太湖流域大尺度洪澇淹沒仿真模型的建立及應(yīng)用

徐天奕，劉克強(qiáng)，李 琛，劉增賢

(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

太湖流域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，地形低洼平坦、河道密集交錯、湖泊星羅棋布、圩區(qū)連綿成片、水利工程眾多，流域的產(chǎn)匯流特性非常復(fù)雜，洪澇災(zāi)情的模擬和分析一直是一個難點[1-2]。近年來，隨著流域內(nèi)城市化以及水利工程的建設(shè)，洪澇災(zāi)害的成因和特點發(fā)生了顯著變化，而流域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對洪澇災(zāi)害的治理提出更高的要求，如何科學(xué)合理地模擬流域洪澇災(zāi)情成為關(guān)鍵。多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對平原河網(wǎng)地區(qū)水情的數(shù)值模擬開展了大量研究，初步建立了一系列基于水文學(xué)、水動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型[3-8]，很多已經(jīng)用于區(qū)域洪澇災(zāi)害的模擬、預(yù)報和治理工作。在太湖流域，張念強(qiáng)等[9]以上海市浦西區(qū)為研究區(qū)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(wǎng)排澇單元模型并與二維洪水演進(jìn)模型耦合，開展風(fēng)暴潮影響下平原河網(wǎng)區(qū)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(yīng)用于陽澄淀泖區(qū)的洪水模擬。王靜等[11]針對圩區(qū)眾多的平原河網(wǎng)區(qū)域，基于已有的一、二維非恒定流水動力學(xué)理論建立的城市洪澇仿真模型，應(yīng)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(yè)軟件，產(chǎn)匯流模擬方式主要采用綜合徑流系數(shù)法等，較為粗糙，不適用于河網(wǎng)概化密度要求較高，水文水動力條件復(fù)雜，人類活動影響劇烈的較大尺度區(qū)域。二維水動力力學(xué)模型雖能精細(xì)化模擬洪水演進(jìn)，但其網(wǎng)格尺度一般較小，應(yīng)用于流域尺度的研究區(qū)時存在計算量過大導(dǎo)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(fā)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(tǒng)模型更是不能充分利用這些資料可靠地模擬流域洪澇災(zāi)情特性。

本文根據(jù)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(chǔ)信息，基于DEM數(shù)據(jù)及GIS空間分析技術(shù),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(gòu)建了可以模擬太湖流域洪澇淹沒狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，選擇典型暴雨洪水對構(gòu)建的模型進(jìn)行驗證。在此基礎(chǔ)上，針對極端天氣情景組合狀態(tài)，對太湖流域洪澇淹沒進(jìn)行模擬分析，為流域洪水風(fēng)險圖編制及洪水風(fēng)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(qū)16個水力計算分區(qū)的圩內(nèi)和圩外區(qū)域的產(chǎn)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(jìn)行產(chǎn)流計算，各單元區(qū)域的產(chǎn)流量則為各類下墊面產(chǎn)流量之和。平原區(qū)不同類型下墊面產(chǎn)流計算模式如下：

a.水面產(chǎn)流。計算公式為

R1=P-E1

(1)

式中：R1為水面產(chǎn)流量；P為降水量；E1為水面蒸散發(fā)量。

b.水田產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)流模型按不同參數(shù)進(jìn)行模擬[12]。

區(qū)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(jù)太湖流域平原河網(wǎng)的特點，將流域內(nèi)影響水流運動的因素分別以零維模型(湖、蕩、圩等零維調(diào)蓄節(jié)點)、一維模型(一維河道)以及聯(lián)系要素(堰、閘、泵控制建筑物等)3類要素進(jìn)行模擬，采用圣維南方程組模擬太湖流域一維河網(wǎng)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(cè)入流；vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量；K為流量模數(shù)；α為動量校正系數(shù)。

1.2 洪水淹澇分析模塊原理

淹澇模塊考慮了洪水漫溢導(dǎo)致的淹水，以及圩區(qū)因排澇動力不足、限排等原因?qū)е碌膬?nèi)澇積水。利用DEM數(shù)據(jù)以及GIS空間分析技術(shù)，對漫溢水量進(jìn)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(jìn)行水動力計算時，當(dāng)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(cè)向連接的水流，用以模擬洪水從河道漫流進(jìn)入河網(wǎng)多邊形內(nèi)部的過程。

1.2.2圩區(qū)內(nèi)澇模擬

圩內(nèi)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(diào)蓄單元，以簡化模型計算維度，提高計算效率。零維調(diào)蓄單元通過虛擬聯(lián)系與周圍河道進(jìn)行水量交換(圖1(a))。模型假定圩內(nèi)外河道的水量交換是通過一些微小溝渠實現(xiàn)的，這些微小溝渠總寬度就是虛擬聯(lián)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(lián)系的底高程設(shè)定為通過河段的底高程。根據(jù)DEM高程數(shù)據(jù)生成每個零維單元的水位-面積曲線(圖1(b))。降雨經(jīng)產(chǎn)流計算匯入零維調(diào)蓄單元，如果排水不暢則蓄積在零維要素中，根據(jù)零維單元的水位-面積曲線可以推求不同情況下對應(yīng)的淹沒水深，淹沒水量可按下式推算：

圖1 圩區(qū)零維調(diào)蓄單元設(shè)置示意圖

(5)

式中：∑Qi為進(jìn)出零維調(diào)蓄單元的水量；Az為調(diào)蓄單元內(nèi)水面面積。

對于設(shè)置為零維調(diào)蓄單元的圩，由于概化了與周邊河道的聯(lián)系，應(yīng)針對不同情況進(jìn)行排澇模擬。

a.常規(guī)調(diào)度模式：根據(jù)圩區(qū)資料，按照每個圩的實際調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)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(dāng)汛期外河水位過高，超過設(shè)定的危險水位時，需要對圩區(qū)進(jìn)行限排，以防止外河水位持續(xù)快速升高造成河道漫溢和圩堤潰決引發(fā)淹沒災(zāi)害。

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

2 模型構(gòu)建及驗證

2.1 洪澇淹沒模型構(gòu)建

基于現(xiàn)有的太湖流域河網(wǎng)模型，采用最新的下墊面、河湖水利工程資料進(jìn)行細(xì)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(xì)化后的平原區(qū)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(huán)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(qū)閘泵工程，合計863座。

太湖流域湖西區(qū)山前平原、圩區(qū)和東部及洮、滆湖兩岸地勢低洼，西南一線直接承接山區(qū)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(qū)位于太湖上游，是流域降水量最多的區(qū)域，由于山高坡陡，山洪下泄經(jīng)常引發(fā)長興平原洪澇；杭嘉湖區(qū)地勢低洼，河道水系紊亂，淤積嚴(yán)重，排水緩慢，頻繁發(fā)生洪澇。因此，本文選取湖西平原區(qū)、浙西區(qū)平原區(qū)和杭嘉湖區(qū)作為重點研究對象，對這3個水利分區(qū)內(nèi)近1 500個圩進(jìn)行了“零維調(diào)蓄單元”處理，通過虛擬聯(lián)系與周圍河道建立聯(lián)系進(jìn)行水量交換。太湖流域平原河網(wǎng)及圩區(qū)概化示意圖見圖2。

圖2 研究區(qū)域河網(wǎng)概化示意圖

在流域河道、湖泊、閘泵、堤防、圩區(qū)、控制線工程概化的基礎(chǔ)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(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，需要對模型進(jìn)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(qū)域分布資料，對比和分析模擬結(jié)果與實測狀況的差異，在分析模型的可靠性基礎(chǔ)上，對模型參數(shù)進(jìn)行率定和調(diào)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(wǎng)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(qū)代表站日均最高水位誤差也在0.1 m以內(nèi)。圖3為部分重點節(jié)點代表站模擬水位與實測水位對比。2016年湖西區(qū)受災(zāi)比較嚴(yán)重，洪澇災(zāi)情統(tǒng)計比較充分，重點模擬和分析了湖西區(qū)洪澇淹沒狀況，圖4為模擬湖西區(qū)淹沒范圍與實際調(diào)查受災(zāi)范圍對比。結(jié)果表明，模擬淹沒范圍主要集中在洮湖、滆湖西側(cè)和南側(cè)，基本與實際淹沒情況一致，宜興市基礎(chǔ)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(qū)淹沒模擬值303.0 km2，接近實際調(diào)查值353.4 km2。根據(jù)2016年的驗證成果，總體來看構(gòu)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(qū)模型模擬與實際調(diào)查受淹范圍

3 情景模擬分析

太湖流域成災(zāi)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(fēng)暴雨型，特點是降雨強(qiáng)度大、暴雨集中。臺風(fēng)與梅雨一旦遭遇，將會容易形成降雨的疊加效應(yīng),，增加威脅流域防洪安全的大洪水暴發(fā)的可能性[14]。2016年太湖流域發(fā)生梅雨型大洪水，梅雨量達(dá)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(qū)、武澄錫虞區(qū)及太湖區(qū)。太湖水位于7月3日超過設(shè)計水位，同時，1601號臺風(fēng)“尼伯特”在美國關(guān)島以南的西北太平洋洋面上生成，中間一度預(yù)報“尼伯特”臺風(fēng)要正面襲擊太湖流域。本文情景設(shè)計以2016年梅雨為背景，考慮“尼伯特”臺風(fēng)正面襲擊太湖流域，帶來200 mm的降雨，按2013年“菲特”臺風(fēng)降雨分布，暴雨中心主要在杭嘉湖區(qū)、浙西區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、浦東浦西區(qū)和太湖區(qū)。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)太湖水位繼續(xù)上漲并遭遇南部型200 mm臺風(fēng)雨時，主要受災(zāi)區(qū)集中在湖西區(qū)平原、杭嘉湖區(qū)，浙西區(qū)長興地區(qū)，3個區(qū)總的淹沒面積達(dá)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(qū)的淹沒范圍和淹沒水深分布見圖5，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1和表2。從3個區(qū)淹沒水深分布情況看，杭嘉湖區(qū)和浙西區(qū)總體上大部分淹沒水深在0.5 m以下，湖西區(qū)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(qū)、浙西區(qū)及杭嘉湖區(qū)淹沒水深分布

表1 淹沒范圍分類統(tǒng)計

表2 各分區(qū)淹沒面積與淹沒水深統(tǒng)計

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

4 結(jié) 論

a.基于太湖流域水文水動力模型，構(gòu)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(jù)太湖流域高度城鎮(zhèn)化地區(qū)復(fù)雜下墊面的產(chǎn)流規(guī)律，對不同下墊面分別采用不同的產(chǎn)流計算模式，并耦合了流域內(nèi)河道、湖泊、行蓄洪區(qū)、圩區(qū)、水利工程等水動力過程。引入圩區(qū)“零維調(diào)蓄單元”概念，可以較為精細(xì)化地模擬單一圩的閘泵調(diào)度，實現(xiàn)單一圩禁排、限排或排澇動力不足引起內(nèi)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(shù)。應(yīng)用新建模型模擬分析了流域梅雨與臺風(fēng)雨組合情景下的區(qū)域洪澇災(zāi)害狀況，結(jié)果顯示，淹沒主要集中在湖西區(qū)洮滆湖西側(cè)、南河沿線、宜興環(huán)太湖區(qū)域及杭嘉湖區(qū)太浦河南岸嘉北地區(qū)、嘉興西南部的桐鄉(xiāng)、海寧地區(qū)，嘉興市東南部等低洼地區(qū)。

太湖位于典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，影響因素組合多變且動態(tài)變化，特別是面廣量大的圩區(qū)，其調(diào)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(tǒng)的分析方法較為困難。本文結(jié)合GIS和水文水動力洪水模擬技術(shù)，通過產(chǎn)匯流模塊與圩區(qū)排澇動力學(xué)模塊耦合，針對設(shè)定情景影響區(qū)域的近1 500個圩區(qū)進(jìn)行“零維調(diào)蓄單元”處理，可以較為精細(xì)化地模擬單一圩排澇調(diào)控過程，實現(xiàn)對單圩的禁排限排功能，使圩區(qū)水情模擬更加符合實際，可以為圩區(qū)治理工作提供支持。