太湖流域大尺度洪澇淹沒仿真模型的建立及應用

徐天奕，劉克強，李 琛，劉增賢

(太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434)

太湖流域是典型的平原河網地區，地形低洼平坦、河道密集交錯、湖泊星羅棋布、圩區連綿成片、水利工程眾多，流域的產匯流特性非常復雜，洪澇災情的模擬和分析一直是一個難點[1-2]。近年來，隨著流域內城市化以及水利工程的建設，洪澇災害的成因和特點發生了顯著變化，而流域經濟社會的發展對洪澇災害的治理提出更高的要求，如何科學合理地模擬流域洪澇災情成為關鍵。多年來，國內外專家學者對平原河網地區水情的數值模擬開展了大量研究，初步建立了一系列基于水文學、水動力學的數學模型[3-8]，很多已經用于區域洪澇災害的模擬、預報和治理工作。在太湖流域，張念強等[9]以上海市浦西區為研究區域，考慮較小河流上水閘、泵站等工程的綜合影響，提出了河網排澇單元模型并與二維洪水演進模型耦合，開展風暴潮影響下平原河網區域的城市洪澇模擬研究。鐘桂輝等[10]選擇MIKE FLOOD軟件建立了一、二維耦合模型，應用于陽澄淀泖區的洪水模擬。王靜等[11]針對圩區眾多的平原河網區域，基于已有的一、二維非恒定流水動力學理論建立的城市洪澇仿真模型，應用于嘉興市暴雨洪澇分析。目前的研究成果多是基于PCSWMM、InfoWorks ICM、MIKE等國外商業軟件，產匯流模擬方式主要采用綜合徑流系數法等，較為粗糙，不適用于河網概化密度要求較高，水文水動力條件復雜，人類活動影響劇烈的較大尺度區域。二維水動力力學模型雖能精細化模擬洪水演進，但其網格尺度一般較小，應用于流域尺度的研究區時存在計算量過大導致計算速度緩慢、耗時過長及資料條件不能支撐等問題。由于近年來太湖流域土地利用、水利工程、水文情勢發生了較大變化，資料的可靠度、精確度、維度都有了很大提高，太湖流域的傳統模型更是不能充分利用這些資料可靠地模擬流域洪澇災情特性。

本文根據新形勢下太湖流域洪澇治理工作的需求，采用新的土地利用、河道湖泊、水利工程等基礎信息，基于DEM數據及GIS空間分析技術,將太湖流域水文水動力模型與洪澇淹沒模擬分析模塊耦合，構建了可以模擬太湖流域洪澇淹沒狀態的數學模型，選擇典型暴雨洪水對構建的模型進行驗證。在此基礎上，針對極端天氣情景組合狀態，對太湖流域洪澇淹沒進行模擬分析，為流域洪水風險圖編制及洪水風險管理提供支持。

1 模型的原理與方法

1.1 水文水動力模型原理

太湖流域水文水動力模型主要由降雨徑流模塊和水動力模塊組成。降雨徑流模塊涉及平原區16個水力計算分區的圩內和圩外區域的產流計算。針對流域土地利用特點，將下墊面劃分為水面、水田、旱地、非耕地、城市綠地、不透水面等類型分別進行產流計算，各單元區域的產流量則為各類下墊面產流量之和。平原區不同類型下墊面產流計算模式如下：

a.水面產流。計算公式為

R1=P-E1

(1)

式中：R1為水面產流量；P為降水量；E1為水面蒸散發量。

b.水田產流。按作物生長期的需水、水稻田適宜水深、耐淹水深及水稻灌排模式得出。適宜水深下限主要控制水稻不致因水田水深不足影響產量；適宜水深上限是水稻最佳生長允許的最大水深；耐淹水深是水稻短時間可以耐受的最大水深，當水田水深超過耐淹水深時，要及時排除多余水量，其排水量即為水田的凈雨深。水田產流公式如下：

(2)

式中：R2為水田排水量或灌溉量；H為水田水深；E2為水田蒸散發量；I為水田滲漏量；Hs為水田平均適宜水深；Hm為水稻耐淹水深；He為水田排澇能力。

c.不透水面產流。計算公式為

R3=P-V3-E3

(3)

式中：為R3不透水面凈雨量；V3為初損量；E3為不透水面積雨期蒸發量。

旱地、非耕地、城市綠地這幾種類型下墊面均屬于透水地面，可以采用蓄滿產流模型按不同參數進行模擬[12]。

區域坡面匯流采用分布式匯流單位線方法[13]。

水動力模塊根據太湖流域平原河網的特點，將流域內影響水流運動的因素分別以零維模型(湖、蕩、圩等零維調蓄節點)、一維模型(一維河道)以及聯系要素(堰、閘、泵控制建筑物等)3類要素進行模擬，采用圣維南方程組模擬太湖流域一維河網非恒定流水流運動情況：

(4)

式中：Q、A、B和Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；q為旁側入流；vx為旁側入流流速在水流方向上的分量；K為流量模數；α為動量校正系數。

1.2 洪水淹澇分析模塊原理

淹澇模塊考慮了洪水漫溢導致的淹水，以及圩區因排澇動力不足、限排等原因導致的內澇積水。利用DEM數據以及GIS空間分析技術，對漫溢水量進行展布來模擬漫溢水量的淹沒范圍。

1.2.1河道漫堤模擬

進行水動力計算時，當河道計算水位超過河堤高程，模型將通過堰流公式來計算通過側向連接的水流，用以模擬洪水從河道漫流進入河網多邊形內部的過程。

1.2.2圩區內澇模擬

圩內地勢平坦，水面幾乎沒有比降，水流速度較小，可基于水量平衡原理將圩作為零維調蓄單元，以簡化模型計算維度，提高計算效率。零維調蓄單元通過虛擬聯系與周圍河道進行水量交換(圖1(a))。模型假定圩內外河道的水量交換是通過一些微小溝渠實現的，這些微小溝渠總寬度就是虛擬聯系的寬度，與通過的河段長之比定義為過水連通率，可取為0.01。虛擬聯系的底高程設定為通過河段的底高程。根據DEM高程數據生成每個零維單元的水位-面積曲線(圖1(b))。降雨經產流計算匯入零維調蓄單元，如果排水不暢則蓄積在零維要素中，根據零維單元的水位-面積曲線可以推求不同情況下對應的淹沒水深，淹沒水量可按下式推算：

圖1 圩區零維調蓄單元設置示意圖

(5)

式中：∑Qi為進出零維調蓄單元的水量；Az為調蓄單元內水面面積。

對于設置為零維調蓄單元的圩，由于概化了與周邊河道的聯系，應針對不同情況進行排澇模擬。

a.常規調度模式：根據圩區資料，按照每個圩的實際調度規則進行調度，控制水閘和排水泵的啟閉和水位，水閘開啟度及排水泵控制流量等。

b.限排模式：當汛期外河水位過高，超過設定的危險水位時，需要對圩區進行限排，以防止外河水位持續快速升高造成河道漫溢和圩堤潰決引發淹沒災害。

c.破圩模式：針對圩堤潰決發生破圩情況，根據圩與周邊河道的聯系按相應的潰決方式設置潰口寬度、底高程等參數，通過堰流公式計算破圩流量。

2 模型構建及驗證

2.1 洪澇淹沒模型構建

基于現有的太湖流域河網模型，采用最新的下墊面、河湖水利工程資料進行細化，其中縣級以上河道采用實測斷面，部分縣級以下河道采用概化斷面。細化后的平原區河道1 793條，總長15 058.63 km，河道斷面10 112個，1 km2面積以上的圩外湖泊117個。工程概化范圍主要是流域沿江、沿杭州灣外邊界、環太湖、沿流域重點河道等主要控制線，加之城市大包圍及5萬畝以上重點圩區閘泵工程，合計863座。

太湖流域湖西區山前平原、圩區和東部及洮、滆湖兩岸地勢低洼，西南一線直接承接山區的來水，下游易受長江及太湖高水位頂托，洪水不易外排；浙西區位于太湖上游，是流域降水量最多的區域，由于山高坡陡，山洪下泄經常引發長興平原洪澇；杭嘉湖區地勢低洼，河道水系紊亂，淤積嚴重，排水緩慢，頻繁發生洪澇。因此，本文選取湖西平原區、浙西區平原區和杭嘉湖區作為重點研究對象，對這3個水利分區內近1 500個圩進行了“零維調蓄單元”處理，通過虛擬聯系與周圍河道建立聯系進行水量交換。太湖流域平原河網及圩區概化示意圖見圖2。

圖2 研究區域河網概化示意圖

在流域河道、湖泊、閘泵、堤防、圩區、控制線工程概化的基礎上，初步建成可以模擬流域洪澇淹沒狀況的模型。

2.2 模型驗證

為了驗證所建立模型的合理性，對涉及的參數進行合理設置，需要對模型進行率定。本文選擇2016年梅雨洪澇作為典型，針對流域河道實測洪水位與淹沒區域分布資料，對比和分析模擬結果與實測狀況的差異，在分析模型的可靠性基礎上，對模型參數進行率定和調整，以提高模型的模擬精度。

通過模擬計算，得出2016年梅雨期太湖流域河網水位過程，通過與實測水位過程比較，相互之間擬合程度較好，太湖日均最高水位計算值與實測水位誤差僅為0.01 m。地區代表站日均最高水位誤差也在0.1 m以內。圖3為部分重點節點代表站模擬水位與實測水位對比。2016年湖西區受災比較嚴重，洪澇災情統計比較充分，重點模擬和分析了湖西區洪澇淹沒狀況，圖4為模擬湖西區淹沒范圍與實際調查受災范圍對比。結果表明，模擬淹沒范圍主要集中在洮湖、滆湖西側和南側，基本與實際淹沒情況一致，宜興市基礎資料不足，模擬的淹沒范圍比實際略小，屬于合理范圍。2016年湖西區淹沒模擬值303.0 km2，接近實際調查值353.4 km2。根據2016年的驗證成果，總體來看構建的太湖流域洪澇淹沒模型基本可信，可以用于太湖流域洪澇淹水狀況的模擬分析。

圖3 2016年梅雨期間代表站計算與實測水位過程

圖4 2016年梅雨期湖西區模型模擬與實際調查受淹范圍

3 情景模擬分析

太湖流域成災降雨的類型主要有兩類：一類為梅雨型，特點是降雨歷時長、總量大、范圍廣。另一類為臺風暴雨型，特點是降雨強度大、暴雨集中。臺風與梅雨一旦遭遇，將會容易形成降雨的疊加效應,，增加威脅流域防洪安全的大洪水暴發的可能性[14]。2016年太湖流域發生梅雨型大洪水，梅雨量達426.8 mm，是多年平均梅雨量的1.75倍，暴雨中心主要分布在湖西區、武澄錫虞區及太湖區。太湖水位于7月3日超過設計水位，同時，1601號臺風“尼伯特”在美國關島以南的西北太平洋洋面上生成，中間一度預報“尼伯特”臺風要正面襲擊太湖流域。本文情景設計以2016年梅雨為背景，考慮“尼伯特”臺風正面襲擊太湖流域，帶來200 mm的降雨，按2013年“菲特”臺風降雨分布，暴雨中心主要在杭嘉湖區、浙西區、陽澄淀泖區、浦東浦西區和太湖區。

模擬結果表明，當太湖水位繼續上漲并遭遇南部型200 mm臺風雨時，主要受災區集中在湖西區平原、杭嘉湖區，浙西區長興地區，3個區總的淹沒面積達到1 214 km2，其中淹沒水深大于0.5 m的淹沒面積占44%。這3個區的淹沒范圍和淹沒水深分布見圖5，數據統計見表1和表2。從3個區淹沒水深分布情況看，杭嘉湖區和浙西區總體上大部分淹沒水深在0.5 m以下，湖西區淹沒水深超過1 m的主要仍在洮湖、滆湖周邊及南溪沿線，其他范圍淹沒水深大部分在0.5 m以下。

圖5 湖西區、浙西區及杭嘉湖區淹沒水深分布

表1 淹沒范圍分類統計

表2 各分區淹沒面積與淹沒水深統計

為了更有效治理洪澇災害，通過對洪澇災情實景模擬，有必要深入分析洪澇災情的成因。湖西和浙西平原區受淹主要歸因太湖持續高水位，使得上游濱湖地區徑流入湖困難，造成洮湖和滆湖西側、南河沿線、宜興環太湖地段的低洼地區積水。杭嘉湖區淹沒范圍主要集中分布于嘉興市及周邊區域、杭州市北部及余杭區、湖州南部與德清東部地區，南潯僅有零星淹沒，主要原因是部分圩區防洪除澇標準偏低，圩堤達標治理遲緩，圩區動力抽排能力不足，水系治理滯后造成的現狀防御能力低下引發積水成災。

4 結 論

a.基于太湖流域水文水動力模型，構建了用于模擬流域尺度的太湖洪澇淹沒的仿真模型。模型根據太湖流域高度城鎮化地區復雜下墊面的產流規律，對不同下墊面分別采用不同的產流計算模式，并耦合了流域內河道、湖泊、行蓄洪區、圩區、水利工程等水動力過程。引入圩區“零維調蓄單元”概念，可以較為精細化地模擬單一圩的閘泵調度，實現單一圩禁排、限排或排澇動力不足引起內澇的模擬分析。

b.采用典型暴雨洪水資料驗證了模型的可靠性，率定和合理確定了模型參數。應用新建模型模擬分析了流域梅雨與臺風雨組合情景下的區域洪澇災害狀況，結果顯示，淹沒主要集中在湖西區洮滆湖西側、南河沿線、宜興環太湖區域及杭嘉湖區太浦河南岸嘉北地區、嘉興西南部的桐鄉、海寧地區，嘉興市東南部等低洼地區。

太湖位于典型的平原感潮河網地區，影響因素組合多變且動態變化，特別是面廣量大的圩區，其調度運行與淹沒對流域骨干河道行洪、對太湖防洪的影響，用傳統的分析方法較為困難。本文結合GIS和水文水動力洪水模擬技術，通過產匯流模塊與圩區排澇動力學模塊耦合，針對設定情景影響區域的近1 500個圩區進行“零維調蓄單元”處理，可以較為精細化地模擬單一圩排澇調控過程，實現對單圩的禁排限排功能，使圩區水情模擬更加符合實際，可以為圩區治理工作提供支持。