臺州市溫黃平原地區(qū)河網(wǎng)水文水動力模型研究及應(yīng)用

陳 雰，黃 成

（1.臺州學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.浙江昊信工程咨詢有限公司，浙江 臺州 318000）

沿海感潮城市如臺州、溫州等，是經(jīng)濟發(fā)展的先驅(qū)、濱海城市的明珠。由于所處的特定地理位置、氣候條件、地形特點，在盡享水資源帶來的水土膏膚和舟楫之利的同時，也深受水災(zāi)的威脅。與大流域地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)或其他城市的水災(zāi)相比，其復(fù)雜性和特殊性主要表現(xiàn)以下兩個方面：（1）多致災(zāi)因子作用，澇災(zāi)危險性增大，一般情況下，由單個因子造成的水災(zāi)并不嚴重，而多個因子相互影響、共同作用，往往造成巨大的損失，如熱帶氣旋發(fā)生時常伴有暴雨，如適遇天文大潮即“三碰頭”，就有可能造成嚴重的水災(zāi)[1-2]。（2）下墊面環(huán)境復(fù)雜，澇災(zāi)承災(zāi)體脆弱性日趨增加，平原河網(wǎng)調(diào)蓄能力降低、地面沉降嚴重等因素加劇了澇災(zāi)的形成。以上這兩種負反饋作用使得沿海感潮地區(qū)成為受洪澇災(zāi)害影響最為嚴重、風(fēng)險最高的區(qū)域之一。頻繁的澇災(zāi)不僅會直接造成財產(chǎn)的重大損失，嚴重影響其經(jīng)濟發(fā)展，還會對社會、環(huán)境和人們心理帶來十分不利的影響。同時沿海城市人口密集、經(jīng)濟發(fā)達，對水災(zāi)信息采集、分析、預(yù)報的準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度都提出了更高的要求[3]。

此次研究區(qū)域臺州市溫黃平原區(qū)域位于浙江省中部沿海，屬于典型的沿海感潮區(qū)域。洪水受上游來水、當(dāng)?shù)亟涤辍⑾掠雾斖?如河口潮汐頂托、臺風(fēng)增水頂托等)和人類活動等綜合影響[3]，洪水運動情況復(fù)雜，洪水下泄不暢。研究成果可以為沿海感潮城市暴雨內(nèi)澇減災(zāi)防災(zāi)以及城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 概況

此次研究區(qū)域臺州市溫黃平原區(qū)域位于浙江省中部沿海，介于東經(jīng)121°2′～121°40′，北緯28°15′～28°44′，東瀕東海，西連溫州市，南臨玉環(huán)市，北接椒江、臨海市、黃巖區(qū)。溫黃平原為臺州市最大的平原，也是浙江省的四大平原之一。域內(nèi)水系主要為金清水系河網(wǎng)，部分為永寧江水系河網(wǎng)。降雨時空分布不均，年際變化較大，年均降雨量1250～2200mm，多年平均降雨量1639.8mm。年降水日數(shù)140～180d。

臺州市溫黃平原水文水動力模型包括椒南、路橋、黃巖東部、溫嶺4個市（區(qū)），東西長約61km，南北寬約53km，研究區(qū)域土地總面積1976.5km2。溫黃平原為臺州市最大的平原，也是浙江省的四大平原之一。域內(nèi)水系主要為金清水系河網(wǎng)，部分為永寧江水系河網(wǎng)。

2 建模原理

根據(jù)流域的地理特性，可以將溫黃平原河網(wǎng)流域大部分歸為平原區(qū)，西部部分區(qū)域歸為山丘區(qū)。洪水受上游來水、當(dāng)?shù)亟涤辍⑾掠雾斖?如河口潮汐頂托、臺風(fēng)增水頂托等)和人類活動等綜合影響，洪水運動情況復(fù)雜，洪水下泄不暢，這部分區(qū)域的洪水模擬需采用以水文、水動力學(xué)相結(jié)合的方法解決[4]。

溫黃平原河網(wǎng)區(qū)的洪水模擬采用水文學(xué)和水力學(xué)相結(jié)合的方法。根據(jù)平原地區(qū)流域的特征，從流域洪水模擬的角度，流域由河道、湖泊、水庫、蓄洪區(qū)、行洪區(qū)、圩區(qū)及工程建筑物(如閘、堤、大壩、鐵路等)等組成，在平水期，水流主要在河道、湖泊中運動；洪水期，隨著水位的上升，上游來流超過了河道泄流能力時，通過分洪、行洪、蓄洪、圩區(qū)等措施，使水流通過閘、口門、漫堤等水工建筑物進入行蓄洪區(qū)，而行洪區(qū)內(nèi)的工程建筑物如鐵路、公路又影響著水流運動，模擬流域洪水的目的在于正確地模擬上述水流的運動情況。

2.1 水文模型

模型中山丘區(qū)水文模型采用分布式三水源新安江模型。在三水源新安江模型中流域以雨量站控制面積為單元，把流域劃分為與雨量站個數(shù)相同的子流域（或單元），在每個子流域中，把雨量站的點雨量作為子流域的平均雨量，計算相應(yīng)的產(chǎn)流。模型中溫黃平原區(qū)域西部地區(qū)包括山丘區(qū)地形，按照流域（根據(jù)所收集小流域邊界shapefile文件）劃分成小區(qū)域，生成山丘區(qū)水文模型并進行設(shè)置，共計山丘區(qū)水文模型227個，總面積673.8km2；模型中東部為平原地區(qū)生成平原區(qū)預(yù)報要素并進行設(shè)置，共計平原區(qū)預(yù)報要素42個，總面積1302.7km2。平原地區(qū)水文模型統(tǒng)計單位以各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計單元設(shè)置平原區(qū)預(yù)報要素，根據(jù)各個要素的雨量站（根據(jù)泰森多邊形生成權(quán)重信息）、下墊面等信息進行設(shè)置[4]。

2.2 產(chǎn)匯流模型

由于不同下墊面具有不同的產(chǎn)流規(guī)律，該流域下墊面分成四類：水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)道路。流域水流運動模擬由零維、一維、二維模擬所組成，各部分模擬必須耦合聯(lián)立才能求解，各部分模擬的耦合是通過“聯(lián)系”來實現(xiàn)的。“聯(lián)系”就是各種模擬區(qū)域的連接關(guān)系，主要是指流域中控制水流運動的堰、閘、泵等，“聯(lián)系”的過流流量可以用水力學(xué)的方法來模擬。

2.3 水文水動力學(xué)模型耦合

此次模型開發(fā)平原區(qū)坡面匯流單位線模型，通過GIS地圖統(tǒng)計河網(wǎng)密度，計算水文分區(qū)河道匯流長度，率定坡面匯流速度，統(tǒng)計不同時段匯入計算分區(qū)周邊河道柵格的概率，從而確定平原區(qū)分布式坡面匯流單位線。

通過平原區(qū)分布式單位線匯流單位線，將平原產(chǎn)流的結(jié)果匯入河網(wǎng)水動力模型中的河道斷面，進而實現(xiàn)產(chǎn)水模型與水動力模型的耦合。

3 計算結(jié)果分析

由于松門、金清閘、西江閘等水位站監(jiān)測數(shù)據(jù)受潮位和水閘控制工況等影響較大，因此，溫黃平原地區(qū)模型共選取大溪、溫嶺、路橋、澤國、椒江石柱和麻車橋6個水位代表站進行率定，分片的起調(diào)水位參考實測水位進行設(shè)定。將模型計算的區(qū)域主要代表站的水位與實測水位進行對比分析，包括水位過程、水位峰值及出現(xiàn)時間等，水位代表站基面統(tǒng)一采用1985國家高程基準(zhǔn)[5-6]。代表站計算與實測洪峰水位對比見表1，過程對比見圖1。由圖1、表1可知，2010年各計算洪峰水位與實測洪峰水位總體誤差較小，誤差在10cm以下。

圖1 溫黃平原2010年7月溫嶺站計算水位過程對比

4 結(jié)論

文章針對溫黃平原地區(qū)河網(wǎng)地區(qū)的特征，結(jié)合地區(qū)水系分布特點，構(gòu)建臺州市溫黃平原河網(wǎng)水文水動力模型，并對模型進行率定和驗證計算，主要結(jié)論如下：（1）通過對2010年溫黃平原地區(qū)的汛期水情進行模擬演算，計算地區(qū)各代表站的洪峰水位及水位過程線，與實際情況相差較小，水位過程線趨勢與實況擬合較好，模型模擬結(jié)果合理，基本反映了溫黃平原地區(qū)汛期的水流特點和實際狀況。（2）模型率定驗證成果表明，臺州市溫黃平原水文水動力模型能夠真實模擬自然情況下的實際水流運動，并具有較高的模擬精度。由于模型的精度受閘泵工程的調(diào)度等人類活動影響，因此必須掌握準(zhǔn)確的閘泵工程調(diào)度運行情況，這樣模型才能取得更好的模擬精度。

表1 2010年溫黃平原代表站洪峰水位計算值與實測值比較表