基于水文水动力模型的浦阳江流域洪水情景模拟

2021-03-05王旭滢阮跟军陈剑平孙晓峰

中国农村水利水电 2021年2期

王旭滢，阮跟军，马婷，陈剑平，孙晓峰，钟华

(1.中国三峡上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；2.诸暨市应急管理局，浙江诸暨 311800；3.诸暨市水利局，浙江诸暨 311800；4.南京水利科学研究院，南京 210029)

0 引言

浦阳江流域位于长江三角洲南部，受地理位置和气候影响，历史曾遭受多次洪涝灾害。随着城镇化规模的提高和经济体量的增加，洪涝灾害带来的经济影响愈发严重。为减小流域洪灾损失，浦阳江流域急需开展洪水模拟方法研究并在此基础上进行情景模拟分析，从而明确流域未来防洪的工作重点。鉴于浦阳江流域两端高、中间低的地形特点，河道水流运动同时受上游山区来水和下游平原河流高潮位顶托的影响，新安江模型中的马斯京根河道汇流演算无法考虑下游潮位顶托对洪水持续时间的影响。同时，随着未来气候变化和城市发展等不确定性因素的增加，仅构建水动力模型无法模拟降雨变化对流域洪水的影响。针对单一模型无法满足模拟要求的情形，水文水动力耦合模型应运而生。模型耦合分为外部耦合、内部耦合和全耦合[1]，目前水文模型与水动力模型之间仍采用外部耦合较多，即水文模型的输出作为水动力模型的输入来实现上下游的水力连接[2,3]；一、二维水动力模型之间可实现内部耦合进而模拟洪水漫出河道后的淹没过程。针对水文水动力外部耦合模型的洪水模拟，国内已有学者进行了相关研究。韩超等[4]在研究区域降水对嘉兴地区河网的洪水过程影响时，将SCS水文模型和MIKE 11水动力模型进行了耦合；刘浏等[5]分别在太湖流域的山区和平原区构建VIC模型和ISIS水力学模型，为太湖流域洪水风险情景分析奠定了基础；董湃等[6]、罗文兵等[7]通过耦合水文水动力模型，对平原河湖地区用地性质变化对排涝模数的影响展开了进一步研究。但目前大多数应用未进一步考虑一、二维水动力模型的耦合，实现从降雨到淹没的全过程模拟和洪水淹没情景分析，从而提高洪水灾害评估的准确性和可操作性[8]。基于前人研究，本文分别在浦阳江流域的上游山丘区和下游盆地区分别构建新安江模型和IFMS水动力模型，通过耦合水文模型和一、二维水动力模型，探究水文水动力模型在浦阳江流域的适用性，弥补新安江模型中马斯京根汇流未考虑潮水顶托影响以及水动力模型难以响应降雨变化的不足；并将水文水动力模型应用于洪水情景模拟，分析极端降水和人类活动影响下的洪水淹没情况，以增强浦阳江流域洪水综合管理和应急响应能力。

1 水文水动力模型

1.1 研究区域概况

浦阳江流域是钱塘江流域的一部分，地处长江三角洲南翼。流域总面积3 451.5 km2，属亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛。夏秋季热带风暴和台风活动频繁，是流域内洪水暴发的主要原因。浦阳江流域地形复杂多元，包括丘陵、盆地和平原。中部盆地是人口和工业的聚集地，受盆地地形影响，发生暴雨洪水时受到上游山区洪水和下游钱塘江潮位顶托“两面夹击”，洪涝形势严峻。浦阳江流域沿江地势低洼，分布有多个湖畈，是诸暨防洪重点保护地区，防洪安全主要依靠沿江堤防。特殊的地理位置和发达的社会经济使得湖畈地区防洪任务十分紧迫。为缓解洪涝压力，浦阳江流域内建有水库、蓄滞洪区、电排站等水利工程，对洪水进行蓄、分、排，以提高湖畈地区的排涝能力。

根据流域特点，本文采用三水源新安江模型模拟上游山区产汇流过程，计算结果作为一维河道水动力模型的输入；针对中部盆地，构建IFMS一、二维耦合水动力模型对河道洪水和地表洪水的演进过程进行模拟。

1.2 上游山区新安江模型

针对上游山区水流运动，建立新安江水文模型，根据水系分布情况分为8个子汇水区，具体建模范围为：①安华水库以上流域；②支流大陈江龙潭断面以上流域；③安华水库～丫家杨区间；④开化江街亭水位站以上流域；⑤五泄江水磨头断面以上流域；⑥枫桥江骆家桥断面以上流域；⑦凰桐江流域；⑧永兴河流域，产汇流空间分布如图1(序号对应)所示。

图1 产汇流分区图Fig.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由于资料年限不统一，因此水文模型与水动力模型分开进行率定。流域内仅安华水库和诸暨水文站有长序列实测流量资料，因此针对安华水库和诸暨水文站两个水文分区建立新安江模型并率定参数。大陈江流域移用安华水库水文参数，开化江街亭站、五泄江水磨头、枫桥江骆家桥等其他子汇水区移用诸暨站水文参数进行计算。针对区间入流，则采用水文移置法，根据面积比移用诸暨站分区洪水过程。率定结果见表2、表3。

表3 诸暨水文站以上流域新安江模型次洪参数表Tab.3 Parameters of XAJ model in Zhuji catchment

表1 产汇流分区表Tab.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由表4可以看出，新安江模型能够较好模拟上游山区产汇流过程，径流深和洪峰相对误差均小于20%，除诸暨水文站20110613历史洪水之外，其余洪水过程模拟确定性系数均大于0.7。20110613场洪水由于极端降水导致下游退水缓慢，造成诸暨水文站高水位持续不落，而新安江模型在退水段的模拟无法满足精度要求导致确定性系数不高。

表4 新安江模型验证结果Tab.4 Validation results of XAJ model

1.3 下游一二维水动力模型

1.3.1 一维非恒定流模型

河道水流运动的模拟采用圣维南方程组，方程可以写为：

(1)

(2)

式中：A为断面面积，m2；t为时间，s；Q为断面流量，m3/s；x为距离，m；q为单位长度上侧向汇入流量，m3/s；η为河道水位，m；g为重力加速度，m/s2；Sf为摩阻坡降，s2/m3。

建模范围为干流安华水库～闻家堰水位站(见图2)，概化的主要支流和向上延伸范围为大陈江至龙潭断面、开化江至街亭水文站、五泄江至水磨头、枫桥江至骆家桥。

图2 一维水动力建模范围Fig.2 1-D hydrodynamic modeling area

河道一维水动力数值模拟对河道断面参数要求较高，同时受断面形状变化的影响也很大，因此选用近二十年发生的6场历史洪水进行参数的率定和验证。其中1997、2007、2012、2013、2014年五场洪水用于参数率定，20110613历史洪水用于验证。一维河道水动力模型的入流边界由上游山区新安江模型计算得到，其中安华水库流域洪水需进行调洪演算后作为水动力模型输入，下边界为闻家堰实测水位过程。河段糙率率定结果见表5。

采用表5的糙率系数进行模型验证，20110613典型洪水诸暨站和湄池站水位绝对误差小于0.2 m，流量相对误差小于20%，验证合格。水文水动力组合计算模型在20110613历史洪水进行模拟时能够较为精准地抓住峰值并模拟出退水段雍水的现象(如图3)，因此建立的浦阳江水文水动力组合计算模型在洪水模拟时具有一定的适用性和可行性。

表5 浦阳江分段糙率系数表Tab.5 Hydraulic roughness coefficient of Puyang river

表6 20110613洪水一维水动力模型验证结果Tab.6 Simulation results of 1-D hydrodynamic model for historical flood No.20110613

图3 20110613历史洪水水位过程Fig.3 Hydrographs of historical flood No.20110613 at Zhuji and Meichi hydrologic stations

1.3.2 二维地表水动力模型

水流在地表的演进与淹没采用水深平均的二维浅水方程进行描述，将河道两侧堤防外区域按照地形地势划分为二维网格；而对于河道堤防、行洪口门，则采用溢流单元来处理。水深平均的二维浅水方程可以简写为：

(3)

(4)

(5)

式中：h为水深，m；u为x方向的流速，m/s；v为y方向的流速，m/s；sx，sy为源项，m2/s2。采用Godunov法[9]对上述微分方程进行数值离散。

以诸暨水文站为界，上游以45 m等高线，下游以25 m等高线划定二维建模范围共488.7 km2，如图4所示。对于二维水动力模型来说，由于实测资料有限，因此二维水动力模型糙率按照经验值取0.06。

图4 一二维水动力模型建模范围Fig.4 1-D and 2-D hydrodynamic modeling area

2 洪水情景模拟

浦阳江流域沿江地势低洼，分布有多个湖畈，是诸暨防洪重点保护地区之一。湄池站以下河段受潮水顶托趋势加重，高水位持续时间明显延长，特殊的地理位置和发达的社会经济使得湖畈地区防洪任务十分紧迫。为缓解湄池地区洪涝压力，诸暨市对境内高湖蓄滞洪区进行了分级改造，以打破分洪困境，同时对湖畈堤防进行了标准提升。根据浦阳江流域洪水特点，结合致灾因子变化与水利工程的影响，模拟方案分为洪潮组合和历史洪水情景，提出共计9组子情景的模拟方案。

2.1 洪潮组合情景模拟

浦阳江流域5年、10年、20年、50年、100年一遇设计暴雨洪潮组合情景模拟结果如图5所示，分析统计各方案淹没范围和淹没水深，并做横向比较。

图5 5年一遇～100年一遇设计暴雨情景模拟淹没水深图Fig.5 Inundation map of designed rainstorm scenario

从5年一遇淹没水深图中可见，浦阳江流域堤防范围内及各湖畈，没有发生淹没情况。当流域上游发生10年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位时，依靠各级防汛体系的科学防御，大多数湖畈可确保防洪安全，中游的高湖蓄滞洪区可维持不分洪，此种情形下仅有葬马湖和月塘湖两处湖畈淹没。流域上游发生20年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位时，若开启高湖蓄滞洪区一区，除堤防脆弱的险工险段发生淹没，流域绝大部分区域仍可确保防洪安全。流域上游发生50年一遇、100年一遇洪水，下游遭遇偏恶劣潮位时，大多数湖畈会因堤防不达标发生溃堤或漫堤，造成淹没损失。当发生百年一遇超标准洪水时，浦阳江流域除诸暨市主城区外，大部分沿江湖畈发生漫堤进水，淹没面积达65.94 km2，严重威胁人民生命财产安全。在此情况下，政府在抵御洪水的基础上还需及时转移群众和物资，避免洪灾损失的扩大。

表7 浦阳江洪水模拟方案设置表Tab.7 Flood scenario description of Puyang river catchment

2.2 历史洪水情景模拟

为缓解洪涝压力，诸暨市政府强化了浦阳江流域高湖蓄滞洪区的建设，并通过优化洪水调度提升整体防洪能力。本节将基于建立的浦阳江水文水动力模型，设置不同历史洪水模拟情景并对模拟结果进行对比分析，从而评估高湖蓄滞洪区的有效性。历史洪水情景主要分为两类：一类是历史洪水还原，即分析历史实际溃口条件下造成的洪水淹没；另一类是历史洪水重演，即分析历史洪水在现状条件下造成的洪水淹没。浦阳江流域1997年和2011年遭遇的洪涝灾害导致多处湖畈溃堤淹没，因此选取19970709和20110613两场典型大洪水进行计算分析。

表8 5年一遇～100年一遇设计暴雨情景模拟结果对比Tab.8 Flood simulation results comparison of designed rainstorm scenario

图6 历史洪水情景模拟淹没水深图Fig.6 Inundation map of historical flood scenario

表9 历史洪水模拟历史与现状结果对比Tab.9 Flood simulation results comparison between historical and current situations

计算结果表明，以历史洪水作为输入，在堤防加固和启动高湖蓄滞洪区的情景下淹没面积和淹没水深均显著减少。历史洪水情景模拟结果表明，同样的致灾因子条件下，现状防洪工程的提升改造有效遏制了洪水淹没范围的扩大，通过蓄滞洪区的应急调度，能够为抢险救灾争取宝贵时间。但流域内个别湖畈仍然存在堤防不达标的问题，在现状防洪体系下仍然易淹易涝，在未来流域防洪规划中需重点考虑。