河网水动力模型在防洪排涝工程建设作用评价中的应用

2018-05-25余方顺江雨田张卫国薛晓鹏

浙江水利科技 2018年3期

余方顺，江雨田，张卫国，薛晓鹏，于慧

（1.宁波市水利水电规划设计研究院，浙江宁波 315192；2.长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011）

1 问题的提出

甬江流域地处浙江省东部沿海，历年频繁遭受台风暴雨侵袭，四明山区是浙江省暴雨中心之一[1]。流域内宁波中心城区、余姚、慈溪等市经济发达、人口众多，受到洪涝灾害影响损失尤为严重。特别是2013年“菲特”台风，流域发生了超过50 a一遇的降雨，致使宁波市受灾严重，受灾人口248万，直接经济损失333亿元[2]。2013年“菲特”台风严重受灾后，宁波市制定了“治水强基”重大项目三年行动计划，在全市开展水利设施大整修、大建设[3]。以增强防洪排涝能力为目标，推进一系列江河堤防加固、排涝骨干河道整治和水闸、泵站的配套设施等工程措施建设。截至2016年12月，工程建设已基本完成。

为明确这一系列工程建设对甬江流域防洪排涝能力的提升效果，本文采用河网水动力模型[4-5]，分别模拟工程建设前以及工程建设后的工况进行洪水分析计算，以平原主要代表站的水位特征值以及平原淹没特征为主要评价因子，研究防洪排涝工程措施的建设作用。

2 甬江流域河网水动力模型建立

2.1 模型计算原理

河网水动力数学模型大体可以分为节点 — 河道模型、单元划分模型、混合模型以及人工神经网络模型4类[6-7]，可对河网地区的防洪、排涝、灌溉、配水方案设计及水环境治理等提供可靠的解决方法[8-9]。针对甬江流域的河网特征和水利工程情况，采用混合模型对其进行模拟研究，根据甬江流域河道与水利工程资料，将甬江流域水系概化成由河网和水域组成的系统。河网由流域内骨干河道和一系列连接骨干河道的主要河道组成，是流域输送水流的载体；水域主要由水塘、支流小溪等水体概化组成，主要起着水量调蓄作用。对河网采用节点 — 河道模型，对成片水域则划分为单元，这部分单元仅起蓄水调节作用，不起动力输水作用。通过引入陆域宽度的概念，河网和水域组成统一的数学模型，称混合模型。

2.1.1 水流控制方程

河网水动力数学模型的求解归根结底是对描述河道一维非恒定流运动的圣维南方程组的求解。圣维南偏微分方程组如下：

式中：q为河道旁侧入流，m3/s；BT为调蓄河宽，m；Z为断面水位，m；Q为流量，m3/s；K为流量模数。

2.1.2 堰闸出流模拟

堰闸出流由堰流公式和堰闸调度方式决定。

碶闸的泄洪形式为自由出流时：

泄洪形式为淹没出流时：

式中：m为闸孔自由出流流量系数；φ为闸孔淹没出流流量系数；Zu闸前水位，m；Zd闸后水位，m；H闸前水头，m；Hs闸后水头，m；B闸孔的宽度，m。

2.1.3 泵站出流模拟

泵站出流由泵站调度方式和设计泵排能力决定。

2.1.4 过水断面概化

天然河道断面往往是不规则的，本文将天然河道断面概化为梯形断面或复式梯形断面进行模拟计算。

2.2 模型建立

充分考虑流域地形、地势、河流走向、水利工程、交通路网情况，对甬江流域平原河网进行概化。本次概化了2 308条河段，2 032个节点，15 661个断面。甬江流域河网水动力模型河网概化示意见图1。

图1 甬江流域洪水模拟河网概化示意图

2.3 模型验证

2013年“菲特”台风于10月7日凌晨在浙闽交界处登陆，台风期间姚江流域最大3日面雨量456 mm，约120 a一遇，奉化江流域最大3日面雨量460 mm，约50 a一遇，是甬江流域历史有记录以来最大一场台风，具有雨量大、降雨集中、持续影响时间长的特点。

根据“菲特”台风实际工况及调度方式，采用甬江流域河网水动力模型进行分析计算。平原重要代表站点水位计算与实测最高水位见表1。

表1 “菲特”台风代表站水位验证结果表 m

通过“菲特”台风的模拟验证，各平原代表站计算与实测最高水位误差较小，证明河网水动力模型在甬江流域的模拟具有较高精度，可应用于防洪排涝工程措施建设作用评价中。

3 防洪排涝工程建设作用评价

3.1 甬江流域近年防洪排涝工程建设情况

宁波市中心城区由3条主干河道 — 奉化江、姚江和甬江穿城而过，将平原划分为鄞东南平原、江北镇海平原、鄞西平原3片平原区域。鄞江、东江、剡江、县江是奉化江上游主要支流。区域内河网水系及水利工程见图2。

图2 宁波市中心城区河网水系及水利工程示意图

根据《宁波市治水强基重大项目三年行动计划》的安排，在2014 — 2016年，以江河堤防加固、排涝骨干河道整治和水闸、泵站配套为重点，通过实施“治水强基”工程，实现“三江”干流堤防全线封闭，东江、剡江、县江等重要支流和独流入海河流的堤防加固任务基本完成；骨干排涝河道整治全面实施，建设沿江强排泵站，流域和主要培养的主子排涝体系初步形成；防洪减灾应急管理体系和社会管理体系更加完善，防洪减灾整体能力不断提高。

3.1.1 防洪工程建设

以三江干堤为主线，全面加快江河堤防建设。加快推进甬江防洪工程建设，基本建成奉化江鄞州新城区段、东江剡江奉化段、姚江江北和鄞州段、姚江蜀山闸以上河段堤防加固130 km和配套闸站近100座。开工建设奉化江鄞奉交界段、东江剡江鄞州段、余姚上姚江等约40 km堤防。

截至2016年12月，鄞东南平原、江北镇海平原干流堤防实现全线封闭，鄞西平原由于鄞江堤防整治工程未在本次建设周期之内，鄞江堤防尚未完全封闭。

3.1.2 排涝工程建设

以城市和主要平原地区为重点，完善主干排涝体系。全面实施鄞东南、鄞西、江北、镇海等主要平原主干排涝河道整治；开工新建鄞东南、鄞西、江北、镇海沿江沿河的保丰闸泵、甬新泵、铜盆浦泵、孔浦闸泵、新泓口泵等与主干河道配套的强排泵站，设计总规模300 m3/s左右，增强城市及主要平原强排能力。加快城区防洪排涝基础设施建设，着力沟通疏浚内河，落实管网养护责任，推进排水设施升级改造。

3.2 模型应用与分析

为合理评价防洪排涝工程建设的作用，采用平原河网水动力模型，分别模拟甬江流域近年防洪排涝工程建设前后2种不同工况下，遭遇2013年“菲特”台风、 2016年“莫兰蒂”台风期间实际降雨和实际外海潮位时的洪涝灾害情况，以流域内主要平原代表点最高水位、平原淹没情况为因子进行对比分析。

3.2.1 平原代表点最高水位分析

统计工程建设前、工程建设后流域内主要平原代表点最高水位特征值（见表2），统计工程建设前、工程建设后流域内主要平原代表点超警戒水位持续时间特征值（见表3）。

表2 平原代表点最高水位对比表 m

表3 平原代表点超警戒水位时间表 h

从表2、表3计算成果可知：

（1）对于鄞东南和江北镇海平原，近年城市防洪排涝工程建设后，各代表点最高水位和超警戒水位时间相较工程建设前均有所降低。遭遇“菲特”台风情况下，鄞东南平原最高水位降低0.11 ～ 0.14 m，超警戒时间缩短5 ～ 11 h，江北镇海平原最高水位降低0.05 ～ 0.06 m；遭遇“莫兰蒂”台风情况下，鄞东南平原最高水位降低0.05 ～ 0.07 m，超警戒水位时间缩短4 ～ 5 h，江北镇海平原最高水位降低0.04 ～0.06 m，超警戒水位时间缩短5 h。

（2）对于鄞西平原，由于干流整体水位的抬升且鄞江堤防尚未完全封闭，近年城市防洪排涝工程建设后鄞西平原遭受鄞江漫堤的洪水量有所增加，因此各代表点最高水位和超警戒水位时间相较工程建设前反而略有提升。遭遇“菲特”台风情况下，鄞西平原最高水位抬升0.02 ～ 0.05 m，超警戒水位时间延长0 ～ 1 h；遭遇“莫兰蒂”台风情况下，鄞西平原最高水位抬升0.01 ～ 0.03 m，超警戒水位时间延长 0 ～ 1 h。

3.2.2 平原淹没情况分析

为形象展现鄞东南、鄞西、江北镇海3片平原在工程建设前后的洪涝淹没情况，绘制防洪排涝工程建设前、工程建设后流域遭遇“莫兰蒂”台风下3片平原的洪水淹没水深图（见图3和图4）。统计工程建设前、工程建设后各片平原的淹没面积与淹没面积比例见表4。

图3 工程建设前“莫兰蒂”台风下宁波市中心城区淹没水深图

图4 工程建设后“莫兰蒂”台风下宁波市中心城区淹没水深图

表4 “莫兰蒂”台风各片平原淹没面积与比例统计表

从图3和图4对比，结合表4信息可以看出，以2016年“莫兰蒂”台风实际降雨、潮位边界条件进行模拟分析下，工程建设后鄞东南平原和江北镇海平原洪水淹没范围和淹没水深均明显减少，其中鄞东南平原淹没面积减少36.8 km2，比例为20.1%；江北镇海平原淹没面积减少14.8 km2，比例为14.1%；鄞西平原洪水淹没范围和淹没水深稍有增加，淹没面积增加8.5 km2，比例为6.8%；3大平原总计淹没面积减少43.1 km2，总计减少比例为10.4%。

3.3 工程作用评价

3.3.1 防洪工程作用评价

从2.2节分析计算成果可知，宁波市近年建设的干流防洪工程，如奉化江鄞州新城区段、奉化江鄞奉交界段、东江剡江奉化段、东江剡江鄞州段、姚江江北和鄞州段等堤防加固工程完成后：①鄞东南平原、江北镇海平原干流堤防全线封闭，各河段防洪能力达到相应防洪标准，防洪能力有所提高；②鄞西平原姚江和奉化江堤防封闭完成，达到规划防洪标准，但由于鄞江堤防整治工程尚未完成，因此鄞西平原防洪能力仍需提升。

3.3.2 排涝工程作用评价

从以上模拟计算成果可知，除鄞西平原受干流漫滩影响外，鄞东南、江北镇海平原工程建设后平原代表点最高水位、高水位持续时间相较工程建设前都有所降低，淹没范围及淹没水深整体减少。说明宁波市近年建设的主干排涝河道整治、沿江配套闸门建设、强排泵站建设以及内河河道疏浚工程，能够一定程度上提升各片平原排涝能力。