極端條件下聯(lián)圩區(qū)外河網(wǎng)洪水安全研究

朱永澍,向　龍,2,曹飛風(fēng),查治榮

(1.河海大學(xué)水文與水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098;2.河海大學(xué)水文學(xué)與水資源及水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210098;3.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)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(lián)圩區(qū)外河網(wǎng)洪水安全研究

朱永澍1,向龍1,2,曹飛風(fēng)3,查治榮4

(1.河海大學(xué)水文與水資源學(xué)院,江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)水文學(xué)與水資源及水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;3.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)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(qū)長(zhǎng)序列水文數(shù)據(jù)頻率分析,選擇典型設(shè)計(jì)暴雨,建立聯(lián)圩區(qū)概化的河網(wǎng)非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算外圍洪水、潮水位脅迫下的極端設(shè)計(jì)洪水過程?？紤]現(xiàn)有排澇安全格局條件,以及極端水文過程對(duì)河網(wǎng)防洪安全高度的潛在影響,以極端設(shè)計(jì)暴雨過程為例,對(duì)洛塘河小流域河網(wǎng)現(xiàn)狀及校核條件下河堤約束進(jìn)行計(jì)算,分析聯(lián)圩區(qū)河網(wǎng)的防洪安全標(biāo)準(zhǔn)修正方法,建議進(jìn)一步提升洛塘河星火、長(zhǎng)春和斜西各圩區(qū)段的河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn),以保證極端條件下洛塘河的防洪安全。關(guān)鍵詞：聯(lián)圩區(qū);極端條件;河網(wǎng)防洪安全;河網(wǎng)模型

洛塘河小流域聯(lián)圩區(qū)位于浙江省北部,地處長(zhǎng)江三角洲杭嘉湖沖積平原。這里河網(wǎng)密布、潮汐頂托作用顯著[1]。由于該地區(qū)特殊的地理位置,主要排水河道兩側(cè)多為與外界相對(duì)封閉的圩區(qū),圩區(qū)內(nèi)排澇主要依靠圩內(nèi)排澇泵站向排澇河道抽水。在極端條件如臺(tái)風(fēng)情況下,短時(shí)間內(nèi)大量圩區(qū)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(shè)計(jì)洪水位設(shè)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(duì)平原圩區(qū)河網(wǎng)防洪安全潛在影響的相關(guān)研究就顯得尤為重要[4]。

1研究區(qū)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(jīng)120°18′～120°53′之間,內(nèi)陸面積700.5 km2,地勢(shì)南高北低,自西南向東北傾斜,地形狹長(zhǎng),東寬西窄。境內(nèi)水系縱橫，上下交叉,錯(cuò)綜復(fù)雜,洛塘河由西向東橫穿下河地區(qū),與主干河道相互調(diào)節(jié),構(gòu)成境內(nèi)引排水系統(tǒng)。外圍骨干河道以崇長(zhǎng)港、斜郭塘為縱向河道,鹽官下河、洛塘河為橫向河道所構(gòu)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(nèi)部水系以洛塘河北側(cè)支河南排入洛塘河,南側(cè)支河南北雙向排水,呈現(xiàn)“一橫多縱”的水系格局,最后經(jīng)洛塘河向東排出,一定程度上增加了下游中心城區(qū)的防洪壓力。

圩區(qū)內(nèi)河道水洛塘河南北兩側(cè)水系多為條狀,呈現(xiàn)典型圩區(qū)水系特征。洛塘河主要承擔(dān)區(qū)域內(nèi)部排水功能,但現(xiàn)狀岸坡大多為自然護(hù)坡,缺乏整治,威脅防洪安全。圩區(qū)地勢(shì)低洼,圩內(nèi)河道水系連通性較差,由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等原因,出現(xiàn)局部阻水瓶頸,嚴(yán)重制約圩內(nèi)排水能力的發(fā)揮(圖1)。

圖1　研究區(qū)位示意圖

2極端降雨事件選擇

2.1設(shè)計(jì)暴雨

海寧市境內(nèi)的硤石站位于海寧市硤石鎮(zhèn),站點(diǎn)設(shè)立于1955年,擁有1955年至今的實(shí)測(cè)雨量資料系列,因此本次設(shè)計(jì)采用硤石站作為雨量代表站,分析研究流域設(shè)計(jì)暴雨,并采用算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)流域面雨量。流域面暴雨統(tǒng)計(jì)采用同場(chǎng)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(tǒng)計(jì)分析并經(jīng)P-Ⅲ適線,洛塘河流域最大各頻率設(shè)計(jì)暴雨成果見表1。

表1　杭嘉湖平原設(shè)計(jì)年最大暴雨信息

2.2設(shè)計(jì)凈雨

鑒于流域內(nèi)不同下墊面條件對(duì)降雨徑流關(guān)系影響較大的客觀規(guī)律[5],將流域內(nèi)分成水稻田、旱雜地及河網(wǎng)、建成區(qū)等幾大地類,采用常規(guī)的計(jì)算方法,分別求得平原地區(qū)的分塊產(chǎn)水過程[6]。

設(shè)計(jì)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(jì)最大雨量的50%,第3日雨量占3 d中24 h累計(jì)最大雨量的50%,時(shí)程分配采用經(jīng)驗(yàn)頻率Np分配。按照臨近原則,取與海寧城區(qū)Np相同值分配。根據(jù)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(shè)計(jì)凈雨,見表2。

表2　海寧市不同地類設(shè)計(jì)凈雨

根據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)部門調(diào)查分析成果,對(duì)實(shí)測(cè)水位進(jìn)行修正得出各站實(shí)測(cè)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(gè)臨近站相應(yīng)頻率最高水位分析結(jié)果見表3。

表3　主要水位站對(duì)應(yīng)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(qū)內(nèi)主要排水河道,如洛塘河、鹽官下河,都是以50年一遇防洪設(shè)計(jì)水位進(jìn)行校核計(jì)算流域內(nèi)的各特征河道防洪水位。根據(jù)分析,2013年10月6—8日 “菲特”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)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(xiàn)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(duì)象。硤石站降雨過程見圖2。

圖2　硤石站日實(shí)測(cè)降雨過程

3極端水文過程設(shè)計(jì)與模擬

3.1模型構(gòu)建

根據(jù)洛塘河流域水系布局和引排調(diào)度現(xiàn)狀和圩區(qū)內(nèi)部的水系特征,建立MIKE 11 HD河網(wǎng)水動(dòng)力模型,水動(dòng)力模塊中描述一維非恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制方程組為圣維南方程組,由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成[7-8]:

(1)

式中:x為距離坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e;Q、h分別為流量及水位;q為旁側(cè)入流量;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度。

3.1.1河網(wǎng)文件的生成

在對(duì)模擬河段進(jìn)行數(shù)值概化時(shí),河道縱向空間計(jì)算步長(zhǎng)根據(jù)該段河道的長(zhǎng)度做相應(yīng)的調(diào)整。為體現(xiàn)模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,充分考慮了引排水過程中研究區(qū)域內(nèi)骨干河道對(duì)引水效果的影響,概化河道連通情況與實(shí)際現(xiàn)狀、模擬方案條件保持一致?？傮w模型共概化河道72條,具體概化情況見圖3。

圖3　研究區(qū)域河網(wǎng)概化

3.1.2斷面文件生成

MIKE11 HD模型在運(yùn)算時(shí)是根據(jù)斷面數(shù)據(jù)文件中的斷面數(shù)據(jù)確定水位計(jì)算點(diǎn),同時(shí)根據(jù)模型在水位計(jì)算點(diǎn)之間自動(dòng)內(nèi)插的樁號(hào)確定流量計(jì)算點(diǎn)。為保證精確模擬計(jì)算的要求,斷面間距不大于100 m,并在特定地點(diǎn)(如河流交匯處)加密斷面數(shù)據(jù)[9]。現(xiàn)狀斷面均根據(jù)海寧市河道普查結(jié)果而得,反映了河道現(xiàn)狀情況。

3.1.3邊界文件生成

結(jié)合海寧市圩區(qū)現(xiàn)狀,該模型中共有3個(gè)上邊界,分別設(shè)崇長(zhǎng)港、鹽官下河和福壽橋港,均采用水位數(shù)據(jù)作為邊界。模型同時(shí)還在洛塘河沿岸選取10個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)置穩(wěn)定入流邊界,作為在暴雨期間沿岸圩區(qū)向排水河道抽水排洪的條件模擬,在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)入流邊界流量時(shí),求得“菲特”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水暴雨期間最大24 h累計(jì)凈雨為240 mm,以24 h排出圩區(qū)內(nèi)所有澇水作為圩區(qū)排澇極端條件的排澇流量選取標(biāo)準(zhǔn)[10],由計(jì)算得出各圩區(qū)平均排洪流量，見表4。模型中的內(nèi)部邊界包括進(jìn)入各河段的旁側(cè)入流、水面蒸發(fā)及降雨。其中,由于該研究區(qū)域?yàn)槠皆泳W(wǎng)區(qū),所以旁側(cè)入流是以降雨徑流形成的均勻旁側(cè)入流的形式形成內(nèi)部邊界進(jìn)入河道,水面蒸發(fā)及降雨均采用實(shí)際資料,以保證模擬結(jié)果的可靠性[11]。

表4　各圩區(qū)降雨期間平均排洪流量計(jì)算結(jié)果

3.1.4參數(shù)文件生成

為保證模型平穩(wěn)啟動(dòng),初始水位和初始流量的設(shè)定盡可能與模擬開始時(shí)刻的實(shí)際河網(wǎng)水動(dòng)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(jù)實(shí)測(cè)流量資料和比重資料由曼寧公式計(jì)算求得,確定整個(gè)模擬河網(wǎng)中河道糙率n=0.03,方便計(jì)算的同時(shí)保證了模型的可靠性[12]。

3.2結(jié)果分析

分別將“菲特”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水暴雨期間研究區(qū)自由排水和利用泵站強(qiáng)排水兩種情況運(yùn)用模型進(jìn)行模擬,得出在整個(gè)降雨事件期間研究區(qū)主要排洪河道的實(shí)時(shí)水位變化過程,在研究區(qū)主要行洪河道洛塘河自東向西的6個(gè)排水泵站處設(shè)置節(jié)點(diǎn),對(duì)排洪期間洛塘河節(jié)點(diǎn)水位變化過程進(jìn)行分析。

3.2.1整個(gè)降雨過程中不同行洪條件下水位極值分析

對(duì)降雨過程中洛塘河沿岸節(jié)點(diǎn)的最高水位、最低水位以及水位變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探討河道周邊圩區(qū)強(qiáng)排對(duì)河道防洪安全標(biāo)準(zhǔn)的影響程度,結(jié)果見表5。

表5　排澇期間洛塘河節(jié)點(diǎn)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(qū)向洛塘河通過泵站排水,使得強(qiáng)排期間洛塘河水位相對(duì)于自由排水情況下產(chǎn)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(shí)間內(nèi)大量圩區(qū)澇水依靠泵站進(jìn)入防洪河道時(shí),會(huì)造成河道水流的相互頂托,從而對(duì)按照以往正常設(shè)計(jì)洪水位設(shè)置的圩堤產(chǎn)生更大的防洪壓力。在洛塘河沿岸的6個(gè)分析節(jié)點(diǎn)中,節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5的水位在泵站強(qiáng)排期間分別達(dá)到了3.59 m和3.57 m,已經(jīng)超過了洛塘河按照50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的3.5 m的防洪水位。而對(duì)于河道水位變化幅度而言,強(qiáng)排期間的水位變化幅度也大于自由排水的河道水位,4號(hào)節(jié)點(diǎn)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(shí)刻河道延程水位變化分析

經(jīng)過上述水位極值分析,可以看出,隨著不斷有河道周邊圩區(qū)利用泵站對(duì)河道進(jìn)行強(qiáng)排,河道的水位變幅也在逐步增加,因此,在同一時(shí)刻不同排水情況對(duì)河道不同節(jié)點(diǎn)水位造成的影響也是不同的。分別選取“菲特”臺(tái)風(fēng)一場(chǎng)集中降雨期間降雨前、降雨中和降雨結(jié)束3個(gè)時(shí)刻(分別為10月6日21:00、10月7日5:00和10月7日23:00),對(duì)不同排水情況下河道延程水位變化進(jìn)行分析研究,分析結(jié)果見圖4。

圖4　同一時(shí)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(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨行洪期間,在降雨事件發(fā)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(fā)生之后的一段時(shí)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(shí)間遷移逐步從上游移至下游的規(guī)律,也驗(yàn)證了模型運(yùn)算的可靠性。

在泵站強(qiáng)排和自由排水兩種不同情況下,可以明顯看出泵站強(qiáng)排會(huì)產(chǎn)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(jìn)行入流排水,河道的水位抬升幅度從上游至下游也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),下游水位比正常排水最多高出了0.1 m。

3.2.3不同時(shí)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(gè)代表節(jié)點(diǎn),對(duì)不同時(shí)刻河道水位變化情況進(jìn)行分析研究,結(jié)果見圖5。

圖5　上下游不同時(shí)刻水位變化情況

將河道上游和下游進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)上游洪峰到來發(fā)生在10月7日7：00,而下游洪峰到來時(shí)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(shí)間遷移逐步從上游移至下游的規(guī)律相對(duì)應(yīng);并且在上游段,泵站強(qiáng)排和自由排水過程中洪峰到來時(shí)間基本一致,而在下游段,采取泵站強(qiáng)排河道的洪峰到來時(shí)間要明顯提前于自由排水情況下的河道洪峰到來時(shí)間。

4結(jié)論

將河網(wǎng)一維非恒定流模型應(yīng)用于平原聯(lián)圩區(qū)排水河道在受外圍洪水、潮水位脅迫下的極端設(shè)計(jì)洪水過程條件下的實(shí)時(shí)模擬,探討極端水文過程對(duì)河網(wǎng)防洪高度的潛在影響。利用一維非恒定流模型、MIKE 11水動(dòng)力模型等模擬了相同防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)下不同的排澇方式對(duì)圩區(qū)外部行洪河道水位變化的影響,并進(jìn)行多向分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)泵站強(qiáng)排會(huì)對(duì)行洪河道造成額外防洪壓力,可能威脅到按現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的堤防安全。

a. 由于河道水流的相互頂托,最大通過泵站強(qiáng)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(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),對(duì)下游的防洪壓力也逐步增大。

b. 通過泵站強(qiáng)排方式行洪的河道的洪峰到來時(shí)間也會(huì)相對(duì)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(duì)于洛塘河而言,在極端水文條件下,部分河道段水位會(huì)超過按現(xiàn)在防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的防洪水位,建議進(jìn)一步提升洛塘河星火、長(zhǎng)春和斜西各圩區(qū)段的河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn),以保證極端條件下洛塘河的防洪安全。

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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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51309078, 51209071);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK10B04);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金

作者簡(jiǎn)介:朱永澍(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。E-mail: zys_hhu@163.com

中圖分類號(hào)：TV87

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0062-05

(收稿日期：2015-12-30編輯：彭桃英)