平湖市圩区外围河网水位分析与预报

胡静雅，张仁贡，尹则高

（1.平湖市水利局，浙江 嘉兴 314299；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.中国海洋大学，山东 青岛 266100）

1 研究背景

平湖市隶属浙江省嘉兴市，位于嘉兴市东南部，杭嘉湖平原东部，属江南古陆外缘杭州湾凹陷，为一冲积平原。境内地势平坦，略呈东南向北倾斜，平均海拔2.8 m，除东南沿海有呈带状分布的低丘和岛礁外，其余为大片平原。历史以来，受汛期梅雨及台风暴雨影响，洪涝灾害时有发生。如1999年梅雨季，平湖最高水位2.52 m。整个杭嘉湖遭受严重洪涝灾害，受灾范围遍及平原河网及低洼地区，包括湖州市菱湖区、南浔区，德清县的东部，嘉兴市的嘉北地区及桐乡市的西部，余杭南、北湖分洪区及中北苕溪之间圩区，西苕溪中游各圩区以及受太湖洪水位顶托影响的长兴平原大部分地区等，以及以往被认为排水条件尚好的平湖市北部地区。如2013年10月，“菲特”台风登陆，平湖最高水位2.46 m。东部平原降水中心为海宁、海盐一带，降水量自西南向东北逐渐递减，全区最大24 h面雨量重现期约为35年，最大3 d面雨量重现期约为70年一遇。嘉兴站出现历史最高水位，乌镇、南浔等站点水位接近历史最高。

圩区是平湖市平原洪涝灾害防治的重点水利工程。按照有无整治，分为整治圩区和自然圩区。整治圩区是指通过工程整治，圈圩筑堤及配套设置水闸、泵站，以外御洪水、内除涝水，从而形成封闭的防洪排涝保护区；自然圩区是指未通过工程整治，由行洪输水河道天然分割成的保护区域[1]。本研究的重点是整治圩区。平湖市共有圩区（含城防工程）30个，其中已整治圩区26个，正在建设圩区2个，待整治圩区2个。圩区总面积185.11 km2，包围线长度361.67 km，其中路堤64.10 km，总计调查测量圩堤断面2 533个，总计调查测量排涝泵站、水闸、闸站429座。

2 计算理论与模型

2.1 数学模型及计算工具

本研究采用MIKE 11为计算工具，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。主要解决以下问题：

（1）如果发生洪水，洪水的超标水平是多少，以及洪水的发生位置。

（2）引入防洪措施的影响。

（3）引入环境的长期变化影响。

（4）河流系统中的沉积物沉积，总体形态变化等。

MIKE 11的水动力(HD)模块包含了洪水预报、平流扩散、水质和非黏性泥沙运输等模块，解决了连续性和动量守恒的垂直积分方程，即圣维南方程[2]，其微分方程为：

式中：Q为流量，x为距水道某固定断面沿流程的距离，h为水深，b为断面宽度，t为时间，g为重力加速度，A为横截面面积。上述模型的前置边界条件为：

（1）不可压缩、均质流体。

（2）基本是一维流态。

（3）坡降小、纵向断面变化。

（4）静水压力分布均匀。

2.2 模型结构

MIKE 11-HD模型包含的数据有流域描述、河网形状、水工建筑物的位置、河道和滩区地形、河床断面数据、模型边界处水文测量数据、水工建筑物设计参数及调度运行规则、流域上的气象数据。模型将以上数据存放在以下文件内：河网文件(.nwk11)、断面文件 (.xns11)、边界文件(.bnd11)、模型参数文件 (.hd11)、时间序列文件(.dfs0)，并以图1的组织结构管理数据及进行模拟工作。

图1 MIKE 11组织结构

2.3 模型设置

（1）平面河网数据

本研究一共选取了59条河流，12条骨干河流，47条圩区外非骨干河流，共384个计算点。

（2）断面数据

根据浙江省水利水电勘测设计院提供的数据，确定47条圩区外非骨干河流断面数据。

目前尚缺乏12条主干河流断面数据。本研究利用网港横断面代替上海塘、广陈塘、乍浦塘、抢塘头。用薛家塘横断面代替放港河、大寨河、泖河、前市河、卫国河、盐船河、新港河、丰收河。网港和薛家塘横断面形状如图2所示。

图2

（3）边界条件

由于目前缺乏上述59条河上游流量和水位观测数据，无法给定上游开边界条件。本研究利用了2020年8月4日单日降雨量93.6 mm作为模拟降雨量。用暴雨强度与雨水流量公式程序（图3）计算所建立河网模型上游流量边界[3]。

图3 暴雨强度与雨水流量计算程序界面

地域选择与嘉兴市自然条件相近的杭州市，暴雨强度公式[4]选择杭州市建筑设计院编制的公式1，暴雨强度参数的选择与单日降雨量93.6 mm相符合，雨水流量参数根据不同街道分别设置。

下游水位边界选用2020年8月4日8个潮汐水位数据，如图4所示。

图4 8月4日潮汐水位

（4）初始配置

初始水位设置为1 m，糙率曼宁系数为0.033。降雨时间序列同边界文件数据，蒸发量数据根据嘉兴往年资料确定[5]，这里选取一日蒸发量3.096 mm。根据每个圩区的面积及河流数目推算出每条河流的流域面积，降雨后产生的径流汇入各自对应河流，并导入河网文件中参与计算。取时间步长为20 min。

3 计算结果分析

（1）水位流量实时查询软件包

生成的河网文件如图5所示。

图5 生成河网示意图

计算结果包括384个可输出站位，提供每个站位每隔20 min的水位和流量数据。

（2）水位流量实时过程范例

以南走马塘998 m里程站为例，其1 d内的计算水位和流量变化如图8所示。从图6可以看出所处位置的水位出现了周期性的规律变化，其周期与下游潮位周期基本一致。流量与水位基本呈现正相关关系，在一定工况下流量出现了负值，说明水流流向发生了相应改变。

图6

也可选中某些河流进行流量和水位动态演示。图7（a）和（b）分别给出了6条河的流量和7条河的水位等特征参数空间分布。

图7

4 结束语

本次研究建立了平湖市圩区外围河网水动力学模型，从平湖市水平台数据仓库中获取的基于实测（预报）降雨资料，采用MIKE 11—HD进行计算，通过结果分析，预测未来24 h圩区外的水位和流量动态变化，为后续工程设计和管理提供科学依据。