基于水文水動力模型的浦陽江流域洪水情景模擬

王旭瀅，阮跟軍，馬 婷，陳劍平，孫曉峰，鐘 華

(1.中國三峽上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335；2.諸暨市應急管理局，浙江 諸暨 311800；3.諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800；4.南京水利科學研究院，南京 210029)

0 引 言

浦陽江流域位于長江三角洲南部，受地理位置和氣候影響，歷史曾遭受多次洪澇災害。隨著城鎮化規模的提高和經濟體量的增加，洪澇災害帶來的經濟影響愈發嚴重。為減小流域洪災損失，浦陽江流域急需開展洪水模擬方法研究并在此基礎上進行情景模擬分析，從而明確流域未來防洪的工作重點。鑒于浦陽江流域兩端高、中間低的地形特點，河道水流運動同時受上游山區來水和下游平原河流高潮位頂托的影響，新安江模型中的馬斯京根河道匯流演算無法考慮下游潮位頂托對洪水持續時間的影響。同時，隨著未來氣候變化和城市發展等不確定性因素的增加，僅構建水動力模型無法模擬降雨變化對流域洪水的影響。針對單一模型無法滿足模擬要求的情形，水文水動力耦合模型應運而生。模型耦合分為外部耦合、內部耦合和全耦合[1]，目前水文模型與水動力模型之間仍采用外部耦合較多，即水文模型的輸出作為水動力模型的輸入來實現上下游的水力連接[2,3]；一、二維水動力模型之間可實現內部耦合進而模擬洪水漫出河道后的淹沒過程。針對水文水動力外部耦合模型的洪水模擬，國內已有學者進行了相關研究。韓超等[4]在研究區域降水對嘉興地區河網的洪水過程影響時，將SCS水文模型和MIKE 11水動力模型進行了耦合；劉瀏等[5]分別在太湖流域的山區和平原區構建VIC模型和ISIS水力學模型，為太湖流域洪水風險情景分析奠定了基礎；董湃等[6]、羅文兵等[7]通過耦合水文水動力模型，對平原河湖地區用地性質變化對排澇模數的影響展開了進一步研究。但目前大多數應用未進一步考慮一、二維水動力模型的耦合，實現從降雨到淹沒的全過程模擬和洪水淹沒情景分析，從而提高洪水災害評估的準確性和可操作性[8]。基于前人研究，本文分別在浦陽江流域的上游山丘區和下游盆地區分別構建新安江模型和IFMS水動力模型，通過耦合水文模型和一、二維水動力模型，探究水文水動力模型在浦陽江流域的適用性，彌補新安江模型中馬斯京根匯流未考慮潮水頂托影響以及水動力模型難以響應降雨變化的不足；并將水文水動力模型應用于洪水情景模擬，分析極端降水和人類活動影響下的洪水淹沒情況，以增強浦陽江流域洪水綜合管理和應急響應能力。

1 水文水動力模型

1.1 研究區域概況

浦陽江流域是錢塘江流域的一部分，地處長江三角洲南翼。流域總面積3 451.5 km2，屬亞熱帶季風氣候區，四季分明，雨量充沛。夏秋季熱帶風暴和臺風活動頻繁，是流域內洪水暴發的主要原因。浦陽江流域地形復雜多元，包括丘陵、盆地和平原。中部盆地是人口和工業的聚集地，受盆地地形影響，發生暴雨洪水時受到上游山區洪水和下游錢塘江潮位頂托“兩面夾擊”，洪澇形勢嚴峻。浦陽江流域沿江地勢低洼，分布有多個湖畈，是諸暨防洪重點保護地區，防洪安全主要依靠沿江堤防。特殊的地理位置和發達的社會經濟使得湖畈地區防洪任務十分緊迫。為緩解洪澇壓力，浦陽江流域內建有水庫、蓄滯洪區、電排站等水利工程，對洪水進行蓄、分、排，以提高湖畈地區的排澇能力。

根據流域特點，本文采用三水源新安江模型模擬上游山區產匯流過程，計算結果作為一維河道水動力模型的輸入；針對中部盆地，構建IFMS一、二維耦合水動力模型對河道洪水和地表洪水的演進過程進行模擬。

1.2 上游山區新安江模型

針對上游山區水流運動，建立新安江水文模型，根據水系分布情況分為8個子匯水區，具體建模范圍為：①安華水庫以上流域；②支流大陳江龍潭斷面以上流域；③安華水庫～丫家楊區間；④開化江街亭水位站以上流域；⑤五泄江水磨頭斷面以上流域；⑥楓橋江駱家橋斷面以上流域；⑦凰桐江流域；⑧永興河流域，產匯流空間分布如圖1(序號對應)所示。

圖1 產匯流分區圖Fig.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由于資料年限不統一，因此水文模型與水動力模型分開進行率定。流域內僅安華水庫和諸暨水文站有長序列實測流量資料，因此針對安華水庫和諸暨水文站兩個水文分區建立新安江模型并率定參數。大陳江流域移用安華水庫水文參數，開化江街亭站、五泄江水磨頭、楓橋江駱家橋等其他子匯水區移用諸暨站水文參數進行計算。針對區間入流，則采用水文移置法，根據面積比移用諸暨站分區洪水過程。率定結果見表2、表3。

表3 諸暨水文站以上流域新安江模型次洪參數表Tab.3 Parameters of XAJ model in Zhuji catchment

表1 產匯流分區表Tab.1 Hydrological division of Puyang river catchment

由表4可以看出，新安江模型能夠較好模擬上游山區產匯流過程，徑流深和洪峰相對誤差均小于20%，除諸暨水文站20110613歷史洪水之外，其余洪水過程模擬確定性系數均大于0.7。20110613場洪水由于極端降水導致下游退水緩慢，造成諸暨水文站高水位持續不落，而新安江模型在退水段的模擬無法滿足精度要求導致確定性系數不高。

表4 新安江模型驗證結果Tab.4 Validation results of XAJ model

1.3 下游一二維水動力模型

1.3.1 一維非恒定流模型

河道水流運動的模擬采用圣維南方程組，方程可以寫為：

(1)

(2)

式中：A為斷面面積，m2；t為時間，s；Q為斷面流量，m3/s；x為距離，m；q為單位長度上側向匯入流量，m3/s；η為河道水位，m；g為重力加速度，m/s2；Sf為摩阻坡降，s2/m3。

建模范圍為干流安華水庫～聞家堰水位站(見圖2)，概化的主要支流和向上延伸范圍為大陳江至龍潭斷面、開化江至街亭水文站、五泄江至水磨頭、楓橋江至駱家橋。

圖2 一維水動力建模范圍Fig.2 1-D hydrodynamic modeling area

河道一維水動力數值模擬對河道斷面參數要求較高，同時受斷面形狀變化的影響也很大，因此選用近二十年發生的6場歷史洪水進行參數的率定和驗證。其中1997、2007、2012、2013、2014年五場洪水用于參數率定，20110613歷史洪水用于驗證。一維河道水動力模型的入流邊界由上游山區新安江模型計算得到，其中安華水庫流域洪水需進行調洪演算后作為水動力模型輸入，下邊界為聞家堰實測水位過程。河段糙率率定結果見表5。

采用表5的糙率系數進行模型驗證，20110613典型洪水諸暨站和湄池站水位絕對誤差小于0.2 m，流量相對誤差小于20%，驗證合格。水文水動力組合計算模型在20110613歷史洪水進行模擬時能夠較為精準地抓住峰值并模擬出退水段雍水的現象(如圖3)，因此建立的浦陽江水文水動力組合計算模型在洪水模擬時具有一定的適用性和可行性。

表5 浦陽江分段糙率系數表Tab.5 Hydraulic roughness coefficient of Puyang river

表6 20110613洪水一維水動力模型驗證結果Tab.6 Simulation results of 1-D hydrodynamic model for historical flood No.20110613

圖3 20110613歷史洪水水位過程Fig.3 Hydrographs of historical flood No.20110613 at Zhuji and Meichi hydrologic stations

1.3.2 二維地表水動力模型

水流在地表的演進與淹沒采用水深平均的二維淺水方程進行描述，將河道兩側堤防外區域按照地形地勢劃分為二維網格；而對于河道堤防、行洪口門，則采用溢流單元來處理。水深平均的二維淺水方程可以簡寫為：

(3)

(4)

(5)

式中：h為水深，m；u為x方向的流速，m/s；v為y方向的流速，m/s；sx，sy為源項，m2/s2。采用Godunov法[9]對上述微分方程進行數值離散。

以諸暨水文站為界，上游以45 m等高線，下游以25 m等高線劃定二維建模范圍共488.7 km2，如圖4所示。對于二維水動力模型來說，由于實測資料有限，因此二維水動力模型糙率按照經驗值取0.06。

圖4 一二維水動力模型建模范圍Fig.4 1-D and 2-D hydrodynamic modeling area

2 洪水情景模擬

浦陽江流域沿江地勢低洼，分布有多個湖畈，是諸暨防洪重點保護地區之一。湄池站以下河段受潮水頂托趨勢加重，高水位持續時間明顯延長，特殊的地理位置和發達的社會經濟使得湖畈地區防洪任務十分緊迫。為緩解湄池地區洪澇壓力，諸暨市對境內高湖蓄滯洪區進行了分級改造，以打破分洪困境，同時對湖畈堤防進行了標準提升。根據浦陽江流域洪水特點，結合致災因子變化與水利工程的影響，模擬方案分為洪潮組合和歷史洪水情景，提出共計9組子情景的模擬方案。

2.1 洪潮組合情景模擬

浦陽江流域5年、10年、20年、50年、100年一遇設計暴雨洪潮組合情景模擬結果如圖5所示，分析統計各方案淹沒范圍和淹沒水深，并做橫向比較。

圖5 5年一遇～100年一遇設計暴雨情景模擬淹沒水深圖Fig.5 Inundation map of designed rainstorm scenario

從5年一遇淹沒水深圖中可見，浦陽江流域堤防范圍內及各湖畈，沒有發生淹沒情況。當流域上游發生10年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位時，依靠各級防汛體系的科學防御，大多數湖畈可確保防洪安全，中游的高湖蓄滯洪區可維持不分洪，此種情形下僅有葬馬湖和月塘湖兩處湖畈淹沒。流域上游發生20年一遇洪水，下游遭遇偏不利潮位時，若開啟高湖蓄滯洪區一區，除堤防脆弱的險工險段發生淹沒，流域絕大部分區域仍可確保防洪安全。流域上游發生50年一遇、100年一遇洪水，下游遭遇偏惡劣潮位時，大多數湖畈會因堤防不達標發生潰堤或漫堤，造成淹沒損失。當發生百年一遇超標準洪水時，浦陽江流域除諸暨市主城區外，大部分沿江湖畈發生漫堤進水，淹沒面積達65.94 km2，嚴重威脅人民生命財產安全。在此情況下，政府在抵御洪水的基礎上還需及時轉移群眾和物資，避免洪災損失的擴大。

表7 浦陽江洪水模擬方案設置表Tab.7 Flood scenario description of Puyang river catchment

2.2 歷史洪水情景模擬

為緩解洪澇壓力，諸暨市政府強化了浦陽江流域高湖蓄滯洪區的建設，并通過優化洪水調度提升整體防洪能力。本節將基于建立的浦陽江水文水動力模型，設置不同歷史洪水模擬情景并對模擬結果進行對比分析，從而評估高湖蓄滯洪區的有效性。歷史洪水情景主要分為兩類：一類是歷史洪水還原，即分析歷史實際潰口條件下造成的洪水淹沒；另一類是歷史洪水重演，即分析歷史洪水在現狀條件下造成的洪水淹沒。浦陽江流域1997年和2011年遭遇的洪澇災害導致多處湖畈潰堤淹沒，因此選取19970709和20110613兩場典型大洪水進行計算分析。

表8 5年一遇～100年一遇設計暴雨情景模擬結果對比Tab.8 Flood simulation results comparison of designed rainstorm scenario

圖6 歷史洪水情景模擬淹沒水深圖Fig.6 Inundation map of historical flood scenario

表9 歷史洪水模擬歷史與現狀結果對比Tab.9 Flood simulation results comparison between historical and current situations

計算結果表明，以歷史洪水作為輸入，在堤防加固和啟動高湖蓄滯洪區的情景下淹沒面積和淹沒水深均顯著減少。歷史洪水情景模擬結果表明，同樣的致災因子條件下，現狀防洪工程的提升改造有效遏制了洪水淹沒范圍的擴大，通過蓄滯洪區的應急調度，能夠為搶險救災爭取寶貴時間。但流域內個別湖畈仍然存在堤防不達標的問題，在現狀防洪體系下仍然易淹易澇，在未來流域防洪規劃中需重點考慮。

3 結論與展望

浦陽江流域受下游潮位頂托和致災因子等不確定性因素影響，單一模型難以滿足模擬精度要求，本文建立新安江_IFMS水文水動力模型對全流域洪水進行模擬，并對上述模型分別進行率定和驗證。在完成模型構建的基礎上，結合致災因子變化和水利工程提升改造對流域洪水進行情景模擬研究。由計算結果可以得到如下結論：

(1)新安江-IFMS水文水動力模型能夠反映浦陽江流域的水文、水動力特性，也為其他地形多元的流域洪水模擬精度改善提供了新思路；

(2)浦陽江流域發生洪澇災害與極端降水密切相關，當下的防洪體系僅可以抵御50年一遇以下洪水，當遭遇超標降雨時，在合理調度的基礎上還需強化應急防洪機制，及時避險轉移，減少洪災損失；

(3)高湖蓄滯洪區的啟用是減小下游湖畈淹沒范圍的關鍵，分級滯洪和優化調度能夠有效減輕流域防洪壓力，在未來防預案中可進一步考慮上游水庫、中游蓄滯洪區以及下游電排站的聯合調度，通過上下游聯防聯動增強抗洪能力。

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