極端條件下聯圩區外河網洪水安全研究

朱永澍,向　龍,2,曹飛風,查治榮

(1.河海大學水文與水資源學院,江蘇 南京　210098;2.河海大學水文學與水資源及水利工程國家重點實驗室,江蘇 南京　210098;3.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州　310014; 4.青島水文局黃島分局,山東 青島　266400)

極端條件下聯圩區外河網洪水安全研究

朱永澍1,向龍1,2,曹飛風3,查治榮4

(1.河海大學水文與水資源學院,江蘇 南京210098;2.河海大學水文學與水資源及水利工程國家重點實驗室,江蘇 南京210098;3.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州310014; 4.青島水文局黃島分局,山東 青島266400)

摘要：通過杭嘉湖地區長序列水文數據頻率分析,選擇典型設計暴雨,建立聯圩區概化的河網非恒定流水動力學模型,計算外圍洪水、潮水位脅迫下的極端設計洪水過程。考慮現有排澇安全格局條件,以及極端水文過程對河網防洪安全高度的潛在影響,以極端設計暴雨過程為例,對洛塘河小流域河網現狀及校核條件下河堤約束進行計算,分析聯圩區河網的防洪安全標準修正方法,建議進一步提升洛塘河星火、長春和斜西各圩區段的河道堤防防洪標準,以保證極端條件下洛塘河的防洪安全。關鍵詞：聯圩區;極端條件;河網防洪安全;河網模型

洛塘河小流域聯圩區位于浙江省北部,地處長江三角洲杭嘉湖沖積平原。這里河網密布、潮汐頂托作用顯著[1]。由于該地區特殊的地理位置,主要排水河道兩側多為與外界相對封閉的圩區,圩區內排澇主要依靠圩內排澇泵站向排澇河道抽水。在極端條件如臺風情況下,短時間內大量圩區澇水依靠泵站抽入防洪河道,造成河道水流的相互頂托,按照以往正常設計洪水位設置的圩堤往往難以滿足防洪需求[2-3]。因此,極端水文過程對平原圩區河網防洪安全潛在影響的相關研究就顯得尤為重要[4]。

1研究區概況

海寧市地處浙江省北部、嘉興市域南部,位于北緯30°15′～30°36′、東經120°18′～120°53′之間,內陸面積700.5 km2,地勢南高北低,自西南向東北傾斜,地形狹長,東寬西窄。境內水系縱橫，上下交叉,錯綜復雜,洛塘河由西向東橫穿下河地區,與主干河道相互調節,構成境內引排水系統。外圍骨干河道以崇長港、斜郭塘為縱向河道,鹽官下河、洛塘河為橫向河道所構成的排水格局;流域排水以鹽官下河為主,洛塘河主要東排;內部水系以洛塘河北側支河南排入洛塘河,南側支河南北雙向排水,呈現“一橫多縱”的水系格局,最后經洛塘河向東排出,一定程度上增加了下游中心城區的防洪壓力。

圩區內河道水洛塘河南北兩側水系多為條狀,呈現典型圩區水系特征。洛塘河主要承擔區域內部排水功能,但現狀岸坡大多為自然護坡,缺乏整治,威脅防洪安全。圩區地勢低洼,圩內河道水系連通性較差,由于基礎設施建設等原因,出現局部阻水瓶頸,嚴重制約圩內排水能力的發揮(圖1)。

圖1　研究區位示意圖

2極端降雨事件選擇

2.1設計暴雨

海寧市境內的硤石站位于海寧市硤石鎮,站點設立于1955年,擁有1955年至今的實測雨量資料系列,因此本次設計采用硤石站作為雨量代表站,分析研究流域設計暴雨,并采用算術平均法統計流域面雨量。流域面暴雨統計采用同場雨法,樣本取用年最大1 d、3 d、7 d、15 d、30 d、45 d、90 d,資料系列為1955—2013年。統計分析并經P-Ⅲ適線,洛塘河流域最大各頻率設計暴雨成果見表1。

表1　杭嘉湖平原設計年最大暴雨信息

2.2設計凈雨

鑒于流域內不同下墊面條件對降雨徑流關系影響較大的客觀規律[5],將流域內分成水稻田、旱雜地及河網、建成區等幾大地類,采用常規的計算方法,分別求得平原地區的分塊產水過程[6]。

設計凈雨日程分配將最大24h暴雨置于第2日,第1日雨量占3 d中24 h累計最大雨量的50%,第3日雨量占3 d中24 h累計最大雨量的50%,時程分配采用經驗頻率Np分配。按照臨近原則,取與海寧城區Np相同值分配。根據以上分配及不同地類暴雨扣損方法求得海寧市不同地類設計凈雨,見表2。

表2　海寧市不同地類設計凈雨

根據有關監測部門調查分析成果,對實測水位進行修正得出各站實測年最高、年最低及多年平均水位系列。洛塘河西段小流域附近的幾個臨近站相應頻率最高水位分析結果見表3。

表3　主要水位站對應頻率最高水位　m

由于杭嘉湖治理思路為高水高排,并考慮太湖水位抬高等因素的影響,因此研究區內主要排水河道,如洛塘河、鹽官下河,都是以50年一遇防洪設計水位進行校核計算流域內的各特征河道防洪水位。根據分析,2013年10月6—8日 “菲特”臺風強降水暴雨與1963年最大1 d(323.8 mm)接近,最大3d超過1963年(361.7 mm)暴雨,重現期大約在60～70年一遇左右,可作為本次研究中極端條件的選取對象。硤石站降雨過程見圖2。

圖2　硤石站日實測降雨過程

3極端水文過程設計與模擬

3.1模型構建

根據洛塘河流域水系布局和引排調度現狀和圩區內部的水系特征,建立MIKE 11 HD河網水動力模型,水動力模塊中描述一維非恒定水流運動規律的控制方程組為圣維南方程組,由質量守恒的連續性方程和能量守恒的動量方程組成[7-8]:

(1)

式中:x為距離坐標;t為時間坐標;A為過水斷面面積;Q、h分別為流量及水位;q為旁側入流量;C為謝才系數;R為水力半徑;g為重力加速度。

3.1.1河網文件的生成

在對模擬河段進行數值概化時,河道縱向空間計算步長根據該段河道的長度做相應的調整。為體現模型模擬結果的準確性,充分考慮了引排水過程中研究區域內骨干河道對引水效果的影響,概化河道連通情況與實際現狀、模擬方案條件保持一致。總體模型共概化河道72條,具體概化情況見圖3。

圖3　研究區域河網概化

3.1.2斷面文件生成

MIKE11 HD模型在運算時是根據斷面數據文件中的斷面數據確定水位計算點,同時根據模型在水位計算點之間自動內插的樁號確定流量計算點。為保證精確模擬計算的要求,斷面間距不大于100 m,并在特定地點(如河流交匯處)加密斷面數據[9]。現狀斷面均根據海寧市河道普查結果而得,反映了河道現狀情況。

3.1.3邊界文件生成

結合海寧市圩區現狀,該模型中共有3個上邊界,分別設崇長港、鹽官下河和福壽橋港,均采用水位數據作為邊界。模型同時還在洛塘河沿岸選取10個節點,設置穩定入流邊界,作為在暴雨期間沿岸圩區向排水河道抽水排洪的條件模擬,在設計節點入流邊界流量時,求得“菲特”臺風強降水暴雨期間最大24 h累計凈雨為240 mm,以24 h排出圩區內所有澇水作為圩區排澇極端條件的排澇流量選取標準[10],由計算得出各圩區平均排洪流量，見表4。模型中的內部邊界包括進入各河段的旁側入流、水面蒸發及降雨。其中,由于該研究區域為平原河網區,所以旁側入流是以降雨徑流形成的均勻旁側入流的形式形成內部邊界進入河道,水面蒸發及降雨均采用實際資料,以保證模擬結果的可靠性[11]。

表4　各圩區降雨期間平均排洪流量計算結果

3.1.4參數文件生成

為保證模型平穩啟動,初始水位和初始流量的設定盡可能與模擬開始時刻的實際河網水動力條件一致。該模型中初始條件給定水位為3.0 m,河道糙率根據實測流量資料和比重資料由曼寧公式計算求得,確定整個模擬河網中河道糙率n=0.03,方便計算的同時保證了模型的可靠性[12]。

3.2結果分析

分別將“菲特”臺風強降水暴雨期間研究區自由排水和利用泵站強排水兩種情況運用模型進行模擬,得出在整個降雨事件期間研究區主要排洪河道的實時水位變化過程,在研究區主要行洪河道洛塘河自東向西的6個排水泵站處設置節點,對排洪期間洛塘河節點水位變化過程進行分析。

3.2.1整個降雨過程中不同行洪條件下水位極值分析

對降雨過程中洛塘河沿岸節點的最高水位、最低水位以及水位變化幅度進行統計分析,探討河道周邊圩區強排對河道防洪安全標準的影響程度,結果見表5。

表5　排澇期間洛塘河節點水位分析

從表5可以看出,在極端降雨事件過程中,由于圩區向洛塘河通過泵站排水,使得強排期間洛塘河水位相對于自由排水情況下產生了擁高,最低水位和最高水位都有了不同程度的升高,說明在短時間內大量圩區澇水依靠泵站進入防洪河道時,會造成河道水流的相互頂托,從而對按照以往正常設計洪水位設置的圩堤產生更大的防洪壓力。在洛塘河沿岸的6個分析節點中,節點4和節點5的水位在泵站強排期間分別達到了3.59 m和3.57 m,已經超過了洛塘河按照50年一遇防洪標準設計的3.5 m的防洪水位。而對于河道水位變化幅度而言,強排期間的水位變化幅度也大于自由排水的河道水位,4號節點的變化幅度最大為0.68 m,比自由排水期間的變幅高出0.17 m。

3.2.2同一時刻河道延程水位變化分析

經過上述水位極值分析,可以看出,隨著不斷有河道周邊圩區利用泵站對河道進行強排,河道的水位變幅也在逐步增加,因此,在同一時刻不同排水情況對河道不同節點水位造成的影響也是不同的。分別選取“菲特”臺風一場集中降雨期間降雨前、降雨中和降雨結束3個時刻(分別為10月6日21:00、10月7日5:00和10月7日23:00),對不同排水情況下河道延程水位變化進行分析研究,分析結果見圖4。

圖4　同一時刻不同排水情況下河道沿程水位變化情況

從上述河道延程水位變化圖可以看出,在“菲特”臺風強降雨行洪期間,在降雨事件發生之前(10月6日21:00)和降雨期間(10月7日5:00),河道水位都是延程逐步降低的,而在降雨事件發生之后的一段時間(10月7日23:00),河道下游的水位較上游有了0.06 m的抬升,這也符合河道在行洪過程中洪峰隨時間遷移逐步從上游移至下游的規律,也驗證了模型運算的可靠性。

在泵站強排和自由排水兩種不同情況下,可以明顯看出泵站強排會產生河道水流的相互頂托,使河道水位相較于自由排水有了明顯的升高,并且隨著延程不斷有泵站進行入流排水,河道的水位抬升幅度從上游至下游也呈現出逐漸增大的趨勢,下游水位比正常排水最多高出了0.1 m。

3.2.3不同時刻河道同一位置水位變化分析

在洛塘河上游和下游分別選擇一個代表節點,對不同時刻河道水位變化情況進行分析研究,結果見圖5。

圖5　上下游不同時刻水位變化情況

將河道上游和下游進行對比,發現上游洪峰到來發生在10月7日7：00,而下游洪峰到來時間推遲到了10月7日9：00,與上文河道在行洪過程中洪峰隨時間遷移逐步從上游移至下游的規律相對應;并且在上游段,泵站強排和自由排水過程中洪峰到來時間基本一致,而在下游段,采取泵站強排河道的洪峰到來時間要明顯提前于自由排水情況下的河道洪峰到來時間。

4結論

將河網一維非恒定流模型應用于平原聯圩區排水河道在受外圍洪水、潮水位脅迫下的極端設計洪水過程條件下的實時模擬,探討極端水文過程對河網防洪高度的潛在影響。利用一維非恒定流模型、MIKE 11水動力模型等模擬了相同防洪除澇標準下不同的排澇方式對圩區外部行洪河道水位變化的影響,并進行多向分析對比,發現泵站強排會對行洪河道造成額外防洪壓力,可能威脅到按現有防洪標準設計的堤防安全。

a. 由于河道水流的相互頂托,最大通過泵站強排方式行洪的河道水位高于自由排水的河道,并且水位變化幅度明顯增大,并且水位抬升幅度從上游至下游也呈現出逐漸增大的趨勢,對下游的防洪壓力也逐步增大。

b. 通過泵站強排方式行洪的河道的洪峰到來時間也會相對自由排水河道有所提前,這給下游河道行洪排澇造成了壓力。

c. 對于洛塘河而言,在極端水文條件下,部分河道段水位會超過按現在防洪標準設計的防洪水位,建議進一步提升洛塘河星火、長春和斜西各圩區段的河道堤防防洪標準,以保證極端條件下洛塘河的防洪安全。

參考文獻：

[ 1 ] SUN Y,LI Q,LIU L,et al.Hydrological simulation approaches for BMPs and LID practices in highly urbanized area and development of hydrological performance indicator system[J].Water Science and Engineering,2014,7(2): 143-154.

[ 2 ] 王沛芳,王超,侯俊.城市河流生態系統建設模式研究及應用[J].河海大學學報(自然科學版),2005,33(1): 68-71.( WANG Peifang,WANG Chao,HOU Jun.Study on integrated environment construction mode of urban river ecosystem[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2005,33(1): 68-71(in Chinese))

[ 3 ] XIANG L,YU Z,CHEN L,et al.Evaluating the characteristics of hydraulic driven non-point source pollution yield in agricultural watershed[C]//Proceedings of 2012 International Conference on Civil,Architectural and Hydraulic Engineering.Zhangjiajie: Trans Tech Publications,2012.

[ 4 ] 李原園,酈建強,李宗禮,等.河湖水系連通研究的若干問題與挑戰[J].資源科學,2011,33(3):386-391.(LI Yuanyuan,LI Jianqiang,LI Zongli,et al.Issues and challenges for the study of the interconnected river system network[J].Resources Science,2011,33(3):386-391.(in Chinese))

[ 5 ] 周易冰,李萬彬,徐靖文.城市水系規劃控制對建設生態城市的作用[C]//中國城市規劃學會.生態文明視角下的城鄉規劃——2008中國城市規劃年會論文集.北京:中國城市規劃學會,2008.

[ 6 ] 王超,衛臻,張磊,等.平原河網區調水改善水環境實驗研究[J].河海大學學報(自然科學版),2005,33(2): 136-138.(WANG Chao,WEI Zhen,ZHANG Lei,et al.Experimental study on improvement of water environment by water diversion in plain river networks[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2005,33(2): 136-138.(in Chinese))

[ 7 ] 曾明,張雨鳳,李瓊芳,等.上海市不同歷時暴雨組合概率研究[J].水資源保護,2015,31(4):22-25.(ZENG Ming,ZHANG Yufeng,LI Qiongfang,et al.Study on probability for rainstorm combinations during different durations in Shanghai City[J].Water Resources Protection,2015,31(4):22-25.(in Chinese))

[ 8 ] 張雪剛,毛媛媛,董家瑞,等.SWAT模型與MODFLOW模型的耦合計算及應用[J].水資源保護,2010,26(3):49-52.(ZHANG Xue-gang,MAO Yuan-yuan,DONG Jia-rui,et al.A coupled model simulation and application of SWAT-MODFLOW[J].Water Resources Protection,2010,26(3):49-52.(in Chinese))

[ 9 ] 程偉平.流域洪水演進建模方法與河網糙率反分析研究 [D].杭州: 浙江大學,2004.

[10] 朱茂森.基于 MIKE11 的遼河流域一維水質模型[J].水資源保護,2013,29(3): 6-9.(ZHU Maosen.One-dimensional water quality model based on MIKE11 for Liaohe Basin[J].Water Resources Protection,2013,29(3): 6-9.(in Chinese))

[11] 李懷恩.流域非點源污染模型研究進展與發展趨勢[J].水資源保護,1996,22(2):14-18.(LI Huaien.Research progress and development trend of watershed non-point source pollution model[J].Water Resources Protection,1996,22(2):14-18.(in Chinese))

[12] 張剛,逄勇,崔廣柏.改善太倉城區水環境原型調水實驗研究及模型建立[J].安全與環境學報,2006,6(4): 34-37.(ZHANG Gang,PANG Yong,CUI Guangbo.A study on incentive mechanism of construction project based on the theory of principal-agent[J].Journal of Safety and Environment,2006,6(4): 34-37.(in Chinese))

Research on flood safety in river network outside polder under extreme conditions

ZHU Yongshu1, XIANG long1,2, CAO Feifeng3, ZHA Zhirong4

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;4.HuangdaoBranchofQingdaoHydrologyBureau,Qingdao266400,China)

Abstract：A typical design storm was chosen through frequency analysis of long series of hydrological data in the Hangjiahu area. A polder generalized unsteady flow dynamics model was established, and the flood process under the stress of peripheral flooding and tide level under extreme conditions were calculated. With consideration of the existing safety pattern of drainage conditions and the potential impact of extreme hydrological processes on the flood control safety elevation of the river network, an extreme design storm was taken as an example, the embankment height in the Luotang River watershed under the status quo and verification conditions of a river network was calculated, and the correction method of flood control safety standards in the polder area was analyzed. It is suggested that the flood control standards for the polder sections including Xinghuo, Changchun, and Xiexi be further improved, in order to ensure the safety of flood control in the Luotang River under extreme conditions.

Key words：polder; extreme conditions; safety of flood control in river network; river network model

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.013

基金項目:國家自然科學基金(51309078, 51209071);“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK10B04);中央高校基本科研業務費專項資金

作者簡介:朱永澍(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水文學及水資源。E-mail: zys_hhu@163.com

中圖分類號：TV87

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0062-05

(收稿日期：2015-12-30編輯：彭桃英)