感潮河網(wǎng)區(qū)洪水水位預(yù)報(bào)
——以溫州龍灣區(qū)為例

徐歐官，張仁貢，鄭 重，傅永峰，邵柯澤

(1.浙江水利水電學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018；3.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；4.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興312030)

近年來，由于全球氣候變暖，地球大氣分子動能增加，導(dǎo)致國內(nèi)極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，很多城市遭受了不同程度的暴雨災(zāi)害。有些城市甚至遭遇百年一遇的特大暴雨，短時(shí)間的大量降雨，使城市排水系統(tǒng)受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]，極大地影響了居民的日常生活和交通秩序，同時(shí)造成了嚴(yán)重的人身、財(cái)產(chǎn)等損失[2]。

溫州市龍灣區(qū)地處海陸交界地帶和甌江河口感潮河網(wǎng)地區(qū)，臨近的西太平洋海盆是全球形成臺風(fēng)最多的區(qū)域[3]，臺風(fēng)暴雨是造成龍灣區(qū)洪澇災(zāi)害的主要原因[4]。由于該地區(qū)河流短小，洪水過程和淹沒歷時(shí)一般不長，但若同時(shí)遭遇臺風(fēng)、天文大潮和暴雨等極端氣候，河口潮水對內(nèi)河洪水產(chǎn)生頂托作用，引起內(nèi)河洪水排泄不暢，則整個(gè)平原地區(qū)將被洪水淹沒，且歷時(shí)較長，可能導(dǎo)致較大范圍洪澇災(zāi)害。針對龍灣區(qū)感潮河網(wǎng)的特點(diǎn)，利用MIKE 11水動力模塊，建立河網(wǎng)的水位、流量預(yù)測模型?；谝阎慕涤曩Y料，預(yù)報(bào)河道的水位和流量的動態(tài)變化，為水利工程設(shè)計(jì)和洪澇災(zāi)害管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

龍灣區(qū)是溫州市四大城區(qū)之一，地處甌江入?？谀习?，地理位置在東經(jīng)120°43′—120°55′，北緯27°48′—28°01′，東臨東海，南接瑞安市，西鄰鹿城、甌海兩區(qū)，北瀕甌江，與樂清市、永嘉縣隔江相望。全區(qū)陸地面積為228 km2，其中平原面積189 km2，轄區(qū)內(nèi)有6個(gè)街道辦事處，行政區(qū)劃分為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、龍灣中心區(qū)、空港新區(qū)、甌江口新區(qū)和濱海開發(fā)區(qū)等5大功能區(qū)。龍灣區(qū)東部是地勢低平、河網(wǎng)密布的永強(qiáng)片平原，西側(cè)為海拔704 m的大羅山，大羅山以西為溫瑞平原。東部為永強(qiáng)片平原，南北長、東西窄，面積約150 km2，地形平坦，平原區(qū)河網(wǎng)縱橫，共有河道483條。大羅山脈由西向東傾斜，主要河流有大王井溪、瑤溪河、雙岙河等，共分布有11座小型水庫，6座山塘。沿江主要排澇水閘工程有20座，內(nèi)河節(jié)制閘1座。

2 模型基本方程

DHI旗下的MIKE 11[5]基于MIKE Zero平臺，可用于模擬河口、河流、灌溉渠道和其他水體的水流、水質(zhì)和泥沙運(yùn)移。本次研究主要涉及MIKE 11的水動力模塊HD[6-7]。HD模塊模擬了河流或河口水流連續(xù)性和動量守恒的垂直積分方程，即圣維南方程組：

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：Q為流量，m3/s；x為距水道某固定斷面沿流程的距離，m；α為動量校正系數(shù)；h為水深，m；b為斷面寬度，m；t為時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；A為橫截面面積，m2。

采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解圣維南方程組，其格式如圖1所示。

圖1 點(diǎn)Abbott-Ionescu格式

3 水動力模型構(gòu)建

MIKE11-HD模塊的組織結(jié)構(gòu)如圖2所示，需要添加研究區(qū)域的河網(wǎng)文件(.nwk11)、斷面文件(.xns11)、邊界文件(.bnd11)、參數(shù)文件(.hd11)和時(shí)間序列文件(.dfs0)。

圖2 MIKE11-HD模塊的組織結(jié)構(gòu)

3.1 河網(wǎng)概化

龍灣區(qū)共有166條主要河流，其中22條河流位于中片區(qū)的蒲州、狀元街道，其余144條河流分別位于東片區(qū)的永中、永興、瑤溪、高新、濱海街道，龍灣區(qū)河網(wǎng)分布如圖3所示。因中片區(qū)的河道與東片區(qū)河道分屬不同流域，概化建模時(shí)分開考慮。

圖3 龍灣區(qū)河網(wǎng)分布圖

河網(wǎng)模型采用MIKE 11直接描點(diǎn)，計(jì)算區(qū)域河網(wǎng)圖臨摹所得河道長度與已知部分河道真實(shí)長度存在誤差，通過部分已知河道長度與MIKE 11中相應(yīng)的臨摹河道長度進(jìn)行擬合，并對河網(wǎng)內(nèi)其余未知準(zhǔn)確長度的河流進(jìn)行修正。

河道水閘的調(diào)控方式為全開或全閉，調(diào)度條件為水位高于2.73 m且閘門處水位差高于0 m(河道水位高于外海潮位)時(shí)，閘門開啟；水位低于2.73 m或閘門處水位差小于0 m(河道水位低于外海潮位)時(shí)，閘門關(guān)閉。

3.2 河床斷面數(shù)據(jù)

根據(jù)調(diào)查確定166條河流河道清淤斷面數(shù)據(jù)。對河網(wǎng)進(jìn)行概化，刪除河道斷面數(shù)據(jù)缺失且對河網(wǎng)流量影響小的二級河流；對僅有一個(gè)河道斷面數(shù)據(jù)的河流，將單一河道斷面按一定的里程間隔，應(yīng)用于對應(yīng)河流上下游，同時(shí)設(shè)定適當(dāng)?shù)暮拥榔露取?/p>

3.3 邊界條件

上邊界：由于缺乏166條河上游流量和水位觀測數(shù)據(jù)，各條河流相應(yīng)的上邊界條件無法確定。假定河網(wǎng)內(nèi)支流入口邊界均為閉邊界，主干河流入口斷面為開邊界，設(shè)定入口流量為0。

下邊界：下邊界條件為下游入海口水閘的潮位過程線。西片區(qū)的溫州站和東片區(qū)的龍灣站的設(shè)計(jì)典型潮位過程線見圖4。

圖4 下邊界潮位變化曲線

3.4 初始條件

由《溫州市中心片、西片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》《溫州東片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》知，東西片區(qū)降水較大時(shí)，可對河道預(yù)泄，預(yù)泄水位為2.53 m。本次計(jì)算，河網(wǎng)內(nèi)各條河流初始水位均為預(yù)泄水位(2.53 m)，河網(wǎng)入口斷面處流量為0，其余參數(shù)均采取默認(rèn)值。

3.5 降水與蒸發(fā)的計(jì)算

對比4組不同的一日降雨總量，分別為400,300,200,100 mm。以臺汛期選擇的1987年典型降雨中最大24 h的降雨過程為依據(jù)，縮放不同1天降雨總量的過程。假定降水時(shí)為全河道長度降水，降水總面積為計(jì)算域內(nèi)平原總面積，各條河道的降水子區(qū)域面積依照河道長度占所屬片區(qū)總河道長度的比重分配。

由于氣象要素與水面蒸發(fā)存在較為顯著的線性相關(guān)性，構(gòu)建月尺度水面蒸發(fā)線性回歸模型如下[8]：

E=α1T+α2MV+α3MH+α4W+b

(3)

式(3)中：E為平均蒸發(fā)量，mm；α1～α4及b為多元線性回歸方程的參數(shù)；T為月平均溫度，°C；MV為月平均水汽壓，Pa；MH為月平均濕度，%；W為月平均風(fēng)速，m/s。

利用溫州市多年平均月蒸發(fā)量與降雨量數(shù)據(jù)和氣象特征值數(shù)據(jù)，得到多元線性回歸方程為

E=3.375 28T-0.638 881MH+40.628 2W-21.367 6

(4)

3.6 模擬計(jì)算

由于河道數(shù)據(jù)缺失較多，為保證程序正常運(yùn)行，采用參數(shù)文件計(jì)算模式，避免參數(shù)缺失導(dǎo)致計(jì)算離散過大、算例停止。東片區(qū)河道、中片區(qū)部分河道的時(shí)間步長分別為30，60 s，河道糙率均取默認(rèn)值0.033，入?？陂l門的具體參數(shù)參照《溫州市中心片、西片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》《溫州東片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 閘門調(diào)度方案的選擇

以中片區(qū)部分河道為例，進(jìn)行水閘調(diào)度方案的比選：

調(diào)度方式1依據(jù)水閘前后相鄰兩個(gè)斷面的水位差開關(guān)水閘。閘門開啟應(yīng)同時(shí)滿足2個(gè)條件：1) 蒲州河里程2 148 m處(入海口附近)的水位大于2.72 m；2) 蒲州河里程2 148 m處水位大于里程2 149 m處的水位。經(jīng)模擬，分別得到中片區(qū)河道入?？谟?jì)算水位點(diǎn)的水位變化曲線和中片區(qū)河道內(nèi)部水位點(diǎn)變化歷時(shí)曲線。

根據(jù)中片區(qū)河道入?？谟?jì)算水位點(diǎn)的水位變化曲線，有2次高潮位和3次低潮位。2次高潮位分別發(fā)生于3時(shí)50分和16時(shí)19分，最高潮位為3.71 m；3次低潮位分別出現(xiàn)在0時(shí)、11時(shí)31分、23時(shí)2分，最低潮位為-1.545 m。根據(jù)中片區(qū)河道內(nèi)部水位點(diǎn)變化歷時(shí)曲線，各水位計(jì)算點(diǎn)的水位曲線總體呈線性上升趨勢，各個(gè)曲線波動幅度較小。水位最大值約為3.609 m。

調(diào)度方式2選用水閘處斷面的水位差進(jìn)行調(diào)度。閘門開啟應(yīng)同時(shí)滿足2個(gè)條件：1) 蒲州河里程2 148 m處(入?？诟浇?的水位大于2.72 m；2) 蒲州河上的水閘點(diǎn)處的水位變化值大于0。由于調(diào)度方式2與調(diào)度方式1的邊界條件一致，因此模擬的河道入?？谒稽c(diǎn)變化歷時(shí)曲線與方式1相同。模擬的河道內(nèi)部水位點(diǎn)變化歷時(shí)曲線與方式1不同，根據(jù)模擬結(jié)果知，各水位計(jì)算點(diǎn)的水位曲線總體呈上升趨勢，水位曲線波動幅度較大，特別是在14時(shí)24分至17時(shí)26分這一時(shí)段，水位曲線波動達(dá)到最大，隨后波動幅度減緩并逐漸穩(wěn)定；各水位計(jì)算點(diǎn)的水位在波動中逐漸上升。水位最大值約為3.466 m，比調(diào)度方式1的值小，由此判斷，調(diào)度方式2更合理。模擬計(jì)算過程選取方式2(閘門處水位差)進(jìn)行水閘調(diào)度。

4.2 模型驗(yàn)證

選用《溫州東片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》模型驗(yàn)證部分的《規(guī)劃洪水位復(fù)核表》進(jìn)行驗(yàn)證，將最高水位與2007年實(shí)測水位進(jìn)行比較，其中10年一遇水位對應(yīng)200 mm降水，20年一遇水位對應(yīng)300 mm降水，50年一遇水位對應(yīng)400 mm降水。由于中片區(qū)河道數(shù)目較少且無驗(yàn)算數(shù)據(jù)，選取東片區(qū)4個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證比較。因數(shù)據(jù)缺乏，做如下2點(diǎn)假定：1)近似認(rèn)為同一時(shí)刻同一條河道的各斷面水位相同；2)代表點(diǎn)水位近似等于毗鄰河道水位。如果代表點(diǎn)的具體位置不清楚，近似的將代表點(diǎn)所在街道河道水位的平均值作為驗(yàn)證值，驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 東片區(qū)河道模型驗(yàn)證 單位：m

由表1可知，在50年一遇的降雨條件下，僅262永興街道斷面的模擬水位高于兩岸高程，河道水位溢出，其余斷面節(jié)點(diǎn)水位均無溢出；在10年一遇和20年一遇的降雨條件下，各斷面節(jié)點(diǎn)水位均無溢出。模型模擬結(jié)果與2007年實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，由此證明模型具有一定的可靠度。模型模擬水位與實(shí)測值均存在誤差，10年一遇的水位誤差在10%～19%之間，20年一遇水位誤差在2%～8%之間，50年一遇水位誤差在0.2%～3%之間。誤差基本來自于數(shù)據(jù)缺失和數(shù)據(jù)的近似處理，但預(yù)測誤差均在20%以內(nèi)，符合《水文誤差預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)》中“降水徑流精度以實(shí)測洪峰流量的20%作為許可精度”的要求。

4.3 典型降水條件下的水位變化

以中片區(qū)部分河道為例，進(jìn)行典型降水條件下河道內(nèi)水位點(diǎn)水位歷時(shí)變化趨勢分析。模擬條件為日降雨量100,200,300,400 mm，其中日降雨100 mm時(shí)，約對應(yīng)于梅汛期5年一遇設(shè)計(jì)洪水；日降雨200 mm時(shí)，約對應(yīng)于臺汛期10年一遇設(shè)計(jì)洪水；日降雨300 mm時(shí)，約對應(yīng)于臺汛期20年一遇設(shè)計(jì)洪水；日降雨400 mm時(shí)，約對應(yīng)于臺汛期50年一遇以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水。

根據(jù)模擬結(jié)果，在同一降水條件下，若各水位點(diǎn)水位歷時(shí)曲線變化趨勢基本一致，說明結(jié)果正常；若有水位點(diǎn)的水位歷時(shí)曲線偏離主趨勢，說明模擬結(jié)果存在問題，應(yīng)予以關(guān)注，分析偏離的原因。

以日降雨量100 mm為例，分析中片區(qū)部分河道水位點(diǎn)的歷時(shí)變化趨勢。根據(jù)初始條件設(shè)定條件，各計(jì)算點(diǎn)初始水位均為2.53 m，河道水位最大值約為3.45 m。在0時(shí)至5時(shí)30分，各計(jì)算點(diǎn)水位輕微波動，水位高度隨時(shí)間上升；在5時(shí)30分，各計(jì)算點(diǎn)水位約為2.78 m，其后，水位雖然繼續(xù)隨時(shí)間上升，但是水位波動幅度增加；14時(shí)40分后，水位開始劇烈波動，計(jì)算點(diǎn)的水位在14時(shí)40分到達(dá)3.2 m，之后，水位曲線劇烈波動并下降(其中蒲州河2 147里程計(jì)算點(diǎn)處的水位值下降幅度最大，水位下降至2.78 m)；各計(jì)算點(diǎn)的水位下降不同幅度后，水位轉(zhuǎn)而波動上升，大部分計(jì)算點(diǎn)水位在16時(shí)40分達(dá)到劇烈波動時(shí)段內(nèi)的最大值(其中牌兒頭浹0里程計(jì)算點(diǎn)處的水位值上升至3.3 m)；隨后，大部分的計(jì)算點(diǎn)水位又再次下降(其中蒲州河2 147里程計(jì)算點(diǎn)處的水位值下降幅度仍為最大，下降至2.77 m)；18時(shí)后，計(jì)算點(diǎn)水位上升，波動幅度不斷減小；在22時(shí)59分，各計(jì)算點(diǎn)水位達(dá)到本次計(jì)算的最大值。以楊家橋河水位點(diǎn)為例說明100 mm降雨條件下水位歷時(shí)變化過程，楊家橋河水位計(jì)算點(diǎn)水位歷時(shí)變化線如圖5所示。

圖5 1987年9月9日400 mm降水條件下楊家橋河水位計(jì)算點(diǎn)水位歷時(shí)變化線

由典型降水條件下的各水位點(diǎn)的水位變化曲線可得出：

1) 隨著降水量變大，中片區(qū)部分各條河道水位曲線變化趨勢基本不變，總體呈上升趨勢。

2) 降水量越大，固定時(shí)刻下同一條河道的對應(yīng)水位越大。中片區(qū)內(nèi)，100 mm降水時(shí)，河道最大水位約為3.45 m；200 mm降水時(shí)，河道最大水位約為3.59 m；300 mm降水時(shí)，河道最大水位約為3.8 m；400 mm降水時(shí)，河道最大水位約為4.05 m。東片區(qū)內(nèi)，100 mm降水時(shí)，河道最大水位約為2.64 m；200 mm降水時(shí)，河道最大水位約為2.94 m；300 mm降水時(shí)，河道最大水位約為3.45 m；400 mm降水時(shí)，河道最大水位約為3.9 m。

3) 河網(wǎng)面積越大，河道水位隨降水上升的越慢。以100 mm降水量為例，對比中片區(qū)、東片區(qū)同一時(shí)刻水位曲線點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)河網(wǎng)總面積越小，降水對河道水位的抬升作用越明顯。

4) 入海口閘門對河道流量具有一定的調(diào)節(jié)作用。對比各計(jì)算點(diǎn)水位變化圖可知，水位超過2.72 m且高于潮位時(shí)河道水位發(fā)生劇烈波動，河道向外海排水。因本次設(shè)定中，閘門調(diào)度方式為全開全閉，一定程度上加劇河道水位波動，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇合理調(diào)度方式，節(jié)約人力物力，優(yōu)化閘門調(diào)度與排水方案。

5) 降水流量峰值與潮位的時(shí)間分布矛盾加劇河道壅水。當(dāng)集中降水時(shí)段與高潮位時(shí)段重疊，河道內(nèi)部各計(jì)算點(diǎn)水位明顯上升，降水量越大，河道水位上升越明顯，可知閘門對河道水位的調(diào)節(jié)作用是有限的。此外，河道兩岸高程較低處，河水易漫上兩岸，影響周邊街道排水，可能與降水因素疊加，引發(fā)附近街道內(nèi)澇。因此，可以對河道定期清淤，預(yù)留足夠河道斷面底高程；也可對河道兩岸低洼地區(qū)采取加筑河堤護(hù)岸、調(diào)整排水系統(tǒng)、預(yù)留防水沙袋等措施，預(yù)防城市部分地區(qū)發(fā)生內(nèi)澇。

5 結(jié) 論

筆者利用MIKE 11軟件的HD模塊，基于收集到的溫州市龍灣區(qū)的河道、斷面等數(shù)據(jù)，建立感潮河網(wǎng)區(qū)的一維水利學(xué)模型。選用《溫州東片中型及重要小型水閘控制運(yùn)用計(jì)劃(報(bào)批稿)》模型驗(yàn)證部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并將最高水位與2007年實(shí)測水位進(jìn)行比較，結(jié)果表明所建的模型具有一定的可靠性?；谝阎慕涤曩Y料，利用筆者所開發(fā)的模型可動態(tài)地預(yù)測研究區(qū)域內(nèi)河道的水位和流量的變化情況，該預(yù)測結(jié)果可為研究區(qū)域的水利工程設(shè)計(jì)和洪澇災(zāi)害的管理提供技術(shù)支持。