平湖市圩區(qū)外圍河網(wǎng)水位分析與預(yù)報(bào)

胡靜雅，張仁貢，尹則高

（1.平湖市水利局，浙江 嘉興 314299；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

1 研究背景

平湖市隸屬浙江省嘉興市，位于嘉興市東南部，杭嘉湖平原東部，屬江南古陸外緣杭州灣凹陷，為一沖積平原。境內(nèi)地勢(shì)平坦，略呈東南向北傾斜，平均海拔2.8 m，除東南沿海有呈帶狀分布的低丘和島礁外，其余為大片平原。歷史以來(lái)，受汛期梅雨及臺(tái)風(fēng)暴雨影響，洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。如1999年梅雨季，平湖最高水位2.52 m。整個(gè)杭嘉湖遭受?chē)?yán)重洪澇災(zāi)害，受災(zāi)范圍遍及平原河網(wǎng)及低洼地區(qū)，包括湖州市菱湖區(qū)、南潯區(qū)，德清縣的東部，嘉興市的嘉北地區(qū)及桐鄉(xiāng)市的西部，余杭南、北湖分洪區(qū)及中北苕溪之間圩區(qū)，西苕溪中游各圩區(qū)以及受太湖洪水位頂托影響的長(zhǎng)興平原大部分地區(qū)等，以及以往被認(rèn)為排水條件尚好的平湖市北部地區(qū)。如2013年10月，“菲特”臺(tái)風(fēng)登陸，平湖最高水位2.46 m。東部平原降水中心為海寧、海鹽一帶，降水量自西南向東北逐漸遞減，全區(qū)最大24 h面雨量重現(xiàn)期約為35年，最大3 d面雨量重現(xiàn)期約為70年一遇。嘉興站出現(xiàn)歷史最高水位，烏鎮(zhèn)、南潯等站點(diǎn)水位接近歷史最高。

圩區(qū)是平湖市平原洪澇災(zāi)害防治的重點(diǎn)水利工程。按照有無(wú)整治，分為整治圩區(qū)和自然圩區(qū)。整治圩區(qū)是指通過(guò)工程整治，圈圩筑堤及配套設(shè)置水閘、泵站，以外御洪水、內(nèi)除澇水，從而形成封閉的防洪排澇保護(hù)區(qū)；自然圩區(qū)是指未通過(guò)工程整治，由行洪輸水河道天然分割成的保護(hù)區(qū)域[1]。本研究的重點(diǎn)是整治圩區(qū)。平湖市共有圩區(qū)（含城防工程）30個(gè)，其中已整治圩區(qū)26個(gè)，正在建設(shè)圩區(qū)2個(gè)，待整治圩區(qū)2個(gè)。圩區(qū)總面積185.11 km2，包圍線長(zhǎng)度361.67 km，其中路堤64.10 km，總計(jì)調(diào)查測(cè)量圩堤斷面2 533個(gè)，總計(jì)調(diào)查測(cè)量排澇泵站、水閘、閘站429座。

2 計(jì)算理論與模型

2.1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算工具

本研究采用MIKE 11為計(jì)算工具，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。主要解決以下問(wèn)題：

（1）如果發(fā)生洪水，洪水的超標(biāo)水平是多少，以及洪水的發(fā)生位置。

（2）引入防洪措施的影響。

（3）引入環(huán)境的長(zhǎng)期變化影響。

（4）河流系統(tǒng)中的沉積物沉積，總體形態(tài)變化等。

MIKE 11的水動(dòng)力(HD)模塊包含了洪水預(yù)報(bào)、平流擴(kuò)散、水質(zhì)和非黏性泥沙運(yùn)輸?shù)饶K，解決了連續(xù)性和動(dòng)量守恒的垂直積分方程，即圣維南方程[2]，其微分方程為：

式中：Q為流量，x為距水道某固定斷面沿流程的距離，h為水深，b為斷面寬度，t為時(shí)間，g為重力加速度，A為橫截面面積。上述模型的前置邊界條件為：

（1）不可壓縮、均質(zhì)流體。

（2）基本是一維流態(tài)。

（3）坡降小、縱向斷面變化。

（4）靜水壓力分布均勻。

2.2 模型結(jié)構(gòu)

MIKE 11-HD模型包含的數(shù)據(jù)有流域描述、河網(wǎng)形狀、水工建筑物的位置、河道和灘區(qū)地形、河床斷面數(shù)據(jù)、模型邊界處水文測(cè)量數(shù)據(jù)、水工建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)及調(diào)度運(yùn)行規(guī)則、流域上的氣象數(shù)據(jù)。模型將以上數(shù)據(jù)存放在以下文件內(nèi)：河網(wǎng)文件(.nwk11)、斷面文件 (.xns11)、邊界文件(.bnd11)、模型參數(shù)文件 (.hd11)、時(shí)間序列文件(.dfs0)，并以圖1的組織結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)及進(jìn)行模擬工作。

圖1 MIKE 11組織結(jié)構(gòu)

2.3 模型設(shè)置

（1）平面河網(wǎng)數(shù)據(jù)

本研究一共選取了59條河流，12條骨干河流，47條圩區(qū)外非骨干河流，共384個(gè)計(jì)算點(diǎn)。

（2）斷面數(shù)據(jù)

根據(jù)浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院提供的數(shù)據(jù)，確定47條圩區(qū)外非骨干河流斷面數(shù)據(jù)。

目前尚缺乏12條主干河流斷面數(shù)據(jù)。本研究利用網(wǎng)港橫斷面代替上海塘、廣陳塘、乍浦塘、搶塘頭。用薛家塘橫斷面代替放港河、大寨河、泖河、前市河、衛(wèi)國(guó)河、鹽船河、新港河、豐收河。網(wǎng)港和薛家塘橫斷面形狀如圖2所示。

圖2

（3）邊界條件

由于目前缺乏上述59條河上游流量和水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法給定上游開(kāi)邊界條件。本研究利用了2020年8月4日單日降雨量93.6 mm作為模擬降雨量。用暴雨強(qiáng)度與雨水流量公式程序（圖3）計(jì)算所建立河網(wǎng)模型上游流量邊界[3]。

圖3 暴雨強(qiáng)度與雨水流量計(jì)算程序界面

地域選擇與嘉興市自然條件相近的杭州市，暴雨強(qiáng)度公式[4]選擇杭州市建筑設(shè)計(jì)院編制的公式1，暴雨強(qiáng)度參數(shù)的選擇與單日降雨量93.6 mm相符合，雨水流量參數(shù)根據(jù)不同街道分別設(shè)置。

下游水位邊界選用2020年8月4日8個(gè)潮汐水位數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 8月4日潮汐水位

（4）初始配置

初始水位設(shè)置為1 m，糙率曼寧系數(shù)為0.033。降雨時(shí)間序列同邊界文件數(shù)據(jù)，蒸發(fā)量數(shù)據(jù)根據(jù)嘉興往年資料確定[5]，這里選取一日蒸發(fā)量3.096 mm。根據(jù)每個(gè)圩區(qū)的面積及河流數(shù)目推算出每條河流的流域面積，降雨后產(chǎn)生的徑流匯入各自對(duì)應(yīng)河流，并導(dǎo)入河網(wǎng)文件中參與計(jì)算。取時(shí)間步長(zhǎng)為20 min。

3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）水位流量實(shí)時(shí)查詢軟件包

生成的河網(wǎng)文件如圖5所示。

圖5 生成河網(wǎng)示意圖

計(jì)算結(jié)果包括384個(gè)可輸出站位，提供每個(gè)站位每隔20 min的水位和流量數(shù)據(jù)。

（2）水位流量實(shí)時(shí)過(guò)程范例

以南走馬塘998 m里程站為例，其1 d內(nèi)的計(jì)算水位和流量變化如圖8所示。從圖6可以看出所處位置的水位出現(xiàn)了周期性的規(guī)律變化，其周期與下游潮位周期基本一致。流量與水位基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在一定工況下流量出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明水流流向發(fā)生了相應(yīng)改變。

圖6

也可選中某些河流進(jìn)行流量和水位動(dòng)態(tài)演示。圖7（a）和（b）分別給出了6條河的流量和7條河的水位等特征參數(shù)空間分布。

圖7

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究建立了平湖市圩區(qū)外圍河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，從平湖市水平臺(tái)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中獲取的基于實(shí)測(cè)（預(yù)報(bào)）降雨資料，采用MIKE 11—HD進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)結(jié)果分析，預(yù)測(cè)未來(lái)24 h圩區(qū)外的水位和流量動(dòng)態(tài)變化，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)依據(jù)。