感潮河网区洪水水位预报——以温州龙湾区为例

徐欧官，张仁贡，郑 重，傅永峰，邵柯泽

(1.浙江水利水电学院 信息工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室,浙江 杭州 310018；3.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；4.浙江工业大学 之江学院，浙江 绍兴312030)

近年来，由于全球气候变暖，地球大气分子动能增加，导致国内极端气象灾害频发，很多城市遭受了不同程度的暴雨灾害。有些城市甚至遭遇百年一遇的特大暴雨，短时间的大量降雨，使城市排水系统受到严峻挑战，内涝灾害频繁发生[1]，极大地影响了居民的日常生活和交通秩序，同时造成了严重的人身、财产等损失[2]。

温州市龙湾区地处海陆交界地带和瓯江河口感潮河网地区，临近的西太平洋海盆是全球形成台风最多的区域[3]，台风暴雨是造成龙湾区洪涝灾害的主要原因[4]。由于该地区河流短小，洪水过程和淹没历时一般不长，但若同时遭遇台风、天文大潮和暴雨等极端气候，河口潮水对内河洪水产生顶托作用，引起内河洪水排泄不畅，则整个平原地区将被洪水淹没，且历时较长，可能导致较大范围洪涝灾害。针对龙湾区感潮河网的特点，利用MIKE 11水动力模块，建立河网的水位、流量预测模型。基于已知的降雨资料，预报河道的水位和流量的动态变化，为水利工程设计和洪涝灾害管理提供参考依据。

1 研究区域概况

龙湾区是温州市四大城区之一，地处瓯江入海口南岸，地理位置在东经120°43′—120°55′，北纬27°48′—28°01′，东临东海，南接瑞安市，西邻鹿城、瓯海两区，北濒瓯江，与乐清市、永嘉县隔江相望。全区陆地面积为228 km2，其中平原面积189 km2，辖区内有6个街道办事处，行政区划分为高新技术产业开发区、龙湾中心区、空港新区、瓯江口新区和滨海开发区等5大功能区。龙湾区东部是地势低平、河网密布的永强片平原，西侧为海拔704 m的大罗山，大罗山以西为温瑞平原。东部为永强片平原，南北长、东西窄，面积约150 km2，地形平坦，平原区河网纵横，共有河道483条。大罗山脉由西向东倾斜，主要河流有大王井溪、瑶溪河、双岙河等，共分布有11座小型水库，6座山塘。沿江主要排涝水闸工程有20座，内河节制闸1座。

2 模型基本方程

DHI旗下的MIKE 11[5]基于MIKE Zero平台，可用于模拟河口、河流、灌溉渠道和其他水体的水流、水质和泥沙运移。本次研究主要涉及MIKE 11的水动力模块HD[6-7]。HD模块模拟了河流或河口水流连续性和动量守恒的垂直积分方程，即圣维南方程组：

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：Q为流量，m3/s；x为距水道某固定断面沿流程的距离，m；α为动量校正系数；h为水深，m；b为断面宽度，m；t为时间，s；g为重力加速度，m/s2；A为横截面面积，m2。

采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解圣维南方程组，其格式如图1所示。

图1 点Abbott-Ionescu格式

3 水动力模型构建

MIKE11-HD模块的组织结构如图2所示，需要添加研究区域的河网文件(.nwk11)、断面文件(.xns11)、边界文件(.bnd11)、参数文件(.hd11)和时间序列文件(.dfs0)。

图2 MIKE11-HD模块的组织结构

3.1 河网概化

龙湾区共有166条主要河流，其中22条河流位于中片区的蒲州、状元街道，其余144条河流分别位于东片区的永中、永兴、瑶溪、高新、滨海街道，龙湾区河网分布如图3所示。因中片区的河道与东片区河道分属不同流域，概化建模时分开考虑。

图3 龙湾区河网分布图

河网模型采用MIKE 11直接描点，计算区域河网图临摹所得河道长度与已知部分河道真实长度存在误差，通过部分已知河道长度与MIKE 11中相应的临摹河道长度进行拟合，并对河网内其余未知准确长度的河流进行修正。

河道水闸的调控方式为全开或全闭，调度条件为水位高于2.73 m且闸门处水位差高于0 m(河道水位高于外海潮位)时，闸门开启；水位低于2.73 m或闸门处水位差小于0 m(河道水位低于外海潮位)时，闸门关闭。

3.2 河床断面数据

根据调查确定166条河流河道清淤断面数据。对河网进行概化，删除河道断面数据缺失且对河网流量影响小的二级河流；对仅有一个河道断面数据的河流，将单一河道断面按一定的里程间隔，应用于对应河流上下游，同时设定适当的河道坡度。

3.3 边界条件

上边界：由于缺乏166条河上游流量和水位观测数据，各条河流相应的上边界条件无法确定。假定河网内支流入口边界均为闭边界，主干河流入口断面为开边界，设定入口流量为0。

下边界：下边界条件为下游入海口水闸的潮位过程线。西片区的温州站和东片区的龙湾站的设计典型潮位过程线见图4。

图4 下边界潮位变化曲线

3.4 初始条件

由《温州市中心片、西片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》《温州东片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》知，东西片区降水较大时，可对河道预泄，预泄水位为2.53 m。本次计算，河网内各条河流初始水位均为预泄水位(2.53 m)，河网入口断面处流量为0，其余参数均采取默认值。

3.5 降水与蒸发的计算

对比4组不同的一日降雨总量，分别为400,300,200,100 mm。以台汛期选择的1987年典型降雨中最大24 h的降雨过程为依据，缩放不同1天降雨总量的过程。假定降水时为全河道长度降水，降水总面积为计算域内平原总面积，各条河道的降水子区域面积依照河道长度占所属片区总河道长度的比重分配。

由于气象要素与水面蒸发存在较为显著的线性相关性，构建月尺度水面蒸发线性回归模型如下[8]：

E=α1T+α2MV+α3MH+α4W+b

(3)

式(3)中：E为平均蒸发量，mm；α1～α4及b为多元线性回归方程的参数；T为月平均温度，°C；MV为月平均水汽压，Pa；MH为月平均湿度，%；W为月平均风速，m/s。

利用温州市多年平均月蒸发量与降雨量数据和气象特征值数据，得到多元线性回归方程为

E=3.375 28T-0.638 881MH+40.628 2W-21.367 6

(4)

3.6 模拟计算

由于河道数据缺失较多，为保证程序正常运行，采用参数文件计算模式，避免参数缺失导致计算离散过大、算例停止。东片区河道、中片区部分河道的时间步长分别为30，60 s，河道糙率均取默认值0.033，入海口闸门的具体参数参照《温州市中心片、西片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》《温州东片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》。

4 模拟结果与分析

4.1 闸门调度方案的选择

以中片区部分河道为例，进行水闸调度方案的比选：

调度方式1依据水闸前后相邻两个断面的水位差开关水闸。闸门开启应同时满足2个条件：1) 蒲州河里程2 148 m处(入海口附近)的水位大于2.72 m；2) 蒲州河里程2 148 m处水位大于里程2 149 m处的水位。经模拟，分别得到中片区河道入海口计算水位点的水位变化曲线和中片区河道内部水位点变化历时曲线。

根据中片区河道入海口计算水位点的水位变化曲线，有2次高潮位和3次低潮位。2次高潮位分别发生于3时50分和16时19分，最高潮位为3.71 m；3次低潮位分别出现在0时、11时31分、23时2分，最低潮位为-1.545 m。根据中片区河道内部水位点变化历时曲线，各水位计算点的水位曲线总体呈线性上升趋势，各个曲线波动幅度较小。水位最大值约为3.609 m。

调度方式2选用水闸处断面的水位差进行调度。闸门开启应同时满足2个条件：1) 蒲州河里程2 148 m处(入海口附近)的水位大于2.72 m；2) 蒲州河上的水闸点处的水位变化值大于0。由于调度方式2与调度方式1的边界条件一致，因此模拟的河道入海口水位点变化历时曲线与方式1相同。模拟的河道内部水位点变化历时曲线与方式1不同，根据模拟结果知，各水位计算点的水位曲线总体呈上升趋势，水位曲线波动幅度较大，特别是在14时24分至17时26分这一时段，水位曲线波动达到最大，随后波动幅度减缓并逐渐稳定；各水位计算点的水位在波动中逐渐上升。水位最大值约为3.466 m，比调度方式1的值小，由此判断，调度方式2更合理。模拟计算过程选取方式2(闸门处水位差)进行水闸调度。

4.2 模型验证

选用《温州东片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》模型验证部分的《规划洪水位复核表》进行验证，将最高水位与2007年实测水位进行比较，其中10年一遇水位对应200 mm降水，20年一遇水位对应300 mm降水，50年一遇水位对应400 mm降水。由于中片区河道数目较少且无验算数据，选取东片区4个代表点进行验证比较。因数据缺乏，做如下2点假定：1)近似认为同一时刻同一条河道的各断面水位相同；2)代表点水位近似等于毗邻河道水位。如果代表点的具体位置不清楚，近似的将代表点所在街道河道水位的平均值作为验证值，验证结果见表1。

表1 东片区河道模型验证 单位：m

由表1可知，在50年一遇的降雨条件下，仅262永兴街道断面的模拟水位高于两岸高程，河道水位溢出，其余断面节点水位均无溢出；在10年一遇和20年一遇的降雨条件下，各断面节点水位均无溢出。模型模拟结果与2007年实测数据结果基本一致，由此证明模型具有一定的可靠度。模型模拟水位与实测值均存在误差，10年一遇的水位误差在10%～19%之间，20年一遇水位误差在2%～8%之间，50年一遇水位误差在0.2%～3%之间。误差基本来自于数据缺失和数据的近似处理，但预测误差均在20%以内，符合《水文误差预报标准》中“降水径流精度以实测洪峰流量的20%作为许可精度”的要求。

4.3 典型降水条件下的水位变化

以中片区部分河道为例，进行典型降水条件下河道内水位点水位历时变化趋势分析。模拟条件为日降雨量100,200,300,400 mm，其中日降雨100 mm时，约对应于梅汛期5年一遇设计洪水；日降雨200 mm时，约对应于台汛期10年一遇设计洪水；日降雨300 mm时，约对应于台汛期20年一遇设计洪水；日降雨400 mm时，约对应于台汛期50年一遇以上标准设计洪水。

根据模拟结果，在同一降水条件下，若各水位点水位历时曲线变化趋势基本一致，说明结果正常；若有水位点的水位历时曲线偏离主趋势，说明模拟结果存在问题，应予以关注，分析偏离的原因。

以日降雨量100 mm为例，分析中片区部分河道水位点的历时变化趋势。根据初始条件设定条件，各计算点初始水位均为2.53 m，河道水位最大值约为3.45 m。在0时至5时30分，各计算点水位轻微波动，水位高度随时间上升；在5时30分，各计算点水位约为2.78 m，其后，水位虽然继续随时间上升，但是水位波动幅度增加；14时40分后，水位开始剧烈波动，计算点的水位在14时40分到达3.2 m，之后，水位曲线剧烈波动并下降(其中蒲州河2 147里程计算点处的水位值下降幅度最大，水位下降至2.78 m)；各计算点的水位下降不同幅度后，水位转而波动上升，大部分计算点水位在16时40分达到剧烈波动时段内的最大值(其中牌儿头浃0里程计算点处的水位值上升至3.3 m)；随后，大部分的计算点水位又再次下降(其中蒲州河2 147里程计算点处的水位值下降幅度仍为最大，下降至2.77 m)；18时后，计算点水位上升，波动幅度不断减小；在22时59分，各计算点水位达到本次计算的最大值。以杨家桥河水位点为例说明100 mm降雨条件下水位历时变化过程，杨家桥河水位计算点水位历时变化线如图5所示。

图5 1987年9月9日400 mm降水条件下杨家桥河水位计算点水位历时变化线

由典型降水条件下的各水位点的水位变化曲线可得出：

1) 随着降水量变大，中片区部分各条河道水位曲线变化趋势基本不变，总体呈上升趋势。

2) 降水量越大，固定时刻下同一条河道的对应水位越大。中片区内，100 mm降水时，河道最大水位约为3.45 m；200 mm降水时，河道最大水位约为3.59 m；300 mm降水时，河道最大水位约为3.8 m；400 mm降水时，河道最大水位约为4.05 m。东片区内，100 mm降水时，河道最大水位约为2.64 m；200 mm降水时，河道最大水位约为2.94 m；300 mm降水时，河道最大水位约为3.45 m；400 mm降水时，河道最大水位约为3.9 m。

3) 河网面积越大，河道水位随降水上升的越慢。以100 mm降水量为例，对比中片区、东片区同一时刻水位曲线点，发现河网总面积越小，降水对河道水位的抬升作用越明显。

4) 入海口闸门对河道流量具有一定的调节作用。对比各计算点水位变化图可知，水位超过2.72 m且高于潮位时河道水位发生剧烈波动，河道向外海排水。因本次设定中，闸门调度方式为全开全闭，一定程度上加剧河道水位波动，实际工程应用中应结合实际情况，选择合理调度方式，节约人力物力，优化闸门调度与排水方案。

5) 降水流量峰值与潮位的时间分布矛盾加剧河道壅水。当集中降水时段与高潮位时段重叠，河道内部各计算点水位明显上升，降水量越大，河道水位上升越明显，可知闸门对河道水位的调节作用是有限的。此外，河道两岸高程较低处，河水易漫上两岸，影响周边街道排水，可能与降水因素叠加，引发附近街道内涝。因此，可以对河道定期清淤，预留足够河道断面底高程；也可对河道两岸低洼地区采取加筑河堤护岸、调整排水系统、预留防水沙袋等措施，预防城市部分地区发生内涝。

5 结 论

笔者利用MIKE 11软件的HD模块，基于收集到的温州市龙湾区的河道、断面等数据，建立感潮河网区的一维水利学模型。选用《温州东片中型及重要小型水闸控制运用计划(报批稿)》模型验证部分的数据进行验证，并将最高水位与2007年实测水位进行比较，结果表明所建的模型具有一定的可靠性。基于已知的降雨资料，利用笔者所开发的模型可动态地预测研究区域内河道的水位和流量的变化情况，该预测结果可为研究区域的水利工程设计和洪涝灾害的管理提供技术支持。