內(nèi)流速均勻，河道曲率所產(chǎn)生的離心作用忽略不計；②橫斷面上的壓強(qiáng)是靜壓分布，垂直加速度忽略不計；③邊界摩擦和紊動影響可用阻力表示。雖然天然河道是及其復(fù)雜多變的，實(shí)際上并不存在一維水流運(yùn)動，但如果從宏觀的流域角度分析水動力情況，研究問題的著重點(diǎn)應(yīng)在斷面平均水力要素上，并不追求某一點(diǎn)的嚴(yán)格正確，因此假定一維水流運(yùn)動是可以接受的[4]。其基本控制方程為：

式中：x，t為距離和時間，為自變量；A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；B為過水?dāng)嗝鎸挾龋╩）；Q為流量（m3/s）；Z為水位（m）；K為流量模數(shù)（m/s），反映時間河道過流能力；Q為旁側(cè)入流流量（m3/s）；Vx為旁側(cè)入流沿河道防汛的速度（m2/s）；α為動量校正系數(shù)，反映河道斷面流速分布的均勻性。

方程組利用Abbott - Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解圣維南方程組。該格式在每一個網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計算流量或者水位，離散后的線性方程組用追趕法求解[5]。Abbott有限差分格式求解法見圖3。

圖3 Abbott有限差分格式求解法圖

2.3 研究范圍及模型概化

研究范圍是曹娥江干流及主要支流沿岸的重要城市、主要城鎮(zhèn)和平原地帶?？h級城市有新昌縣城區(qū)、嵊州市城區(qū)、上虞區(qū)城區(qū)；主要城鎮(zhèn)有長樂鎮(zhèn)、甘霖鎮(zhèn)、新昌城關(guān)鎮(zhèn)、黃澤鎮(zhèn)、三界鎮(zhèn)、章鎮(zhèn)、上浦鎮(zhèn)、湯浦鎮(zhèn)。

曹娥江干流采用非恒定流洪流演進(jìn)計算，根據(jù)防洪保護(hù)對象所處位置及地形、地勢、河勢等具體情況，將研究范圍內(nèi)的曹娥江干流和新昌江、黃澤江、長樂江、隱潭溪、下管溪等主要支流的部分河道盡可能地模擬實(shí)際河道情況，概化時對橋梁、跌水、水閘、堰壩、撇洪渠、各排澇分區(qū)的排水設(shè)施均加以充分考慮，構(gòu)成本次研究水利計算的河道概化圖。曹娥江流域河道概化見圖4。

圖4 曹娥江流域河道概化圖

2.4 邊界條件及模型驗(yàn)證資料

澄潭江上邊界取下岙水文站上游鏡嶺鎮(zhèn)，新昌江上邊界取新昌城關(guān)鎮(zhèn)上游長詔水庫泄洪渠入口處，長樂江上邊界取南山水庫泄洪渠匯入口處，黃澤江上邊界取黃澤鎮(zhèn)上游巧英水庫泄洪渠入口處，隱潭溪上邊界取西方村處，下管溪上邊界取新市村處，范洋江上邊界取彭公閘下，小舜江上邊界取湯浦水庫壩址處，下邊界取曹娥江河口大閘下游。上邊界均采用流量邊界，下邊界取潮位邊界。

為驗(yàn)證所建水利計算模型的合理性和適用性，根據(jù)多年洪澇資料，選擇流域?qū)嶋H發(fā)生較大洪水、洪水發(fā)生時間較近、降雨情況較為典型、未發(fā)生倒堤分洪情況、實(shí)測資料較完整的作為參證洪水。根據(jù)近年來資料，曹娥江流域有4場洪水選用洪澇發(fā)生時間較近，降雨情況較為典型，采用實(shí)測資料較完整的2009年8月6 — 13日的“090806”號臺風(fēng)、“莫拉克”臺風(fēng)、2013年10月6 — 8日的“131006”號臺風(fēng)、“菲特”臺風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證計算。

3 分析與討論

3.1 可行性分析

相較于其他模型，單獨(dú)的水文模型一般不能考慮平原河網(wǎng)區(qū)下游回水頂托的影響，單獨(dú)的水力學(xué)模型一般不能準(zhǔn)確給定流域內(nèi)各分區(qū)的產(chǎn)匯流作用，MIKE11軟件中NAM水文模型與HD模塊相互耦合的模型不僅所需參數(shù)較少，而且同時考慮人類活動、海洋潮汐對地表徑流的影響，這對于曹娥江流域的建模過程尤為重要，因?yàn)樵摿饔虻慕１仨毻瑫r考慮上游山區(qū)性河道來水的影響、下游入河口海洋潮汐的影響、干流沿線水庫、閘門等水利設(shè)施的影響。

黑龍江撓力河[3]、東北遼河[6]等流域也基于MIKE11建立了相應(yīng)的水動力、水文學(xué)、水質(zhì)模型。結(jié)果表明，該模型可以對流域內(nèi)水動力過程進(jìn)行較好的模擬。此外，紹興市平原河網(wǎng)已建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[5]，對未來曹娥江流域模型的建立提供良好的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

3.2 效益分析

基于曹娥江流域水動力模型，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計算分析，在掌握整個流域內(nèi)不同水文條件下河流湖泊的水動力狀況后，即可通過水庫、水閘等水利工程調(diào)度運(yùn)行，通過控制上游來水，排除暴雨澇水，也可通過河流湖泊水體水動力條件變化，分析水體水質(zhì)變化規(guī)律。

總體而言，曹娥江流域水動力模型的構(gòu)建，能為流域內(nèi)河網(wǎng)防洪排澇、河流湖泊治理和規(guī)劃設(shè)計打好基礎(chǔ)。

3.3 難點(diǎn)分析

模型建立后，需要利用已有的實(shí)測資料對模型中參數(shù)（降雨量、蒸發(fā)量等）進(jìn)行率定，主要難點(diǎn)在于流域內(nèi)各水文測站數(shù)據(jù)較少且獲取較為困難。

4 結(jié) 語

已有的研究表明，利用MIKE11軟件對曹娥江流域構(gòu)建一維水動力模型是可行的，在水文及地形數(shù)據(jù)充足的條件下，模擬結(jié)果與實(shí)際相符，具有較好的精度，在洪水預(yù)測、污染物運(yùn)移等方面起到較好的指導(dǎo)作用。但目前曹娥江流域仍存在水文測站數(shù)據(jù)不足、獲取難度大等困難，需進(jìn)一步分析解決。