姚江流域小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

趙思遠(yuǎn) 李 聰 周宏杰 樓 津

（1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧波 315016；2.寧波市水文站，寧波 315020）

0 引 言

近年來(lái)，甬江流域極端暴雨天氣頻發(fā)，易遭遇洪、澇、潮“三碰頭”，隨著沿江強(qiáng)排泵站工程的實(shí)施落地，洪水歸槽后干流洪水高漲。為有效協(xié)調(diào)與解決新形勢(shì)下甬江干流洪水排泄不暢，超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對(duì)措施不足等問(wèn)題，2017 年寧波市水利局組織開(kāi)展了《甬江流域洪澇滯蓄方案專題研究》，研究充分結(jié)合已有規(guī)劃治理思路，提出了姚江干流（甬江支流）布局“中滯”的基本思路，經(jīng)初步研究，擬于姚江左岸小涇浦以東農(nóng)保區(qū)集中布置蓄滯空間；2019年寧波市水利局啟動(dòng)了《寧波市蓄滯洪空間建設(shè)規(guī)劃》編制工作，規(guī)劃以前期研究及規(guī)劃推薦成果為依據(jù)，考慮姚江干流蓄滯空間實(shí)施的必要性和迫切性，并依據(jù)相關(guān)水利規(guī)范，就小涇浦蓄滯空間具體的建設(shè)方案進(jìn)行了規(guī)劃；2021年寧波市水利局啟動(dòng)了《姚江流域河姆渡小涇浦蓄滯空間1 期工程項(xiàng)目建議書(shū)》編制工作，再次明確小涇浦蓄滯空間為新形勢(shì)下有效協(xié)調(diào)與解決姚江干流洪水排泄不暢、超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對(duì)措施不足等問(wèn)題的規(guī)劃“中滯”工程。

但新形勢(shì)下，工程措施的實(shí)施往往周期長(zhǎng)、投資大，為指導(dǎo)與支撐小涇浦蓄滯空間現(xiàn)狀區(qū)域分洪問(wèn)題，從緩解干流現(xiàn)狀防洪壓力、防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水等實(shí)際需求角度出發(fā)，開(kāi)展小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建分洪數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)“分洪預(yù)報(bào)、分洪預(yù)警、仿真預(yù)演、數(shù)字預(yù)案”全過(guò)程鏈的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)，實(shí)時(shí)分析蓄滯區(qū)域分洪風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)模擬淹沒(méi)過(guò)程，科學(xué)支撐分洪決策，強(qiáng)化超標(biāo)準(zhǔn)洪水“四預(yù)”能力，最大程度降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)損失，為人民群眾提前安全轉(zhuǎn)移爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，為姚江流域防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水提供智能化、科學(xué)化技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

小涇浦蓄滯空間位于寧波余姚市河姆渡鎮(zhèn)姚江干流以北區(qū)域，河姆渡鎮(zhèn)北片區(qū)現(xiàn)狀已基本形成了“二橫八縱”的骨干排水格局，小涇浦即為其中“八縱”之一。考慮到河姆渡鎮(zhèn)北片區(qū)整體地勢(shì)相對(duì)較低，且洪水期極易受姚江、慈江洪水位頂托影響，故為切實(shí)緩解片區(qū)排水壓力，現(xiàn)狀河姆渡鎮(zhèn)北片區(qū)沿慈江、姚江布設(shè)有一定規(guī)模的強(qiáng)排泵站，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)狀已建強(qiáng)排泵站共計(jì)18 座，總規(guī)模47 m3/s。研究區(qū)域工程分布概化圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域工程分布概化圖

研究區(qū)域內(nèi)分洪閘擬為苗浦閘泵、小涇浦閘站與趙家排澇站，位于姚江左岸，分洪閘后河道為蓄滯空間內(nèi)的主要分洪河道，并溝通姚江和慈江水系。當(dāng)遇到超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)（上游干流水位超過(guò)20 年一遇設(shè)計(jì)水位），開(kāi)啟分洪閘進(jìn)行分洪，洪水自分洪閘進(jìn)入蓄滯空間，通過(guò)平原河網(wǎng)向北流動(dòng)，同時(shí)超量洪水漫過(guò)河岸在蓄滯空間內(nèi)擴(kuò)散，根據(jù)慈江水位情況，可選擇將超量洪水通過(guò)節(jié)制閘排入慈江，或者暫時(shí)蓄洪。蓄洪至水深即將威脅小涇浦蓄滯空間外圍區(qū)域主要村鎮(zhèn)時(shí)，關(guān)閉分洪閘，并根據(jù)干流水位情況及時(shí)開(kāi)啟閘門或者排澇泵站將洪水部分泄出。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用B/S（Brower/Server）方式開(kāi)發(fā)集成，運(yùn)用J2EE技術(shù)框架，按照面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法的原則進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分層解耦。本系統(tǒng)總體構(gòu)架分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層（圖2）。

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：由軟硬件保障設(shè)施、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、外部數(shù)據(jù)接入等軟硬件環(huán)境組成，為系統(tǒng)部署和運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層：通過(guò)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)清洗等步驟，匯集形成各類主題數(shù)據(jù)庫(kù)，包括水雨情信息、氣象信息、工情信息、地理空間信息等強(qiáng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等弱關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）應(yīng)用支撐層：基于系統(tǒng)功能需求，構(gòu)建分洪數(shù)學(xué)模型，預(yù)制分洪場(chǎng)景預(yù)案庫(kù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)及分析工具、二維GIS 引擎及報(bào)表工具，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：包括分洪調(diào)度預(yù)報(bào)、分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、方案仿真預(yù)演、分洪數(shù)字預(yù)案等功能，業(yè)務(wù)管理人員能夠?qū)崟r(shí)分析蓄滯區(qū)域分洪風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)模擬淹沒(méi)過(guò)程，科學(xué)支撐分洪決策，強(qiáng)化超標(biāo)準(zhǔn)洪水“四預(yù)”能力。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）分洪數(shù)學(xué)模型。包括分洪調(diào)度決策分析模型與分洪區(qū)域二維漫灘模型，分洪數(shù)學(xué)模型是干流超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御體系運(yùn)用的核心，模型可滿足規(guī)則調(diào)度、指令調(diào)度等多種調(diào)度場(chǎng)景下的調(diào)度決策模擬，再應(yīng)用守恒的二維非恒定流淺水方程組描述水流流動(dòng)，模擬小涇浦區(qū)域洪水蓄滯情況。

（2）分洪場(chǎng)景預(yù)案庫(kù)構(gòu)建。對(duì)小涇浦周邊區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，基于前期規(guī)劃研究成果設(shè)定分洪場(chǎng)景，對(duì)小涇浦蓄滯區(qū)域承擔(dān)姚江干流削峰與滯洪作用進(jìn)行分析評(píng)估。擬定分洪場(chǎng)景，制定分洪場(chǎng)景預(yù)案庫(kù)，動(dòng)態(tài)仿真模擬干流不同分洪流量場(chǎng)景下的區(qū)域洪水淹沒(méi)演進(jìn)過(guò)程及影響。

（3）分洪“四預(yù)”應(yīng)用體系建設(shè)。開(kāi)發(fā)小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)，建設(shè)洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)、分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、動(dòng)態(tài)仿真預(yù)演、分洪數(shù)字預(yù)案四大功能，強(qiáng)化超標(biāo)準(zhǔn)洪水“四預(yù)”能力。

3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

3.1 分洪調(diào)度預(yù)報(bào)

分洪調(diào)度預(yù)報(bào)主要包括干流水位預(yù)報(bào)、分洪需求分析、分洪調(diào)度計(jì)算3個(gè)模塊。系統(tǒng)接入甬江流域洪水預(yù)報(bào)模型計(jì)算成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)姚江干流水位過(guò)程的預(yù)報(bào)，初步分析研判超標(biāo)準(zhǔn)洪水情景下小涇浦蓄滯空間分洪需求，包括不同分洪洪量對(duì)干流水位削峰影響、分洪區(qū)受淹影響（受淹水深、受淹面積等），綜合以上分析成果，以分洪數(shù)學(xué)模型為計(jì)算引擎，通過(guò)設(shè)定分洪閘的調(diào)度規(guī)則，包括分洪起止時(shí)間、分洪閘是否啟用、分洪啟用水位等，實(shí)現(xiàn)小涇浦蓄滯洪區(qū)的分洪調(diào)度模擬。分洪調(diào)度預(yù)報(bào)界面如圖3所示。

圖3 分洪調(diào)度預(yù)報(bào)界面

3.2 分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警主要包括預(yù)警信息發(fā)送、責(zé)任人管理、預(yù)警模板管理、預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)4個(gè)模塊。以分洪調(diào)度預(yù)報(bào)的成果為依托，通過(guò)后臺(tái)預(yù)先設(shè)定預(yù)警閾值，當(dāng)余姚、丈亭水位站實(shí)時(shí)水位達(dá)到預(yù)警水位，且根據(jù)預(yù)報(bào)水位有持續(xù)上漲趨勢(shì)時(shí)，模塊可通過(guò)添加責(zé)任人，編制預(yù)警短信模板進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)送，預(yù)警信息發(fā)送范圍包括防汛責(zé)任人、社會(huì)公眾，此外模塊還可以對(duì)一定時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的預(yù)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警界面如圖4所示。

圖4 分洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警界面

3.3 方案仿真預(yù)演

方案仿真預(yù)演包括淹沒(méi)范圍及最大水深、動(dòng)態(tài)淹沒(méi)、分洪影響分析、分洪效益分析4 個(gè)模塊?；赪ebGIS 技術(shù)，用戶可動(dòng)態(tài)模擬小涇浦蓄滯空間二維洪水演進(jìn)漫灘過(guò)程，也可以直接在淹沒(méi)范圍及最大水深模塊中查看分洪區(qū)最大淹沒(méi)水深特征圖，基于分洪淹沒(méi)成果系統(tǒng)提供分洪區(qū)影響分析功能，包括分洪區(qū)受淹面積、影響重要設(shè)施分布（工廠、民房、通信基站、電力設(shè)施等）、影響人口統(tǒng)計(jì)，還可對(duì)干流分洪效益進(jìn)行分析，包括分洪前后干流最高水位及水位過(guò)程的對(duì)比。方案仿真預(yù)演界面如圖5所示。

圖5 方案仿真預(yù)演界面

3.4 分洪數(shù)字預(yù)案

根據(jù)寧波市防汛抗旱指揮部與寧波市水利局編制發(fā)布的《甬江流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案》，結(jié)合分洪數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析的成果落實(shí)預(yù)案措施，基于WebGIS 技術(shù)可直觀展示分洪區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息和避災(zāi)搶險(xiǎn)信息等要素，為防汛防臺(tái)期間分洪調(diào)度決策提供科學(xué)支撐。分洪數(shù)字預(yù)案界面如圖6所示。

圖6 分洪數(shù)字預(yù)案界面

4 結(jié) 語(yǔ)

從緩解干流現(xiàn)狀防洪壓力、防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水等實(shí)際需求角度出發(fā)，開(kāi)展小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)研究，一方面構(gòu)建分洪數(shù)學(xué)模型、預(yù)制分洪場(chǎng)景預(yù)案庫(kù)，能夠?qū)π芷植煌考?jí)分洪調(diào)度場(chǎng)景進(jìn)行模擬；另一方面通過(guò)開(kāi)發(fā)小涇浦蓄滯空間分洪“四預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析蓄滯區(qū)域分洪風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)模擬淹沒(méi)過(guò)程，科學(xué)支撐分洪決策，強(qiáng)化超標(biāo)準(zhǔn)洪水“四預(yù)”能力，最大程度降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)損失，為人民群眾提前安全轉(zhuǎn)移爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，為姚江流域防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水提供智能化、科學(xué)化技術(shù)支持。

本研究作為工程措施的有力補(bǔ)充，不僅能夠指導(dǎo)與支撐小涇浦蓄滯空間現(xiàn)狀主動(dòng)分洪問(wèn)題，并且旨在探索構(gòu)建一套可復(fù)用、可共享、可服務(wù)的分洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)，為其他地區(qū)應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水非工程措施建設(shè)打造示范標(biāo)桿。但實(shí)際應(yīng)用中可能面臨分洪口變化或破堤等分洪上邊界動(dòng)態(tài)調(diào)整問(wèn)題，需要下一階段進(jìn)行研究驗(yàn)證。