基于數(shù)值模擬的嘉興城區(qū)河網(wǎng)水文特征

瞿 堯，黃 帆，王 穎，張海平,*

(1. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2. 丹華水利環(huán)境技術(shù)<上海>有限公司，上海 200235)

嘉興市隸屬太湖流域杭嘉湖平原河網(wǎng)地區(qū)，水網(wǎng)密度較大且水力坡降較小，河道具有灌溉、航運、輸水、供水、防洪排澇、景觀、生態(tài)等多種功能。河流水文特征影響城市的工程建設(shè)以及生態(tài)系統(tǒng)的功能，已經(jīng)成為許多專家研究的熱點。許有鵬等[1]對昆侖山北坡河流展開了水文水資源特征及變化規(guī)律的研究，為該區(qū)水資源最優(yōu)開發(fā)和利用提供決策依據(jù)。李學(xué)國等[2]對神農(nóng)架林區(qū)四大水系主要河流水文特征展開分析，為該區(qū)域的水質(zhì)分析建立基礎(chǔ)。鄒亞平等[3]從納板河流域降水和徑流深度、流域水系和河道特征、徑流的季節(jié)和年際變化等方面，對整個流域水文特征展開研究，對國家自然保護區(qū)的規(guī)劃建設(shè)有重大意義。杜嘉妮等[4]收集青海湖遙感資料以及水文氣象資料，分析水量、水位、面積的變化情況，并從湖泊補給的構(gòu)成角度分析其變化原因，為青海湖的生態(tài)保護和水資源管理提供參考。馬曉超[5]通過分析渭河下游林家村站、咸陽站和華縣站3個水文站的水文序列變異點，選擇變異點前后2個時段，基于IHA軟件平臺，應(yīng)用RVA法分析渭河生態(tài)水文特征的變化，為渭河的生態(tài)調(diào)度提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。黃慶超[6]以三峽庫區(qū)內(nèi)2條典型支流香溪河和大寧河為研究對象，通過水動力模型和水質(zhì)模型分別計算2條河流的水文特征和水質(zhì)污染特征，分析支流水動力和水質(zhì)之間的關(guān)系，進而提出相關(guān)生態(tài)保護的措施，為三峽庫區(qū)的建設(shè)和管理提供參考。

目前，嘉興市區(qū)已經(jīng)建立了較為完善的水利工程措施，但是欠缺對該地區(qū)水文特征的分析，對城區(qū)的各類規(guī)劃、工程建設(shè)以及管理都產(chǎn)生了重大的影響。因此，本文基于嘉興市區(qū)水動力模型，對嘉興城區(qū)河網(wǎng)的水文特征展開研究，為嘉興城區(qū)各類規(guī)劃管理提供依據(jù)，同時為水質(zhì)改善的研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于上海、江蘇、浙江三省(市)交界處，地處浙北杭嘉湖平原東部，承接杭州、蘇州等地來水，排入上海和杭州灣。嘉興市隸屬太湖流域杭嘉湖平原河網(wǎng)地區(qū)，水網(wǎng)密度較大，市區(qū)水面積率約為7.77%，地勢低洼，降雨量大且季節(jié)性差異較明顯，因此，易遭受洪澇災(zāi)害的侵襲。自2000年開始，嘉興市建設(shè)城市防洪工程，構(gòu)建了嘉興市城市防洪大包圍圈，如圖1所示?，F(xiàn)已完成城市防洪工程面積達103.73 km2，堤防總長為52 km，建筑物為52座，其中排澇樞紐(泵站)為5座，設(shè)計排澇流量共計240 m3/s，設(shè)計引水流量為38 m3/s。

圖1 嘉興市區(qū)防洪工程布置圖Fig.1 Layout of Urban Flood Control Construction in Jiaxing City

2 水動力模型

2.1 模型的建立

張海軍等[7]基于嘉興市最新水文、水質(zhì)與河床地形資料，應(yīng)用DHI開發(fā)的MIKE 11軟件，構(gòu)建了嘉興市區(qū)河道的一維河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合模型。但該模型邊界離核心研究區(qū)太近，易受研究區(qū)內(nèi)部水文條件變化的影響，在研究區(qū)域來水變化條件下,城區(qū)水文特征時易失真。因此，本文通過不斷試算和檢驗，延伸了現(xiàn)有模型邊界，在其模型的基礎(chǔ)上擴展模型，如圖2所示。模型邊界采用王江涇(蘇州塘)、新塍(新塍塘)、桐鄉(xiāng)(杭州塘)、硤石(長水塘)、歟城(海鹽塘)、平湖(平湖塘)、嘉善(長纖塘和嘉善塘)這7個水文站的實測水位數(shù)據(jù)。

2.2 模型率定

模型試算過程中，發(fā)現(xiàn)水工建筑物的運行對模型計算結(jié)果影響很大。因此，在模型率定時間段內(nèi)，水工建筑物的設(shè)置采用2010年—2019年的實際調(diào)度運行情況。張海軍等[7]對嘉興城區(qū)大包圍圈內(nèi)的水位進行了率定，本文在此基礎(chǔ)采用2010年—2019年嘉興站實測日水位數(shù)據(jù)進一步率定。結(jié)果表明，河道水位模擬誤差平均值為2.9 cm，最大不超過5 cm，水位模擬較準確，滿足模擬分析要求，如圖3所示。

注：圓點為水工建筑物圖2 河網(wǎng)概化Fig.2 Generalization of River Network Modeling

圖3 嘉興站模擬與實測水位比較Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level at Jiaxing Station

3 嘉興城區(qū)河網(wǎng)水文特征分析

嘉興市域水系總體上屬于長江水系太湖流域，因京杭運河為貫穿市境的主干河道，而其他骨干河道均與之相關(guān)成系，所以也稱“運河水系”。其境內(nèi)水系以市區(qū)為中心呈輻射狀向外發(fā)射，以蘇州塘、杭州塘、長水塘、海鹽塘、長纖塘、平湖塘、嘉善塘、新塍塘這8條河流通遍四周。

采用2010年—2019年共10年的實測氣象水文資料進行模擬，對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。由圖4可知：嘉興城區(qū)水系總體為從北、西、西南向東北方向流動；主要進出河道中，蘇州塘和杭州塘基本為單向來流，長纖塘和嘉善塘為單向出流，平湖塘則存在明顯的雙向流動現(xiàn)象，而新塍塘、長水塘和海鹽塘也略有雙向流現(xiàn)象；近10年平均來流量為88.2 m3/s，出流量為93.3 m3/s。

圖4 大包圍圈外主要河道的平均進出流量統(tǒng)計 (2010年—2019年)Fig.4 Statistics of Average Inflow and Outflow of Main Rivers Outside Flood Control Encircument (2010—2019)

近10年平均凈來流量為69.6 m3/s，平均凈出流量為74.7 m3/s，其中的差值5.1 m3/s為城區(qū)降雨徑流貢獻。主要來流河道為北側(cè)的蘇州塘和西側(cè)的杭州塘，分別貢獻了總來流量的44.7%和34.5%，兩者合計79.2%。出流河道主要為長纖塘(37.6%)、嘉善塘(37.9%)和平湖塘(24.5%)，如圖5所示。

圖5 嘉興城區(qū)河網(wǎng)主要進出河道平均凈出入 流量統(tǒng)計(2010年—2019年)Fig.5 Statistics of Net Inflow and Outflow of the Main River Channels in Jiaxing Urban Area(2010—2019)

模擬結(jié)果顯示，年均和月均來流量變化較大，其中2013年及之前來流量較大，年均來流量為105.9～120.2 m3/s，而2014年及之后均在83.9 m3/s以下，如表1和圖6所示。2010年—2019年，最枯月的平均來流量為50.1 m3/s，90%保證率枯水月的平均來流量為59.3 m3/s，如圖7所示。

圖7 2010年—2019年各月平均來流量排頻Fig.7 Frequency of Average Monthly Inflow of Encirclement during 2010 to 2019

圖6 2010年—2019年各月平均來流量分布Fig.6 Average Monthly Inflow during 2010 to 2019

表1 2010年—2019年各年、各月平均來流量統(tǒng)計 (單位：m3/s)

圖8為2010年—2019年大包圍圈內(nèi)部8條主要河道的總平均出入流量統(tǒng)計。由圖8可知：杭州塘為單向入流；由于新塍塘閘常關(guān)閉，新塍塘無出入流量；蘇州塘基本為單向入流，但偶有出流；平湖塘、長纖塘、嘉善塘和平湖塘均為單向流出；長水塘和海鹽塘的進出流量均較小，且雙向流動現(xiàn)象明顯。2010年—2019年，大包圍圈內(nèi)部河道的平均流量為28.3 m3/s，平均出流量為19.1 m3/s。出流量小于入流量的原因是部分水流通過其他河道進入了環(huán)郊河。大包圍圈內(nèi)部河道的最枯月平均入流量為14.5 m3/s，90%保證率枯水月的平均入流量為18.3 m3/s，如圖9所示。

圖9 2010年—2019年大包圍圈內(nèi)部河道各月 平均入流量排頻Fig.9 Frequency of Average Monthly Inflow of Encirclement during 2010 to 2019

圖8 2010年—2019年大包圍圈內(nèi)8條主要河道的 平均出入流量統(tǒng)計Fig.8 Average Inflow and Outflow of 8 Main Rivers of Encirclement during 2010 to 2019

模擬結(jié)果表明，由于流程短、阻力小，大量外部來水未進入大包圍圈內(nèi)部河道，而是通過環(huán)郊河“短路”繞過嘉興城區(qū)，進入長纖塘、嘉善塘和平湖塘，流向東北。大包圍圈內(nèi)部河道的流量僅占大包圍圈外來流量的32.1%。

4 結(jié)論與建議

應(yīng)用MIKE 11構(gòu)建嘉興城區(qū)河網(wǎng)水動力模型，利用2010年—2019年大包圍圈周邊實測水位資料對模型進行率定，并進行水文特征分析，得到主要結(jié)論與建議如下。

(1)嘉興城區(qū)水系總體為從北、西、西南向東北方向流動。來流河道主要為蘇州塘和杭州塘，出流河道主要為長纖塘、嘉善塘和平湖塘。

(2)嘉興城區(qū)近10年平均來流量為88.2 m3/s，出流量為93.3 m3/s；平均凈來流量為69.6 m3/s，平均凈出流量為74.7 m3/s，其中的差值5.1 m3/s為城區(qū)降雨徑流貢獻。

(3)嘉興城區(qū)年均和月均來流量變化較大，其中2013年及之前來流量較大，年均來流量為105.9～120.2 m3/s，而2014年及之后均在83.9 m3/s以下。最枯月的平均來流量為50.1 m3/s，90%保證率枯水月的平均來流量為59.3 m3/s。

(4)大包圍圈內(nèi)部河道的平均流量為28.3 m3/s，平均出流量為19.1 m3/s，大包圍圈內(nèi)部河道的流量僅占大包圍圈外來流量的32.1%。這表明大量外部來水未進入大包圍圈內(nèi)部河道，而是通過環(huán)郊河“短路”流出嘉興城區(qū)，進入長纖塘、嘉善塘和平湖塘，流向東北。大包圍圈內(nèi)部河道的最枯月平均入流量為14.5 m3/s，90%保證率枯水月的平均入流量為18.3 m3/s。

(5)針對目前進入大包圍圈內(nèi)的來水大量通過環(huán)郊河流出城區(qū)，建議嘉興城區(qū)提高環(huán)郊河的行洪能力，以更好地降低洪澇風(fēng)險。

(6)建議在城區(qū)河道設(shè)置水文站，實時監(jiān)測各河道水位、流量等水文要素，更直接掌握嘉興河網(wǎng)的水文特征。