郭 磊，舒全英，劉 攀，熊夢(mèng)思，朱建友

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 杭州 310002；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院, 武漢 430072)

隨著防洪理念由“洪水控制”轉(zhuǎn)向“洪水管理”，防洪非工程措施已成為治理洪水的重要手段[1]。洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)作為一種重要的防洪非工程措施，能夠提早研判可能出現(xiàn)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，為制定防汛抗洪決策提供科學(xué)依據(jù)[2]。然而，傳統(tǒng)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖側(cè)重于展現(xiàn)預(yù)定情景下洪水淹沒(méi)情況[3]，在時(shí)效性和預(yù)報(bào)結(jié)合方面研究較少[4]。因此通過(guò)流域動(dòng)態(tài)預(yù)警預(yù)報(bào)來(lái)提高流域洪水管理水平的呼聲越來(lái)越高[5]，將洪水預(yù)報(bào)與洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析、影響評(píng)估結(jié)合起來(lái)，并構(gòu)建流域三維洪水演進(jìn)場(chǎng)景進(jìn)行成果展現(xiàn)，為洪水風(fēng)險(xiǎn)管理策略和政策提供支持[6，7]?；诖耍疚囊增椊饔?yàn)檠芯繉?duì)象，將流域氣象降雨預(yù)報(bào)、潮汐預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和影響評(píng)估、基層防汛責(zé)任體系等有機(jī)結(jié)合在一起，打通了數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警、預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)履職等各環(huán)節(jié)，為流域防汛調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

1 流域概況

鰲江是浙江省八大水系之一，是浙江省最南部水系，流域面積1 426 km2[8]。整個(gè)流域水系呈樹枝狀，干流全長(zhǎng)81 km，全段受潮汐影響。鰲江流域上游缺乏控制性防洪工程，加之河床高，過(guò)水?dāng)嗝嫘?，又受下游潮水及支流南港洪水頂托，流域洪?zāi)十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，建國(guó)至2008年末，影響鰲江流的臺(tái)風(fēng)共計(jì)123次，其中71次造成流域性較大災(zāi)害，即影響臺(tái)風(fēng)頻次約2 次/a，形成災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)比例超過(guò)60%。2008年以后，對(duì)鰲江流域造成較大影響的臺(tái)風(fēng)有2009年“莫拉克”臺(tái)風(fēng)、2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)、2015年“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)、2016年“鲇魚”等[9]。鰲江流域作為浙江省遭受洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重和頻繁的區(qū)域之一，開展洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)研究十分必要。

2 流域耦合模型構(gòu)建

由于鰲江流域洪水主要受山區(qū)流域洪水、水庫(kù)下泄、平原河網(wǎng)內(nèi)澇和潮水頂托影響，因此本次建立基于水文學(xué)方法的產(chǎn)匯流模型與基于水力學(xué)方法的河網(wǎng)水動(dòng)力模型耦合的洪水預(yù)報(bào)模型。模型將考慮整個(gè)流域情況，上下游邊界、區(qū)間水利工程調(diào)度影響以及區(qū)域內(nèi)山區(qū)與平原之間、平原河網(wǎng)與干流之間的連通性和相互影響，選取典型歷史洪水進(jìn)行模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證，并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，提取區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)要素和影響指標(biāo)。總體技術(shù)路線如圖1和圖2所示。

圖1 模型分析范圍圖

圖2 洪水分析總體思路圖

2.1 水文學(xué)模型

水文模型是探索和認(rèn)識(shí)復(fù)雜水文循環(huán)過(guò)程和機(jī)理的有效手段，也是解決許多水文實(shí)際問(wèn)題的有效工具[10]。洪水預(yù)報(bào)作為水文水資源中的一個(gè)重要分支，在水文學(xué)科的發(fā)展進(jìn)程中扮演著重要角色。在我國(guó)濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)新安江模型被廣泛應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)中[11-13]。

本次研究山區(qū)子流域及水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)采用三水源新安江模型。由于篇幅所限，本文僅介紹順溪水庫(kù)預(yù)報(bào)結(jié)果。順溪水庫(kù)是一個(gè)中型水庫(kù)，位于北港上游的順溪上，壩址以上集水面積92.3 km2，總庫(kù)容4 265 萬(wàn)m3。根據(jù)2003-2007年汛期中5月1日至9月30日1小時(shí)段水文資料，選取20050719和20060810場(chǎng)次洪水作為模型率定期，選取20070819和20071007兩場(chǎng)洪水作為模型驗(yàn)證期。采用混合算法率定模型參數(shù)，三水源新安江模型模擬效果如圖3和圖4所示，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 順溪水庫(kù)新安江模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表1可知，模型率定期和驗(yàn)證期的確定性系數(shù)分別為87.13%和90.04%，水量平衡系數(shù)分別為0.82和0.91，模擬效果較好，其確定性系數(shù)平均值為84%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率為100%。表明三水源新安江模型能夠?yàn)轹椊饔蛩畮?kù)洪水預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

圖3 率定期洪水過(guò)程實(shí)測(cè)與模擬過(guò)程線

圖4 驗(yàn)證期洪水過(guò)程實(shí)測(cè)與模擬過(guò)程線

2.2 水力學(xué)模型

本研究采用MIKE11對(duì)研究區(qū)一維河道洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算河道各斷面和潰口處的水位、流量過(guò)程線；采用MIKE21的水動(dòng)力模塊計(jì)算江西垟平原區(qū)內(nèi)的洪水淹沒(méi)過(guò)程，將一、二維模型通過(guò)MIKE FLOOD進(jìn)行耦合。

(1)MIKE11模型。一維模型計(jì)算范圍包括鰲江流域全境，包括南港、北港兩個(gè)流域，其中北港上邊界選擇順溪水庫(kù)下游順溪鎮(zhèn)斷面，下游選擇鰲江河口鰲江潮位邊界；南港上游選擇橋墩水庫(kù)壩下，下游經(jīng)朱家站匯入鰲江干流。主要支流如北港支流埭溪、帶溪、梅溪以及南港支流平水溪等均概化到計(jì)算模型，其他支流如岳溪、青街溪、鬧村溪、鳳臥溪、觀美溪等以入流(集中、分布)方式匯入，鰲江河口采用鰲江潮位站實(shí)測(cè)潮位。江西垟平原內(nèi)部概化了滬山內(nèi)河、蕭江塘河等主要河道。如圖5所示，模型總計(jì)概化斷面412個(gè)，邊界23個(gè)，調(diào)蓄概湖6個(gè)。

圖5 一維模型計(jì)算概化圖

(2)MIKE21模型。二維模型范圍主要為江西垟平原，概化范圍面積達(dá)84 km2。計(jì)算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格劃分，能較好的擬合計(jì)算區(qū)域，區(qū)域共計(jì)11 657個(gè)節(jié)點(diǎn)，22 460個(gè)三角形網(wǎng)格，三角形邊長(zhǎng)不超過(guò)100 m。網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 二維分析模型網(wǎng)格劃分

2.3 率定與驗(yàn)證

在洪水預(yù)報(bào)中，首先采用新安江模型預(yù)報(bào)支流、水庫(kù)以上流域的流量過(guò)程，而后再采用馬斯京根法演算到集中入流節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)流量作為水動(dòng)力模型的輸入條件。采用2009年“莫拉克”臺(tái)風(fēng)洪水率定模型，2016年“鲇魚”臺(tái)風(fēng)洪水驗(yàn)證模型(見(jiàn)圖7)。模型率定期和驗(yàn)證期分析結(jié)果如表2所示。

圖7 “鲇魚”臺(tái)風(fēng)鰲江干流站點(diǎn)洪水過(guò)程圖

由圖7和表2可知，鰲江干流埭頭站、水頭站以及麻步站水位模擬過(guò)程與遙測(cè)站觀測(cè)水位過(guò)程基本一致，模擬最高水位

表2 模型模擬結(jié)果

結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差均在0.10 m以內(nèi)，滿足驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際洪水的最大水位誤差(實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位之差絕對(duì)值的最大值)≤0.20 m的精度要求，表明模型能夠較好地模擬洪水期站點(diǎn)水位，可用于流域洪水動(dòng)態(tài)預(yù)警預(yù)報(bào)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

2016年鰲江流域受17號(hào)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響，平陽(yáng)縣面雨量352 mm，蒼南縣面平均降雨量336 mm。平陽(yáng)縣水頭鎮(zhèn)最高水位達(dá)11.38 m，超歷史最高水位0.88 m；麻步鎮(zhèn)最高水位達(dá)9.8 m，超歷史最高水位1.8 m；蒼南縣鰲江內(nèi)河最高水位達(dá)3.24 m，超警戒0.20 m，順溪水庫(kù)最高水位達(dá)191.36 m(汛限起調(diào)水位158 m)。根據(jù)耦合模型計(jì)算水位并繪制淹沒(méi)水深圖，見(jiàn)圖8。從圖8可以看出上游水頭鎮(zhèn)洪水淹沒(méi)最為嚴(yán)重，最大水深超過(guò)3 m，通過(guò)災(zāi)后對(duì)水頭鎮(zhèn)進(jìn)行洪水調(diào)查，其淹沒(méi)范圍和洪痕位置距離地面高度等情況與模型計(jì)算結(jié)果基本一致，表明模型計(jì)算成果是合理的，可用于實(shí)際洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖8 鰲江流域淹沒(méi)水深圖

4 結(jié) 語(yǔ)

以鰲江流域?yàn)槔暇W(wǎng)格化氣象降雨預(yù)報(bào)、海洋風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)成果，構(gòu)建了水文水動(dòng)力、洪水影響等多模型無(wú)縫耦合的全要素預(yù)報(bào)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度和面上社會(huì)要素的影響預(yù)報(bào)，并搭建鰲江洪水預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理平臺(tái)，打通了數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警、預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)履職等各環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)2016年“鲇魚”臺(tái)風(fēng)應(yīng)用驗(yàn)證，成果合理可信，為流域風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。