浦东水文水动力模型的建立和应用

2019-04-09孟钲秀

浙江水利科技 2019年2期

孟钲秀

（上海市浦东新区水文水资源管理署，上海 200129）

1 问题的提出

近年来，浦东新区积极推进水环境综合治理，水环境面貌持续改善，但与国家级新区的生态环境定位和市民对水环境质量的要求仍有较大差距。为切实加大水污染防治力度，持续提高水环境质量，亟需全面掌握浦东新区河网水系的水文、水动力状态，科学分析河道水环境现状，提出有针对性的规划整治方案。因此，浦东新区水文水资源管理署利用对浦东新区河道水资源监测数据的长期积累和技术开发基础条件，开发基于MIKE11的水文水动力模型，为浦东新区各项水环境综合整治方案提供科学决策和优化改善的工具，同时为水质模型的建立提供了水动力基础。

2 研究区域概况

水文水动力模型研究区域为完整的浦东水利片区，包括浦东新区、奉贤区和闵行区（黄浦江以东），总面积为2 220.5 km2。

浦东新区属平原感潮河网地区，外围由长江口与黄浦江水域环抱，内河水位由沿江沿海泵闸控制[1]。境内河港密布、沟渠纵横，但分布不均。主要河流有环绕区境的黄浦江，以及东西向的川杨河、张家浜、大治河、六灶港，南北向的浦东运河、随塘河、马家浜、宣六港、团芦港等。

浦东新区降雨充沛，浦东新区多年平均降水量为1 207.3 mm，具有雨量多、短时降雨强度大、雨季长、地区分布不均等特点，但内河水源水质较差，水质型缺水问题突出。利用外围水闸进行防洪、引清排污、改善内河水质，逐步形成了“外挡、内控、引清、调活”的水资源调度方式。

3 模型构建

3.1 模型原理

本项目采用MIKE 11软件作为基本的建模工具进行模型开发。浦东水文水动力模型包括：产汇流计算模块、水动力计算模块、结构物调度计算模块等。这些模块之间相对独立又相互耦合，其中产汇流计算通过MIKE 11 RR模型中的NAM模块，河道水动力计算采用MIKE 11 HD模块。

3.1.1 产汇流计算模块

MIKE11采用NAM模块（模型结构见图1）完成产汇流计算，NAM以集水区为单位模拟计算地表降雨净流量，计算结果可为浦东河网水动力模型提供地表降雨径流入河流量[2-3]。

NAM模型的气象输入资料包括：降雨、蒸发能力和温度，输出主要有：径流量和水位、以及其它的水文要素如土壤含水率和地下补给量。NAM 模型的主要参数包括：地表储水层最大含水率Umax，根区储水层最大含水率Lmax，坡面流汇流系数CQOF，壤中流汇流时间CKIF，坡面流汇流时间CK1，2，坡面流产流临界值TOF，壤中流产流临界值TIF，根区地下水补给临界值TG和基流汇流时间CKBF。

图1 NAM模型结构图

3.1.2 水动力计算模块

河网水动力模拟的基本目的是提供河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息，并模拟泵站和闸门调度规则对河道水文条件的影响，

一维河道水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程组，即一维非恒定流Saint - Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态[4-6]。方程组如下：

式中：x、t 分别为计算点空间和时间的坐标，A为过水断面面积（m2），Q为过流流量（m3/s），h为水位（m），q为旁侧入流流量（m3/s），n为曼宁系数，R为水力半径（m），α为动量校正系数，g为重力加速度。

3.2 模型构建

3.2.1 水文分区划分

水文模型的构建最主要的工作是对集水区域进行合理的划分，浦东水利片总面积为2 220.5 km2，浦东新区排水系统有2类：①强排区域内降雨通过雨水管网并经由直排泵站点状入河；②自排区域内降雨就近汇入附近河道。集水区分为3类：①泵站服务区；②自排区；③排水系统以外集水区域。

本次研究在降雨径流模拟过程中，一共划分了115个水文分区，其中泵站服务区和自排区共有84个（见图2）。

图2 水文计算分区划分图

3.2.2 水文参数设置

结合现有资料，浦东水利片115个水文分区的主要参数取值见表1。

表1 主要水文参数取值表

3.2.3 河网构建

浦东水利片河网复杂密集，本次研究共概化234条河道（见图3）。概化总长度为1 632 km，断面3 106个，平均每500 m布置一个断面。整个模型包括6 779个计算点。

未被概化的中小河道及水体将都以额外库容的形式添加至已概化的相邻河道断面中，参与水量调蓄的计算。概化的具体原则如下：

（1）以所概化的河道断面为基础生成二维拓扑；

（2）以此二维拓扑对遥测水面拓扑进行分割；

（3）分割后可得到每个河道网格内未在河网断面中概化的中小河道及蓄水体的水面面积，此处记为Ai；

（4）依据模型概化库容和实际库容曲线可以得到模型仍需概化的库容；

（5）将每个水位下的未概化库容依据Ai按面积分配至所围区域相邻的已概化河道断面上。

图3 水系河网概化图

3.2.4 水工建筑物设置

水工建筑物主要为沿黄浦江一侧的闸门及沿长江一侧的挡潮闸；所有闸门均以实际调度记录设置。浦东水利片所概化的水闸分布见图4。

图4 概化的水闸分布图

3.2.5 水文水动力模型耦合

水文模型与水动力模型耦合的主要原则为：①根据与水文分区所连河道的长度按比例对水文分区的面积进行划分；②将所划分的部分面积以分布式连接的形式与相应河道进行连接，使产流可均匀汇入相邻河道。

3.2.6 边界条件

外部边界的设置主要指水位设置。黄浦江上游采用米市渡水位边界，下游采用高桥的水位边界；与长江交互边界，均为潮位边界。

3.2.7 水动力初始条件

浦东水利片水系复杂，本次研究尽可能获取实测站点水位、流量信息作为初始输入条件，模型通过这些信息进行空间插值、启动计算，待计算稳定之后，再取稳定后的空间条件作为初始条件，进行模型计算。

4 模型结果与分析

模型率定是模型开发的重要内容，它是将模型模拟结果与实测水文数据进行比较，通过反复调整模型参数以获得更为理想的拟合结果[5]。由于平原河网地区很难对单独水文分区的模拟结果进行率定，本次研究将水文模型与水动力模型进行联合率定。

4.1 数据收集与处理

本次研究共收集到以下几类数据：①河网水系数据。包括：2015年浦东新区水面的遥测数据、2013年闵行和奉贤区水面的遥测数据、2015年浦东新区一级、二级、三级水系图以及2013年闵行和奉贤区市级、区级、镇级、村级水系图。②断面数据。包括：144条河道的实测断面资料。其中42条河道为2006年实测资料，102条河道为2011年实测资料。③水文气象数据。包括：浦东新区60个雨量站点2010 — 2016年的5 min累积雨量、高桥站2010 — 2016年的逐日蒸发量以及32个水位站2010 — 2016年5 min间隔水位。④水工建筑物数据。包括：2010 — 2016年4月浦东水利片36座闸门的调度记录。为了与输入的数据年限保持同步性，选取2014年作为模型率定期。

4.2 模型结果与分析

4.2.1 流量结果

由于内河缺少实测流量数据，流量率定主要集中边界闸门处。经模型计算，2014年几个水闸引排水量的模拟值与实测值的比较见表2。

表2 2014年几个水闸引排水量的模拟值与实测值的比较表亿m3

由表2可见，主要引水闸门的引水量模拟误差基本控制在20%以内，排水闸过闸流量的误差偏大。在引水量基本符合要求的情况下，排水量的误差可能由水文模型的计算结果误差造成。

4.2.2 水位结果

本次选取4个内河水位站：赵桥、张江水厂、航头及泥城进行率定。经计算：赵桥水位模拟在1月，7 — 12月模拟值与实测值拟合较好；2 — 6月在局部退水期模拟值偏低约20 cm；张江水厂2 — 5月份模拟水位值整体偏低约15 cm；7 — 8月局部时段模拟值偏高约10 cm，其余时段水位偏差较小；航头站2月模拟退水时段水位值偏低约15 cm，7 — 8月局部时段模拟值偏高约10 cm，其余时段水位偏差在10 cm以内；泥城2 — 5月模拟水位值整体偏低约15 cm，7 — 8月局部时段模拟值偏高约10 cm，其余时段水位偏差较小。

经分析，水位模拟的偏差可能是由于以下原因导致：①模拟的闸门流量与实测的流量有偏差，是导致水位部分月份模拟不理想的原因之一；②现有水文模型仍然采用统一参数，取值并不能完全反映整个浦东水利片区的下垫面特性；③模拟全年情况下，不同月份可能有取用水的情况，比如农作物的灌溉等，这些可能会对模拟结果造成一定影响；④目前水动力模型中尚未对糙率进行详细率定，也可能导致局部水位模拟不好。

结合误差原因，将从以下方面提高模型结果精度：①以实际流量作为边界，排除因进出口闸门模拟不好导致的水位模拟问题；②结合收集到的用地性质等，分析浦东水利片区的下垫面特性的空间分布，以此为依据调整水文模型参数；③尽量收集取用水数据；④根据水位站的实测水位率定糙率。