蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)洪水淹澇模型建立及應(yīng)用

李淮東

（江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇蘇州215128）

蘇南運(yùn)河自北向南穿越太湖流域腹地，流經(jīng)區(qū)域河湖水系交匯，作為流域河網(wǎng)中一條橫貫?zāi)媳钡目v向骨干泄水通道，運(yùn)河水位水量時(shí)空變化直接影響沿線流域、區(qū)域及城市防洪排澇安全［1］。運(yùn)河上游區(qū)域地勢(shì)三面高亢，腹部低洼，局部高低地相間，山圩相連，源短流急，一旦遭遇流域性和區(qū)域性洪水，江湖水位并漲，排水十分困難，極易發(fā)生淹澇險(xiǎn)情。加之近年來(lái)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，下墊面變化、水利工程建設(shè)與調(diào)度對(duì)區(qū)域引排格局均產(chǎn)生了較大影響，對(duì)該區(qū)域落實(shí)“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”措施，提升水安全保障能力提出了更高的要求。

蘇南運(yùn)河及其周邊河網(wǎng)作為主要輸水通道，在區(qū)域防洪過(guò)程中起水量調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移作用，但是進(jìn)入汛期，在區(qū)域河網(wǎng)底水偏高、受外江潮位頂托導(dǎo)致沿江口門(mén)排水不暢的情況下，若遭遇梅雨或臺(tái)風(fēng)雨等不利因素時(shí)，蘇南運(yùn)河及周邊河網(wǎng)水位易出現(xiàn)快速上漲，部分防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的河段甚至?xí)l(fā)生洪水漫堤險(xiǎn)情。本文以蘇南運(yùn)河上游鎮(zhèn)江段及其周邊河網(wǎng)區(qū)域作為研究對(duì)象，考慮山區(qū)水庫(kù)調(diào)度、圩區(qū)控制運(yùn)用及骨干工程實(shí)際運(yùn)行情況，構(gòu)建基于4 類下墊面的水文水動(dòng)力地形耦合的洪水淹澇模型，選取2021年汛期開(kāi)展模擬驗(yàn)證，并對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”期間洪水淹澇情況進(jìn)行情景模擬，旨在為該區(qū)域防洪調(diào)度及洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供決策支撐。

1 洪水淹澇模型原理

1.1 總體架構(gòu)

蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)洪水淹澇模型主要由水文模塊、水動(dòng)力模塊及洪水淹澇計(jì)算模塊耦合組成，水文模塊通過(guò)接入降雨蒸發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)產(chǎn)水模擬，山丘區(qū)及平原區(qū)產(chǎn)水以流量邊界的形式與水動(dòng)力模塊耦合，并關(guān)聯(lián)研究區(qū)域下游水位邊界及區(qū)域內(nèi)部江、河、湖、庫(kù)、圩實(shí)況調(diào)度信息，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力模擬。洪水淹澇計(jì)算模塊將區(qū)域二維DEM柵格地形與水動(dòng)力模塊進(jìn)行耦合，模擬區(qū)域破圩漫堤、洪水演進(jìn)及受淹情況。最后，通過(guò)調(diào)用模型發(fā)布的Webservice 接口，實(shí)現(xiàn)淹澇模擬成果調(diào)用與展示，為區(qū)域防洪預(yù)警決策提供技術(shù)支持，洪水淹澇模型總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 洪水淹澇模型總體架構(gòu)

1.2 水文及水動(dòng)力模塊

蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)下墊面在空間分布上差別較大，根據(jù)目前資料情況，本次蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)根據(jù)四大類土地利用類型即水面、水稻田、旱地及非耕地和建設(shè)用地分布，采用不同的產(chǎn)匯流機(jī)理［1］分布式計(jì)算形成產(chǎn)水過(guò)程。各類下墊面產(chǎn)水計(jì)算模式如下：

（1）水面，水面日產(chǎn)流深等于降水量與蒸發(fā)量之差，即

式中：RW為水面凈雨深，mm；P為水面上日降水量，mm；E為水面蒸發(fā)量，mm。

（2）水稻田，水稻生長(zhǎng)期及非生長(zhǎng)期，在非生長(zhǎng)期采用與旱地及非耕地一致的模擬方式，生長(zhǎng)期水稻田產(chǎn)水則根據(jù)作物需水過(guò)程及水稻田適宜水深上、下限，耐淹水深等因素，逐日進(jìn)行水量平衡計(jì)算，推求水田產(chǎn)水深。即

式中：H0為田間水深，mm；H1時(shí)段初田間水深，mm；P為時(shí)段內(nèi)降水量，mm；E為時(shí)段內(nèi)水面蒸發(fā)量，mm；α為水稻的需水系數(shù)；Hs為平均適宜水深，mm；Hm為耐淹水深，mm；He為水田最大日排水深，mm；f為田間滲漏，mm。

（3）不透水面，建設(shè)用地不透水面產(chǎn)水公式為

式中：Rc為不透水地表日徑流深，mm；C為徑流系數(shù)；P為日降水量，mm；d為填洼水深，mm。

旱地及非耕地、建設(shè)綠地等透水地面，均采用蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行模擬［2］，匯流過(guò)程則采用分布式匯流單位線法［3-4］以河網(wǎng)多邊形為單元綜合考慮其距河道垂直距離及河道過(guò)流能力等因素，計(jì)算其產(chǎn)水匯入周邊河道的時(shí)空過(guò)程。水動(dòng)力模塊以河道斷面、零維湖泊、閘泵工程上下游聯(lián)系等作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，以流量及水位作為邊界條件，采用4點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程組，實(shí)現(xiàn)了水文水動(dòng)力步長(zhǎng)級(jí)耦合。

1.3 洪水淹澇計(jì)算模塊

在水動(dòng)力模擬中，分別建立河道外滯澇單元、圩內(nèi)零維內(nèi)澇單元與一維河道節(jié)點(diǎn)耦合關(guān)系，當(dāng)河道斷面節(jié)點(diǎn)計(jì)算水位高于堤頂高程時(shí)，對(duì)河道外滯澇及圩區(qū)內(nèi)澇進(jìn)行模擬。

（1）滯澇單元。針對(duì)河道外非圩區(qū)面積上洪水淹澇計(jì)算分析，采用DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)和GIS 空間分布數(shù)據(jù)生成具有柵格高程點(diǎn)的滯澇單元，如圖2（a）所示，當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，滯澇單元根據(jù)每個(gè)柵格內(nèi)4 類下墊面產(chǎn)水扣除匯水計(jì)算本地澇水，當(dāng)河道節(jié)點(diǎn)計(jì)算水位高于河道堤頂高程時(shí)發(fā)生洪水漫堤，采用堰流公式計(jì)算與滯澇單元的水量交換，并與當(dāng)前柵格4類下墊面產(chǎn)水疊加計(jì)算淹澇水深變化過(guò)程。

圖2 洪水淹澇模擬單元

（2）內(nèi)澇單元。由于圩內(nèi)地勢(shì)平坦，圩區(qū)內(nèi)澇水量主要參與水量調(diào)蓄平衡計(jì)算，假定圩區(qū)為零維，基于DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)生成水位-面積-庫(kù)容曲線，并建立內(nèi)澇單元與圩外河道節(jié)點(diǎn)間的水量交換關(guān)系，當(dāng)河道節(jié)點(diǎn)計(jì)算水位高于圩區(qū)堤頂高程時(shí)，采用堰流公式計(jì)算與內(nèi)澇單元的水量交換，并根據(jù)水位-面積-庫(kù)容曲線統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)淹澇面積。

2 模型構(gòu)建

2.1 建模范圍

本次建模范圍涉及太湖流域中鎮(zhèn)江市的面積2 142 km2，其中水面、水田、旱地及非耕地和建設(shè)用地面積占比分別為6.7%、32.5%、33.3%和27.5%。北側(cè)考慮沿江工程引排調(diào)度，構(gòu)建一維長(zhǎng)江模型，采用上游大通流量、下游江陰潮位作為邊界，河網(wǎng)區(qū)上游按照分水嶺劃分23個(gè)山丘區(qū)子流域，采用子流域出口流量過(guò)程作為河網(wǎng)區(qū)上游流量邊界，下游以蘇南運(yùn)河九里鋪及丹金溧漕河水位作為邊界。為反映該區(qū)域引排格局及水流動(dòng)力條件，細(xì)化79條骨干河道，總長(zhǎng)739.4 km，概化1 km2面積以上圩外湖泊3座，工程建模范圍涉及中型水庫(kù)、沿江引排工程及骨干河道控制工程共27座。

2.2 洪水淹澇計(jì)算模塊構(gòu)建

建模范圍內(nèi)共涉及圩區(qū)51 座，圩區(qū)面積占比12.8%，平均排澇模數(shù)1.04 m3/（s·km2），概化上述圩區(qū)并對(duì)圩區(qū)單元進(jìn)行水位—面積—庫(kù)容曲線插值，對(duì)平原區(qū)骨干河道外面積按照500 m×500 m網(wǎng)格進(jìn)行柵格劃分，共形成6 152個(gè)網(wǎng)格單元，洪水淹澇模型構(gòu)建成果見(jiàn)圖3。

圖3 洪水淹澇模型構(gòu)建成果

圖3 丹陽(yáng)、四明河口站計(jì)算與實(shí)測(cè)水位過(guò)程對(duì)比

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì)水文水動(dòng)力及淹澇計(jì)算各模塊模型參數(shù)進(jìn)行率定，選取2021年汛期5—9月實(shí)況降雨、骨干工程引排及上下游水位流量邊界數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)重要河道代表站點(diǎn)及水庫(kù)水位過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)比分析模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差，驗(yàn)證模型合理性。

經(jīng)參數(shù)率定，蘇南運(yùn)河上游鎮(zhèn)江段代表水位站點(diǎn)丹陽(yáng)站和四明河口站水位過(guò)程如圖4所示。汛期5—9月，丹陽(yáng)站站和四明河口站日均計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位過(guò)程擬合較好，丹陽(yáng)站日均最高計(jì)算水位與實(shí)測(cè)值誤差2 cm，四明河口站日均最高計(jì)算水位與實(shí)測(cè)值誤差1 cm。模擬成果表明，該模型能夠反映汛期蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)河網(wǎng)實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)情況，在實(shí)測(cè)降雨和實(shí)測(cè)邊界條件確定的情況下，按照水量平衡原理可知，模擬成果可靠性較高，可用于進(jìn)一步開(kāi)展區(qū)域淹澇影響分析。

3 淹澇分析案例

3.1 臺(tái)風(fēng)“煙花”實(shí)況

2021年第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”于18日凌晨2時(shí)在西北太平洋洋面上生成，25 日和26 日在浙江2 次登陸，27 日上午移出太湖流域并于30 日20 時(shí)停止編號(hào)。臺(tái)風(fēng)“煙花”移動(dòng)速度慢，滯留時(shí)間長(zhǎng)，在24—29日影響期間，蘇南運(yùn)河上游鎮(zhèn)江段沿線大部分地區(qū)累積降水量超300 mm，28 日17—18 時(shí)鎮(zhèn)江站小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)76.7 mm，達(dá)到30 年一遇，鎮(zhèn)江站、四明河口站最大90分鐘降水量分別達(dá)到83 mm和94 mm，均超鎮(zhèn)江站歷史。24—31日丹陽(yáng)站日降雨及每日8點(diǎn)時(shí)刻水位過(guò)程如圖5所示，28日6時(shí)丹陽(yáng)水位超警，一直持續(xù)至30日0時(shí)，水位下降至警戒水位以下。

圖5 丹陽(yáng)站臺(tái)風(fēng)“煙花”場(chǎng)次降雨及水位過(guò)程

沿江工程調(diào)度方面，21日16時(shí)提前調(diào)度諫壁節(jié)制閘、九曲河閘關(guān)閘停引預(yù)降。7 月24 日15：30 調(diào)度諫壁抽水站、九曲河抽水站開(kāi)機(jī)抽排，進(jìn)一步預(yù)降湖西區(qū)河網(wǎng)水位，臺(tái)風(fēng)影響期間全力抽排，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，24—31日沿江諫壁樞紐和九曲河樞紐累計(jì)排水量分別為6 627萬(wàn)m3和6 038萬(wàn)m3，見(jiàn)圖6。

圖6 臺(tái)風(fēng)“煙花”影響期沿江諫壁樞紐、九曲河樞紐工程日排水過(guò)程

3.2 淹澇模擬分析

“煙花”影響期間研究區(qū)域局部發(fā)生淹澇，受淹面積模擬成果（表1）可知，隨著區(qū)域面降水量持續(xù)增強(qiáng)和河網(wǎng)底水持續(xù)抬升，受淹面積自24日起呈現(xiàn)逐日增加趨勢(shì)，30 日受淹范圍最大，受淹面積達(dá)161 km2，其中淹沒(méi)水深>1 m 的受淹面積占1.05%，31 日隨著降雨停止、河網(wǎng)水位下降及外排能力增強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)洪水淹澇情況得到較大緩解。

表1 2017—2019年新疆兵團(tuán)服務(wù)站服務(wù)情況統(tǒng)計(jì)

26—31日研究區(qū)域受淹范圍變化如圖7所示，其中，26—28日主要受淹區(qū)域集中在鎮(zhèn)江市京口區(qū)沿江局部地勢(shì)低洼區(qū)域及沿江圩區(qū)，29—30日主要受淹區(qū)域集中在蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段下游及丹金溧漕河沿線，31日開(kāi)始受淹面積逐漸減小。

圖7 26—31日受淹范圍變化

針對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”區(qū)域淹澇模擬成果，進(jìn)一步分析洪澇災(zāi)情成因，26—28日沿江零星低洼區(qū)域產(chǎn)生積水的主要原因是受地形及圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)偏低影響，圩區(qū)抽排能力不足。丹陽(yáng)站水位28日23：55最高達(dá)6.77 m，超警戒1.17 m，30日0：15回落至警戒水

位以下，29—31日蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段下游沿線及丹金溧漕河沿線地區(qū)受淹，主要原因是下墊面分布影響導(dǎo)致平原區(qū)柵格產(chǎn)水時(shí)空分布不均，加之區(qū)域周邊河網(wǎng)水位超警，部分河道水位上漲發(fā)生漫堤，造成該區(qū)域較大范圍淹澇，31 日河網(wǎng)水位下落后，區(qū)域澇水外排效果明顯。

4 結(jié)論與建議

本文基于水文、水動(dòng)力及洪水淹澇計(jì)算模塊耦合構(gòu)建了蘇南運(yùn)河上游鎮(zhèn)江段及其周邊河網(wǎng)區(qū)域洪水淹澇模型，根據(jù)不同下墊面采用不同的產(chǎn)匯流計(jì)算模式，細(xì)化了區(qū)域內(nèi)一維河道、零維湖泊、中型水庫(kù)、閘泵工程及圩區(qū)調(diào)度等模型要素，創(chuàng)建了“滯澇單元”和“內(nèi)澇單元”兩類區(qū)域淹澇模擬方法，并對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”期間區(qū)域河道代表站水位模擬精度進(jìn)行分析，最后對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”影響時(shí)段區(qū)域受淹范圍進(jìn)行模擬分析，為區(qū)域洪水預(yù)警及防御提供技術(shù)支撐。

研究成果表明，洪水淹澇模型能夠反映汛期蘇南運(yùn)河上游河網(wǎng)區(qū)河網(wǎng)實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)情況，隨著近年來(lái)下墊面及河湖水系變遷，區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)格局產(chǎn)生較大變化，區(qū)域地形、圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)、河道防洪標(biāo)準(zhǔn)及工程調(diào)度是影響區(qū)域淹澇及演進(jìn)的重要因素。為加強(qiáng)蘇南運(yùn)河沿線防洪排澇及聯(lián)合調(diào)度能力，建議進(jìn)一步強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)及骨干河道防洪標(biāo)準(zhǔn)分析論證，持續(xù)開(kāi)展洪水淹澇模型滾動(dòng)率定，結(jié)合工程實(shí)際控制運(yùn)行情況，分析優(yōu)化調(diào)度可行性，為區(qū)域防洪預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能完善及蘇南運(yùn)河聯(lián)合調(diào)度決策提供科學(xué)依據(jù)。