平原圩區(qū)復(fù)合下墊面水文水動(dòng)力耦合模型

摘要： 平原圩區(qū)地勢(shì)低洼，下墊面類型多樣，產(chǎn)匯流過程較為復(fù)雜，水文過程模擬和預(yù)報(bào)十分困難。為解決平原圩區(qū)洪水預(yù)報(bào)難題，建立考慮水田、旱地、林地、城市區(qū)與水域等多種下墊面類型的產(chǎn)匯流模型，利用MIKE 11 HD 水動(dòng)力模型模擬河道匯流過程，提出面向平原圩區(qū)復(fù)合下墊面條件的水文水動(dòng)力耦合模型；并采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行河道水位預(yù)報(bào)誤差校正，以提高模型精度。選擇廣州市南沙蕉門河排澇片為研究區(qū)，檢驗(yàn)耦合模型的水位預(yù)報(bào)精度，并以2023 年“9·7 深圳特大暴雨”為移置場(chǎng)景輸入，模擬不同排澇措施對(duì)河道水位的影響。結(jié)果表明：模型能夠較好地模擬研究區(qū)場(chǎng)次洪水的河道水位過程，率定期和驗(yàn)證期的平均Nash 效率系數(shù)分別為0.86 和0.91，10 場(chǎng)洪水中有8 場(chǎng)的最高水位模擬誤差小于0.05 m；采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正后所有場(chǎng)次洪水的Nash 效率系數(shù)均大于0.9，滿足洪水預(yù)報(bào)的精度要求。研究區(qū)面臨“9·7 深圳特大暴雨”場(chǎng)景時(shí)存在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，需提升圩內(nèi)蓄洪排澇能力。

關(guān)鍵詞： 洪水預(yù)報(bào)；誤差校正；MIKE 11 HD 模型；平原圩區(qū)；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；防洪排澇

中圖分類號(hào)： P333;TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-6791（ 2024） 05-0805-12

平原河網(wǎng)地區(qū)降雨充沛，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地勢(shì)平坦，同時(shí)城市密集、人口眾多，遭遇超標(biāo)準(zhǔn)暴雨或多源洪水時(shí)極易引發(fā)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇災(zāi)害[1-2]。平原河網(wǎng)地區(qū)城市化進(jìn)程快，下墊面不透水面比例逐年上升，原有水文資料的一致性遭到破壞[3-4]；同時(shí)河網(wǎng)區(qū)常以圈圩筑堤方式進(jìn)行防洪排澇，圩內(nèi)土地利用類型多樣、產(chǎn)匯流過程復(fù)雜[5-6]，一般的水文模型難以率定參數(shù)，洪水模擬和預(yù)報(bào)難度很大。平原城市河網(wǎng)區(qū)水文模擬主要有水文學(xué)方法、水動(dòng)力學(xué)方法和水文水動(dòng)力耦合方法等3 類[7]?；谒膶W(xué)方法的水文模型受限于河網(wǎng)區(qū)匯流復(fù)雜特性，無法模擬小坡度地表和河道的水流運(yùn)動(dòng)過程，模型精度普遍不高[8]；水動(dòng)力學(xué)模型的模擬精度較高，但對(duì)地形資料條件要求嚴(yán)格[9]；而水文水動(dòng)力耦合模型則可在一般資料條件下取得較好的模型精度。韓超等[10]、Long 等[11] 分別建立了水文模型與水動(dòng)力模型的弱耦合框架，在嘉興市河網(wǎng)區(qū)和洞庭湖河網(wǎng)區(qū)日尺度水文模擬中取得較好的結(jié)果。然而這類研究的時(shí)間和空間尺度往往較大，缺乏對(duì)小區(qū)域內(nèi)短歷時(shí)洪水模擬的研究，也極少考慮圩外潮位對(duì)河道排澇的促進(jìn)或阻礙作用。一些學(xué)者構(gòu)建更適用于次洪模擬的城市水文模型（如降雨產(chǎn)流模型與水動(dòng)力模型、管網(wǎng)模型、水工建筑物調(diào)度模型進(jìn)行耦合建模）[12-13] 對(duì)高度城市化的區(qū)域進(jìn)行短歷時(shí)洪水模擬，提高了模擬精度。但這類研究主要針對(duì)城市區(qū)，考慮的下墊面類型較少，且大多需要高精度管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并未廣泛應(yīng)用于受潮汐影響的圩區(qū)；羅志潔等[14] 將圩區(qū)下墊面分為水面、耕地和城市用地3 類，利用新安江模型與MIKE 11 模型構(gòu)建耦合模型并應(yīng)用于平原河網(wǎng)圩區(qū)，但該研究缺乏明確的參數(shù)率定方法，且僅用虛擬河道模擬圩內(nèi)匯流，未對(duì)不同類型下墊面匯流過程進(jìn)行區(qū)分。

廣州市南沙區(qū)位于珠江三角洲河網(wǎng)地帶，地勢(shì)低洼，四面環(huán)水，水網(wǎng)縱橫密布，共有13 個(gè)聯(lián)圍（圩），屬于典型的平原河網(wǎng)圩區(qū)，降雨徑流模擬和預(yù)報(bào)的難度較大。本文選擇南沙區(qū)蕉東聯(lián)圍蕉門河排澇片為研究區(qū)，考慮水田、旱地、城市區(qū)和水域等復(fù)合下墊面類型，以太湖流域模型[15] 為基礎(chǔ)建立降雨產(chǎn)流模型，結(jié)合MIKE 11 HD 水動(dòng)力模型構(gòu)建水文水動(dòng)力耦合模型，模擬蕉門河水位變化過程，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型校正模型誤差。此外，將2023 年9 月7—8 日深圳市極端降水過程（以下簡(jiǎn)稱深圳“9·7”特大暴雨）移置到研究區(qū)進(jìn)行場(chǎng)景模擬，探究城市平原圩區(qū)應(yīng)對(duì)極端降水的防洪排澇能力，為類似地區(qū)防洪排澇規(guī)劃提供技術(shù)參考。