預(yù)泄對平原河網(wǎng)洪澇災(zāi)害的影響分析

陳 飛

（紹興市水利水電勘測設(shè)計院， 浙江 紹興 312000）

1 問題的提出

紹興市位于浙江省中北部、杭州灣南岸，東連寧波市，南臨臺州市和金華市，西接杭州市，全市總面積8 279 km2。紹興平原位于紹興市北側(cè)，是紹興市最發(fā)達地區(qū)，主要為越城區(qū)、柯橋區(qū)和上虞區(qū)的一部，面積為747 km2，高程主要在4.4 ~ 5.5 m。

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，大小河流共計約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。

歷史上紹興平原既是一個洪澇災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，也是一個相對缺水的地區(qū)。梅汛期和臺汛期洪水發(fā)生頻率較高，嚴(yán)重威脅居民生命和財產(chǎn)安全；干旱極端天氣也時有發(fā)生，給經(jīng)濟造成巨大損失。

2 水文模型

2.1 基本原理

水文演算采用MIKE11軟件中NAM模型[1]。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。它將土壤含水率分成積雪儲水層、地表儲水層、淺層或根區(qū)儲水層和地下水儲水層4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。

2.2 水文分區(qū)

紹興平原水文分區(qū)[2]主要根據(jù)本次研究范圍內(nèi)的主要公路、鐵路及重要河道進行劃分，南部山區(qū)則按照流域集雨面積進行劃分，水文分區(qū)見圖1。

圖1 水文分區(qū)圖

2.3 設(shè)計暴雨

選擇紹興平原具有代表性的4個站點（錢清、紹興、富盛、馬山閘）作為參照站，統(tǒng)計年最大1日、3日、7日同場雨量，面雨量計算采用泰森多邊形面積權(quán)重法（見表1）。同時，紹興平原南部尚有部分山區(qū)，其設(shè)計暴雨采用臨近的漓渚站與堯郭站作為代表站。

表1 降水量站面積權(quán)重表

根據(jù)暴雨資料系列進行頻率計算，經(jīng)皮爾遜Ⅲ型曲線擬合得設(shè)計暴雨成果見表2。

表2 紹興平原設(shè)計暴雨成果表

圖2 紹興平原最大1日、3日、7日暴雨頻率曲線圖

2.4 設(shè)計洪水

產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流的簡易扣損法。假定土壤最大含水率為100 mm，前期土壤含水率為75 mm，則初損為25.0 mm，最大24 h后損為1.0 mm/h，其余后損為0.5 mm/h。根據(jù)水利計算要求對平原內(nèi)各地類進行產(chǎn)水計算。平原區(qū)各地類產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流法。

推流計算按流域面積大小分別采用“浙江省瞬時單位線法”及“浙江水電院推理公式法”，計算成果見表3。

表3 南部山區(qū)設(shè)計洪水表

2.4 河口設(shè)計潮位

曹娥江河口的潮汐為非正規(guī)半日潮，潮波傳入錢塘江至曹娥江河口時已顯著變形，漲潮歷時一般為3 ~ 4 h，不及落潮歷時（約9 h）的1/2。對澉浦站潮位資料及與河口觀測資料進行同步分析后移用至河口處。分析澉浦站設(shè)計高潮位資料后，相關(guān)推求河口設(shè)計高潮位成果見表4。

表4 曹娥江河口設(shè)計高潮位表

3 水動力模型

3.1 基本方程

水動力計算采用MIKE11中的HD模塊[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：

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3）。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3 Abbott格式水位點、流量點布置圖

3.2 河網(wǎng)概化

MIKE 11 軟件的優(yōu)勢在于將河道和水工建筑物高度集成在一起，水文和水動力模型可耦合計算，可視化和后處理功能強大。

本次模型概化了紹虞平原河網(wǎng)中“六縱五橫”骨干河道及其間連接的重要河道計210余條，共計概化河道斷面約4 000個；包含重要湖泊10個，規(guī)劃和現(xiàn)狀排澇閘、節(jié)制閘、泵站計12個，杭甬鐵路和104國道涵洞50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)蓄與排澇作用，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)水利計算概化見圖4。

圖4 紹興平原河網(wǎng)水利計算概化圖

模型概化了整個紹興平原近60%的水域面積，其他河道均以調(diào)蓄水面的方式加到相鄰的骨干及重要河道上。

3.3 邊界條件

模型研究范圍[4]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：南部山區(qū)18個流量邊界+曹娥江上浦閘流量邊界；下邊界：北部與蕭山交界處為蕭山邊界水位，下游與錢塘江交界處為潮位邊界。

4 模型率定和驗證

4.1 模型率定

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[5]計算。經(jīng)調(diào)試后按以下3方面進行率定。

4.1.1 平原河網(wǎng)水位—容積曲線校驗

表5為不同水位高程下，概化蓄水量與實際調(diào)蓄水量對比表（水位站為紹興站）。從表5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。4.1.2 參證站水位

表5 河網(wǎng)水位容積關(guān)系表

本次選取紹興平原具有代表性的2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5。

圖5 “菲特”臺風(fēng)洪水各參證站水位過程線圖

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。

4.1.3 總水量平衡

總水量平衡主要包括2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”臺風(fēng)洪水期間（從2013年10月6 — 10日），平原河網(wǎng)內(nèi)水位從3.90 m到5.02 m，再回到4.30 m。率定結(jié)果見表6。

表6 水量平衡結(jié)果表

從表6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5.0%以內(nèi)，計算結(jié)果合理。

4.2 模型驗證

本次模型還對“120618”梅雨進行驗證計算，參證站計算最高水位見表7。

表7 參證站率定計算成果表

從表7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，差值均在2.00%以內(nèi)。

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，能夠為河網(wǎng)預(yù)泄提供計算支持。

5 預(yù)泄分析

由于2013年“菲特”臺風(fēng)期間紹興站水位為有歷史記錄以來第二高水位，且時間晚于曹娥江大閘建造的時間，洪水造成巨大的經(jīng)濟損失，因此以本次臺風(fēng)為例分析預(yù)泄對紹興平原的影響。

曹娥江河口大閘于2008年底完工并運行，由此改變了曹娥江受錢塘江潮水影響較大的歷史，也為下游高潮位時依然可以采用泵站強排提供了有利條件。

2013年“菲特”臺風(fēng)時，由于氣象預(yù)報及時，紹興平原河網(wǎng)提前預(yù)泄[6]，由常水位3.95 m泄至低水位3.60 m，共計排泄水量約3 300萬m3。以紹興站和趙墅站為例，利用模型對非預(yù)泄情況下平原河網(wǎng)水位進行還原，計算結(jié)果見圖7，8。

圖6 紹興站預(yù)泄對比圖

圖7 趙墅站預(yù)泄對比圖

從圖6、圖7可知，洪水提前預(yù)泄的情況下，平原河網(wǎng)代表站紹興站最高洪水位5.02 m，相對于非預(yù)泄情況下最高洪水位5.18 m下降了0.16 m；趙墅站最高洪水位4.88 m，相對于非預(yù)泄情況下最高洪水位5.05 m下降了0.17 m。高水位（指＞4.70 m（農(nóng)田高程）的水位）持續(xù)時間對比見表8。從表8可以看出，相對于非預(yù)泄情況，提前預(yù)泄時紹興平原高水位持續(xù)時間能夠減少9 ~ 10 h。

表8 高水位持續(xù)時間對比表 h

由于紹興平原各頻率洪水位原本相差較小，因此最高洪水位降低0.16 ~ 0.17 m，且高水位持續(xù)時間減少9 ~ 10 h，對于整個平原防洪排澇具有重大意義。同為“菲特”臺風(fēng)影響較大地區(qū)，上虞經(jīng)濟損失16億元，死亡4人，紹興平原（越城區(qū)和柯橋區(qū)）經(jīng)濟損失7億元，無人員傷亡。

6 結(jié) 論

（1）針對紹興平原河網(wǎng)的特點，建立基于水文與水力學(xué)相結(jié)合的水利計算模型。

（2）利用模型對2013年“菲特”臺風(fēng)進行預(yù)泄和非預(yù)泄對比，分別從最高洪水位和高水位持續(xù)時間進行分析，平原河網(wǎng)提前預(yù)泄具有重大意義。本模型具有較強的理論依據(jù)和應(yīng)用價值，為紹興平原水利工程提供理論支撐，也為后續(xù)紹興平原洪水預(yù)報提供一定基礎(chǔ)。仍需進一步討論的問題：①需對在不同預(yù)泄水位情況下，分別對平原河網(wǎng)最高洪水位和高水位持續(xù)時間的影響進行分析，以選出最適合的預(yù)泄水位；②需在更多的洪水預(yù)報中進行驗證和完善，對模型進行進一步優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出洪水預(yù)報模型。