构建绍兴市曹娥江流域水动力模型的探讨

吴 勇，何立群

（绍兴市水利水电勘测设计院，浙江 绍兴 312000）

水动力模型是描述流域河网水域水流运动规律的数学模型，可为流域内防洪、排涝、灌溉、航运、水污染治理和保护等工作提供精确可靠的基础数据。从已有的成果来看，整个曹娥江流域水动力情况的模型较为缺乏，白立影[1]以曹娥江流域为例，分析对比水文模型与水动力模型在不同水文条件下的优劣，并没有对其模拟方法、模拟结果方面进行重点讨论。

通过构建曹娥江流域水动力模型，经过数学模型的计算分析，能掌握整个流域内不同水文条件下河流湖泊的水动力状况，较为准确的预测水流流速、水位、水深、流量及其变化过程[2]，但目前对于该方面的工作研究亟待加强。本文主要通过对曹娥江流域实际情况及相关模型构建方法的对比分析，探讨构建绍兴市曹娥江流域水动力模型的可行性。

1 流域概况

曹娥江位于浙江省绍兴市，是浙江省八大水系之一，主流澄潭江，发源于金华市磐安县尖公岭，经绍兴市新昌县镜岭镇、澄潭镇澄潭江，北流至绍兴市嵊州市城关镇附近与新昌江、长乐江、黄泽江汇合后总称曹娥江，折西北流至绍兴市柯桥区新三江闸注入杭州湾。河道全长197 km，流域面积6 046 km2。

曹娥江流域属亚热带季风气候区，流域内雨量充沛，多年平均降水量约为1 500 mm，且降水量时空分布不均，年际、年内变化较大。降水量最大的年份为1976年2 514 mm，最小为1967年814 mm。全年共有3个雨季，3 — 4月份为春雨季，降水量约占全年降水量的18%；5 — 7月份为梅雨季，降水量约占全年降水量的35%，雨量大且持续时间长；8 — 10月份为台风雨季，降水量约占全年降水量的15%，受台风影响主要为暴雨，山区性河道水位易暴涨暴落。

曹娥江干流章镇以上及支流小舜江汤浦镇以上为山区性河段，不受海洋潮汐影响，以径流作用为主；曹娥江河口大闸建成前，章镇以下至曹娥江大闸段为感潮河段，其水流动态不仅受到上游来水影响，也受到下游曹娥江河口海洋潮汐回水顶托的影响，径流和潮流共同作用；河口大闸建成后，曹娥江干流水流动力受径流作用。

曹娥江主要支流有左于江、小乌江、新昌江、长乐江、黄泽江、里东江、隐潭溪、小舜江等，除小乌溪、长乐江、小舜江由左岸汇入曹娥江外，其余均从右岸汇入。各大支流中长乐江最大，黄泽江次之，各支流河长及流域面积见表1[1]。

表1 曹娥江主要支流情况表

续表1

2 模型建立

目前主流的流域模型主要由水文学模型和水力学模型通过连接的方法耦合而成[1]。2种模型单独计算，通过水文学模型提供水力学模型计算的边界条件，再由水力学模型进行河道水流计算。其中水文学模型计算的区间入流，以源项的形式引入水力学模型，作为旁侧入流加入到河道相应断面中。为水文学模型与水力学模型相连接，主要使用MIKE11中的降雨 — 径流模型（NAM）与水动力学模块（DH）。流域模型见图1。

图1 MIKE11流域模型图

2.1 水文产汇流模型

MIKE11的NAM模型主要是一个确定性的、概念性的、集总式模型，简单、定量的描述陆相水文循环过程。作为一个概念的集总模型，NAM将整个流域作为一个模拟单元，各参数或各变量代表整个流域的平均取值，因此，大部分参数的最终取值需要通过水文监测数据进行率定。模型通过连续计算4个不同且互相关联的储水层（Storages）的含水率来模拟流域降雨径流过程，每个储水层代表不同的物理单元，分别是积雪储水层、地表储水层、土壤或植物根区储水层、地下水储水层。

NAM模型在模拟一个面积大、地形复杂的流域时，通常基于AreGIS的AecHydro水文分析工具来直接确定地形，按照DEM数据预处理→确定水流方向→汇流累积栅格计算→提取河网→流域分割等步骤实现流域水文特征的提取[3]，导入Mike11软件后，通过输入降雨、蒸发、气温数据，输出得到地表径流、地下水位、土壤含水率等数据。最后将NAM模型模拟产生的径流作为旁侧入流进入到HD模型的河网中，HD模型将流入的径流作为计算河道沿程水位和流量的边界条件处理。应用水文模型图见图2。

图2 结合Aecgis应用水文模型图

2.2 一维水动力模型

水动力计算采用MIKE11中水动力模块（HD），所采用的基本控制方程为1871年法国学者Saint - Venant建立的简单河渠非恒定渐变流运动规律偏微分方程，方程建立在一定的假定前提下，主要包括：①水流是一维的，在整个横断面内流速均匀，河道曲率所产生的离心作用忽略不计；②横断面上的压强是静压分布，垂直加速度忽略不计；③边界摩擦和紊动影响可用阻力表示。虽然天然河道是及其复杂多变的，实际上并不存在一维水流运动，但如果从宏观的流域角度分析水动力情况，研究问题的着重点应在断面平均水力要素上，并不追求某一点的严格正确，因此假定一维水流运动是可以接受的[4]。其基本控制方程为：

式中：x，t为距离和时间，为自变量；A为过水断面面积（m2）；B为过水断面宽度（m）；Q为流量（m3/s）；Z为水位（m）；K为流量模数（m/s），反映时间河道过流能力；Q为旁侧入流流量（m3/s）；Vx为旁侧入流沿河道防汛的速度（m2/s）；α为动量校正系数，反映河道断面流速分布的均匀性。

方程组利用Abbott - Ionescu六点隐式有限差分格式求解圣维南方程组。该格式在每一个网格点按顺序交替计算流量或者水位，离散后的线性方程组用追赶法求解[5]。Abbott有限差分格式求解法见图3。

图3 Abbott有限差分格式求解法图

2.3 研究范围及模型概化

研究范围是曹娥江干流及主要支流沿岸的重要城市、主要城镇和平原地带。县级城市有新昌县城区、嵊州市城区、上虞区城区；主要城镇有长乐镇、甘霖镇、新昌城关镇、黄泽镇、三界镇、章镇、上浦镇、汤浦镇。

曹娥江干流采用非恒定流洪流演进计算，根据防洪保护对象所处位置及地形、地势、河势等具体情况，将研究范围内的曹娥江干流和新昌江、黄泽江、长乐江、隐潭溪、下管溪等主要支流的部分河道尽可能地模拟实际河道情况，概化时对桥梁、跌水、水闸、堰坝、撇洪渠、各排涝分区的排水设施均加以充分考虑，构成本次研究水利计算的河道概化图。曹娥江流域河道概化见图4。

图4 曹娥江流域河道概化图

2.4 边界条件及模型验证资料

澄潭江上边界取下岙水文站上游镜岭镇，新昌江上边界取新昌城关镇上游长诏水库泄洪渠入口处，长乐江上边界取南山水库泄洪渠汇入口处，黄泽江上边界取黄泽镇上游巧英水库泄洪渠入口处，隐潭溪上边界取西方村处，下管溪上边界取新市村处，范洋江上边界取彭公闸下，小舜江上边界取汤浦水库坝址处，下边界取曹娥江河口大闸下游。上边界均采用流量边界，下边界取潮位边界。

为验证所建水利计算模型的合理性和适用性，根据多年洪涝资料，选择流域实际发生较大洪水、洪水发生时间较近、降雨情况较为典型、未发生倒堤分洪情况、实测资料较完整的作为参证洪水。根据近年来资料，曹娥江流域有4场洪水选用洪涝发生时间较近，降雨情况较为典型，采用实测资料较完整的2009年8月6 — 13日的“090806”号台风、“莫拉克”台风、2013年10月6 — 8日的“131006”号台风、“菲特”台风进行验证计算。

3 分析与讨论

3.1 可行性分析

相较于其他模型，单独的水文模型一般不能考虑平原河网区下游回水顶托的影响，单独的水力学模型一般不能准确给定流域内各分区的产汇流作用，MIKE11软件中NAM水文模型与HD模块相互耦合的模型不仅所需参数较少，而且同时考虑人类活动、海洋潮汐对地表径流的影响，这对于曹娥江流域的建模过程尤为重要，因为该流域的建模必须同时考虑上游山区性河道来水的影响、下游入河口海洋潮汐的影响、干流沿线水库、闸门等水利设施的影响。

黑龙江挠力河[3]、东北辽河[6]等流域也基于MIKE11建立了相应的水动力、水文学、水质模型。结果表明，该模型可以对流域内水动力过程进行较好的模拟。此外，绍兴市平原河网已建立相应的数学模型[5]，对未来曹娥江流域模型的建立提供良好的基础和经验。

3.2 效益分析

基于曹娥江流域水动力模型，经过数学模型的计算分析，在掌握整个流域内不同水文条件下河流湖泊的水动力状况后，即可通过水库、水闸等水利工程调度运行，通过控制上游来水，排除暴雨涝水，也可通过河流湖泊水体水动力条件变化，分析水体水质变化规律。

总体而言，曹娥江流域水动力模型的构建，能为流域内河网防洪排涝、河流湖泊治理和规划设计打好基础。

3.3 难点分析

模型建立后，需要利用已有的实测资料对模型中参数（降雨量、蒸发量等）进行率定，主要难点在于流域内各水文测站数据较少且获取较为困难。

4 结 语

已有的研究表明，利用MIKE11软件对曹娥江流域构建一维水动力模型是可行的，在水文及地形数据充足的条件下，模拟结果与实际相符，具有较好的精度，在洪水预测、污染物运移等方面起到较好的指导作用。但目前曹娥江流域仍存在水文测站数据不足、获取难度大等困难，需进一步分析解决。