鰲江流域洪水風(fēng)險動態(tài)預(yù)警預(yù)報研究

郭 磊，舒全英，劉 攀，熊夢思，朱建友

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院, 杭州 310002；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院, 武漢 430072)

隨著防洪理念由“洪水控制”轉(zhuǎn)向“洪水管理”，防洪非工程措施已成為治理洪水的重要手段[1]。洪水風(fēng)險預(yù)警預(yù)報作為一種重要的防洪非工程措施，能夠提早研判可能出現(xiàn)的災(zāi)害風(fēng)險，為制定防汛抗洪決策提供科學(xué)依據(jù)[2]。然而，傳統(tǒng)的洪水風(fēng)險圖側(cè)重于展現(xiàn)預(yù)定情景下洪水淹沒情況[3]，在時效性和預(yù)報結(jié)合方面研究較少[4]。因此通過流域動態(tài)預(yù)警預(yù)報來提高流域洪水管理水平的呼聲越來越高[5]，將洪水預(yù)報與洪水動態(tài)風(fēng)險分析、影響評估結(jié)合起來，并構(gòu)建流域三維洪水演進場景進行成果展現(xiàn)，為洪水風(fēng)險管理策略和政策提供支持[6，7]。基于此，本文以鰲江流域為研究對象，將流域氣象降雨預(yù)報、潮汐預(yù)報、洪水預(yù)報、動態(tài)洪水風(fēng)險分析和影響評估、基層防汛責(zé)任體系等有機結(jié)合在一起，打通了數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警、預(yù)報、動態(tài)履職等各環(huán)節(jié)，為流域防汛調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

1 流域概況

鰲江是浙江省八大水系之一，是浙江省最南部水系，流域面積1 426 km2[8]。整個流域水系呈樹枝狀，干流全長81 km，全段受潮汐影響。鰲江流域上游缺乏控制性防洪工程，加之河床高，過水?dāng)嗝嫘?，又受下游潮水及支流南港洪水頂托，流域洪?zāi)十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計，建國至2008年末，影響鰲江流的臺風(fēng)共計123次，其中71次造成流域性較大災(zāi)害，即影響臺風(fēng)頻次約2 次/a，形成災(zāi)害的臺風(fēng)比例超過60%。2008年以后，對鰲江流域造成較大影響的臺風(fēng)有2009年“莫拉克”臺風(fēng)、2013年“菲特”臺風(fēng)、2015年“蘇迪羅”臺風(fēng)、2016年“鲇魚”等[9]。鰲江流域作為浙江省遭受洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重和頻繁的區(qū)域之一，開展洪水風(fēng)險預(yù)警預(yù)報研究十分必要。

2 流域耦合模型構(gòu)建

由于鰲江流域洪水主要受山區(qū)流域洪水、水庫下泄、平原河網(wǎng)內(nèi)澇和潮水頂托影響，因此本次建立基于水文學(xué)方法的產(chǎn)匯流模型與基于水力學(xué)方法的河網(wǎng)水動力模型耦合的洪水預(yù)報模型。模型將考慮整個流域情況，上下游邊界、區(qū)間水利工程調(diào)度影響以及區(qū)域內(nèi)山區(qū)與平原之間、平原河網(wǎng)與干流之間的連通性和相互影響，選取典型歷史洪水進行模型參數(shù)的率定和驗證，并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，提取區(qū)域洪水風(fēng)險要素和影響指標(biāo)?？傮w技術(shù)路線如圖1和圖2所示。

圖1 模型分析范圍圖

圖2 洪水分析總體思路圖

2.1 水文學(xué)模型

水文模型是探索和認識復(fù)雜水文循環(huán)過程和機理的有效手段，也是解決許多水文實際問題的有效工具[10]。洪水預(yù)報作為水文水資源中的一個重要分支，在水文學(xué)科的發(fā)展進程中扮演著重要角色。在我國濕潤半濕潤地區(qū)新安江模型被廣泛應(yīng)用于洪水預(yù)報中[11-13]。

本次研究山區(qū)子流域及水庫入庫洪水預(yù)報采用三水源新安江模型。由于篇幅所限，本文僅介紹順溪水庫預(yù)報結(jié)果。順溪水庫是一個中型水庫，位于北港上游的順溪上，壩址以上集水面積92.3 km2，總庫容4 265 萬m3。根據(jù)2003-2007年汛期中5月1日至9月30日1小時段水文資料，選取20050719和20060810場次洪水作為模型率定期，選取20070819和20071007兩場洪水作為模型驗證期。采用混合算法率定模型參數(shù)，三水源新安江模型模擬效果如圖3和圖4所示，相應(yīng)計算結(jié)果見表1。

表1 順溪水庫新安江模型結(jié)果統(tǒng)計

由表1可知，模型率定期和驗證期的確定性系數(shù)分別為87.13%和90.04%，水量平衡系數(shù)分別為0.82和0.91，模擬效果較好，其確定性系數(shù)平均值為84%，峰現(xiàn)時間合格率為100%。表明三水源新安江模型能夠為鰲江流域水庫洪水預(yù)報提供參考依據(jù)。

圖3 率定期洪水過程實測與模擬過程線

圖4 驗證期洪水過程實測與模擬過程線

2.2 水力學(xué)模型

本研究采用MIKE11對研究區(qū)一維河道洪水演進過程進行模擬，計算河道各斷面和潰口處的水位、流量過程線；采用MIKE21的水動力模塊計算江西垟平原區(qū)內(nèi)的洪水淹沒過程，將一、二維模型通過MIKE FLOOD進行耦合。

(1)MIKE11模型。一維模型計算范圍包括鰲江流域全境，包括南港、北港兩個流域，其中北港上邊界選擇順溪水庫下游順溪鎮(zhèn)斷面，下游選擇鰲江河口鰲江潮位邊界；南港上游選擇橋墩水庫壩下，下游經(jīng)朱家站匯入鰲江干流。主要支流如北港支流埭溪、帶溪、梅溪以及南港支流平水溪等均概化到計算模型，其他支流如岳溪、青街溪、鬧村溪、鳳臥溪、觀美溪等以入流(集中、分布)方式匯入，鰲江河口采用鰲江潮位站實測潮位。江西垟平原內(nèi)部概化了滬山內(nèi)河、蕭江塘河等主要河道。如圖5所示，模型總計概化斷面412個，邊界23個，調(diào)蓄概湖6個。

圖5 一維模型計算概化圖

(2)MIKE21模型。二維模型范圍主要為江西垟平原，概化范圍面積達84 km2。計算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格劃分，能較好的擬合計算區(qū)域，區(qū)域共計11 657個節(jié)點，22 460個三角形網(wǎng)格，三角形邊長不超過100 m。網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 二維分析模型網(wǎng)格劃分

2.3 率定與驗證

在洪水預(yù)報中，首先采用新安江模型預(yù)報支流、水庫以上流域的流量過程，而后再采用馬斯京根法演算到集中入流節(jié)點，將節(jié)點流量作為水動力模型的輸入條件。采用2009年“莫拉克”臺風(fēng)洪水率定模型，2016年“鲇魚”臺風(fēng)洪水驗證模型(見圖7)。模型率定期和驗證期分析結(jié)果如表2所示。

圖7 “鲇魚”臺風(fēng)鰲江干流站點洪水過程圖

由圖7和表2可知，鰲江干流埭頭站、水頭站以及麻步站水位模擬過程與遙測站觀測水位過程基本一致，模擬最高水位

表2 模型模擬結(jié)果

結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相差均在0.10 m以內(nèi)，滿足驗證結(jié)果與實際洪水的最大水位誤差(實測水位與計算水位之差絕對值的最大值)≤0.20 m的精度要求，表明模型能夠較好地模擬洪水期站點水位，可用于流域洪水動態(tài)預(yù)警預(yù)報。

3 應(yīng)用實踐

2016年鰲江流域受17號臺風(fēng)“鲇魚”影響，平陽縣面雨量352 mm，蒼南縣面平均降雨量336 mm。平陽縣水頭鎮(zhèn)最高水位達11.38 m，超歷史最高水位0.88 m；麻步鎮(zhèn)最高水位達9.8 m，超歷史最高水位1.8 m；蒼南縣鰲江內(nèi)河最高水位達3.24 m，超警戒0.20 m，順溪水庫最高水位達191.36 m(汛限起調(diào)水位158 m)。根據(jù)耦合模型計算水位并繪制淹沒水深圖，見圖8。從圖8可以看出上游水頭鎮(zhèn)洪水淹沒最為嚴(yán)重，最大水深超過3 m，通過災(zāi)后對水頭鎮(zhèn)進行洪水調(diào)查，其淹沒范圍和洪痕位置距離地面高度等情況與模型計算結(jié)果基本一致，表明模型計算成果是合理的，可用于實際洪水風(fēng)險分析。

圖8 鰲江流域淹沒水深圖

4 結(jié) 語

以鰲江流域為例，整合網(wǎng)格化氣象降雨預(yù)報、海洋風(fēng)暴潮預(yù)報成果，構(gòu)建了水文水動力、洪水影響等多模型無縫耦合的全要素預(yù)報調(diào)度模型，實現(xiàn)了流域洪水預(yù)報調(diào)度和面上社會要素的影響預(yù)報，并搭建鰲江洪水預(yù)報與風(fēng)險預(yù)警管理平臺，打通了數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警、預(yù)報、動態(tài)履職等各環(huán)節(jié)。通過對2016年“鲇魚”臺風(fēng)應(yīng)用驗證，成果合理可信，為流域風(fēng)險預(yù)警預(yù)報提供強有力的技術(shù)支撐。