绍兴平原河网模型研究与应用

陈 飞，应晓丽

(绍兴市水利水电勘测设计院，浙江 绍兴 312000)

绍兴平原河网模型研究与应用

陈 飞，应晓丽

(绍兴市水利水电勘测设计院，浙江 绍兴 312000)

绍兴平原河网水动力情况复杂，水利工程众多.利用MIKE11软件建立绍兴平原河网一维水动力学模型，用产汇流计算确定了模型的边界条件，对2场典型洪水进行了率定和验证.并利用模型在2015年“灿鸿”台风预报中进行了检验，取得了较高的精度，代表水位站最大水位差仅有3 cm.结果表明，模型在率定期和验证期模拟效果均良好,给绍兴平原的防洪分析提供了技术支撑.

MIKE11；平原河网；率定验证；洪水预报

绍兴市位于浙江省中北部、杭州湾南岸，位于东经119°53′至121°13，北纬29°13′至30°17之间，市辖区总面积2 942 km2.绍兴平原南高北低，南部为山区，面积563 km2，北部为平原，面积747 km2，平原高程在4.4～5.5 m之间.绍兴平原属于曹娥江流域，萧绍运河水系，境内河网纵横，湖泊众多，有大小河流1 900 km，平原区现状水面率高达16%，素有“东方威尼斯”的美誉.历史上绍兴平原是一个多旱涝灾害的地区，极端性灾害和短历时暴雨频发.特别是近几年，梅雨和台风造成的洪水发生频率越来越高，洪水造成的财产损失越来越大.

1 模型基本方程

水文演算采用MIKE11[1]软件中NAM模型.NAM水文模型是一个集总式的确定性概念模型，用于模拟流域内的降雨产汇流过程.它将土壤含水量分成积雪储水层、地表储水层、浅层或根区储水层和地下水储水层四个部分，分别进行连续计算以模拟流域中各种相应的水文过程.

水动力计算采用MIKE11中的HD模块[2-3]，本模型洪流演进计算的对象是平原河网，河道交错，水流流向复杂，计算采用一维非恒定流方法，圣维南偏微分方程组为：

(1)

(2)

式中：x、t—计算点空间和时间的坐标；

A—过水断面面积；Q—过流流量；

h—水位；q—旁侧入流流量；

C—谢才系数；R—水力半径；

α—动量校正系数；g—重力加速度.

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解圣维南方程(见图1).该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点.Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点.离散后的线形方程组用追赶法求解.

图1 Abbott格式水位点、流量点布置图

2 水文和水动力模型构建

2.1 河网概化

MIKE11软件是由丹麦著名水资源及水环境研究所(DHI)开发[4]，MIKE11软件较其他一维水动力学数学模型的优势，在于将河道和水工建筑物高度集成化和可视化，且后处理功能强大，为本次防洪分析中众多水工建筑物的模拟和调度提供了技术平台.

绍兴平原河网模型概化了“六纵五横”骨干河道及其间连接的重要河道共计300余条，共布设约3 900多个计算断面；包含有重要湖泊8个，排涝闸、节制闸12个，铁路公路涵洞50个，规划排涝泵站3个.模型基本上涵盖绍兴平原区主要河道、全部的排水挡潮闸以及曹娥江上浦闸以下河段，综合了现有河网、水闸和规划河道、泵站、排水挡潮闸的调蓄与排涝的作用，能适用于绍兴平原河道洪流演进的定量分析计算.

绍兴平原河网水利计算概化图(见图2).

图2 绍兴平原河网水利计算概化图

“五纵六横”河道由11条河道组成，五纵为：大坂湖直江、瓜渚湖直江、外官塘、马山大河、长水江，六横为：东小江—滨海大河、杭甬运河、三江大河、马山闸西江、浙东古运河、鉴湖.

共概化的水域面积占绍兴平原总水域面积近50%，其他未概化河道均以调蓄水面的方式加到相邻的骨干及重要河道上.

2.2 边界条件

模型研究范围[5]为:东侧为曹娥江，南侧为南部山区的山脊线，西侧和北侧与萧山交界.

上边界[6]：南部山区18个流量边界+曹娥江上浦闸流量边界，其中南部山区采用NAM水文模型计算，采用浙江省推理公式和瞬时单位线法验证，上浦闸流量边界采用曹娥江流域综合规划修编中数据；

下边界：北部与萧山交界处为闭边界，下游与钱塘江交界处为潮位边界，潮位边界采用曹娥江河口5年一遇潮位过程线.

3 模型率定和验证

3.1 模型率定

由于绍兴南部山区没有流量站，难以对下泄流量进行率定.平水江水库流域面积较大，并且有准确的库容曲线和详细的调度记录，并且其地形地貌在南部山区具有代表性，因此利用平水江水库进行水文模型参数的率定，得到一套南部山区的水文参数，用于其他小流域，并结合流域出口处水位站进行验证和调整，从而推出每个小流域适合的水文参数.

根据多年洪涝资料分析，选用洪涝发生时间较近，降雨情况较为典型，实测资料较完整的2013年“菲特”台风暴雨过程进行参数率定计算.考虑到模型计算稳定性及计算时间要求,模型计算时间步长取2 min，空间步长取200～10 000 m不等(见图3).

图3 平水江水库水位过程

经调试后按以下三方面进行率定：

(1)平原河网水位—容积曲线校验

河网断面及水位容积概化必须与实际河网水位容积曲线接近，这是平原河网水力计算的关键，表1为不同水位高程下，概化蓄水量与实际调蓄水量对比情况(水位站为绍兴南门站).可以看出，相同水位高程下，概化蓄水量与调蓄水量基本一致，相对误差较小.

表1 河网水位容积关系表

(2)参证站水位

本次选取绍兴平原具有代表性的四个水位站作为验证站点，选定参数情况下各参证站水位过程成果(见图4).

图4 “菲特”洪水各参证站水位过程线

从计算成果可以看出，实测水位过程线与计算值吻合较好，综合反映了排涝演进计算方法及拟定的参数是合理的.

(3)总水量平衡

总水量平衡主要包括两个方面：平原河网进出水量平衡和曹娥江进出水量平衡.

“菲特”洪水期间(从2013年10月6日到2013年10月10日)，平原河网内水位从3.9 m到5.02 m，再将回到4.3 m.水文率定结果(见表2).

表2 水文率定结果表

从表2可以看出，平原区和曹娥江进出水量计算差值与实际调蓄量相比，误差均在5%以内，计算结果合理.

模型率定[7]主要以糙率系数为基本率定参数，平原河网由于桥梁众多，部分河道渔网密布，因此糙率较大，根据调查情况，按河道等级设置糙率(见表3).

表3 河道糙率表

3.2 模型验证

本次模型还对“120618”梅雨进行了验证计算，参证站计算最高水位(见表4).

表4 参证站率定计算成果表

从表4可以看出，参证站计算最高水位与实测最高洪水位十分接近，差值百分比均在2%以内，满足相关规范的要求.

以上验证结果表明，本次所建数学模型和水利计算所选参数是合理的，能够为洪水预报及规划方案提供计算支持.

4 洪水预报

2015年6月30日20时“灿鸿”在西北太平洋生成，强台风中心于11日16时40分在舟山市朱家尖镇登陆.此次“灿鸿”台风对绍兴市造成严重影响，截止6月12日，全市因洪涝灾害造成的直接经济损失6.2亿元，水利工程直接经济损失0.6亿元.

为验证模型的实用性，对“灿鸿”台风进行了预报检验[8]，洪水过程线(见图5).可以看出，在降雨预报准确的情况下，各参证站预报水位与实测水位拟合较好，说明绍兴平原河网模型具有较高的精度，可以用于洪水预报.

图5 “灿鸿”洪水各参证站水位过程线

5 结 论

针对绍兴平原河网的特点，建立了基于水文与水力学相结合的洪水预报模型，利用模型对2015年“灿鸿”台风洪水进行早期预警预报，主要参证站洪水位过程预报结果较好，最大水位差仅有3 cm.

本模型具有较强的理论依据和应用价值，对同类洪水预报有一定的借鉴意义，为绍兴平原的洪水预报提供了一定的技术支持.但仍有需要进一步讨论的问题：

(1)需要在更多的洪水预报中进行验证，进一步完善洪水预报模型，提高洪水预报效果.

(2)尽快把曹娥江上浦闸以上流域建入到模型中来，使模型更具有可信性.

(3)探讨建成洪立预报系统，把历史上历次台风和降雨资料录入系统中，根据台风特点，匹配出历史上最相似的台风路径和降雨过程，进行更精确的早期洪水预警.

[1] 丹麦DHI公司.MIKE11用户手册[M].丹麦：DHI公司,2008.

[2] 林 金.MIKE11模型在台州市区河网纳污能力计算中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2014,26(1)：13-18.

[3] 童云英，李东风，聂 会.大田平原河网水动力和平面二维数学模型研究[J].浙江水利水电学院学报，2016，28(1)：14-17.

[4] 黄 程.MIKE11模型在东莞市防洪分析中的应用[J].水利规划与设计,2013(4):26-29.

[5] 梁彬锐.MILE11模型在沙井河片区防洪排涝工程中的应用[J].中国农村水利水电,2008(7):81-83.

[6] 陈卫金，李东风，张红武.绍兴平原河网防洪排涝水动力模型控制条件分析[J].浙江水利水电学院学报，2014,26(3)：38-41.

[7] 杨 洵,梁国华,周惠成.基于MIKE11的太子河观—葠河段水文水动力模型研究[J].水电能源科学,2010，28(11):84-87.

[8] 包红军,李致家,王莉莉.淮河鲁台子以上流域洪水预报模型研究[J].水利学报,2007(s1):440-448.

HydrodynamicModelforPlainRiverNetworkinShaoxing

CHEN Fei,YING Xiao-li

(Shaoxing Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Shaoxing 312000,China)

The hydrodynamic situation of river network in Shaoxing plain is complex,and there are many water conservancy projects. One-dimensional hydrodynamic model of Shaoxing plain river network based on MIKE11 software is established,and the boundary conditions of the model are determined by runoff calculation,therefore,the calibration and validation for two typical floods is conducted. The model was tested in 2015 in the forecasting of typhoon "Chanhong",with the maximum water level difference in 3cm. The results show that the proposed model has good simulation effects,providing technical support for flood control analysis of Shaoxing plain.

MIKE11; plain river network; calibration and verification; flood forecasting

2016-06-13

陈 飞(1985-)，男，山东荣成人，硕士，工程师，主要从事水动力及洪水预报工作.

P334+.92

A

1008-536X(2016)10-0043-05