胡靜雅，張仁貢，尹則高

（1.平湖市水利局，浙江 嘉興 314299；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.中國海洋大學，山東 青島 266100）

1 研究背景

平湖市隸屬浙江省嘉興市，位于嘉興市東南部，杭嘉湖平原東部，屬江南古陸外緣杭州灣凹陷，為一沖積平原。境內地勢平坦，略呈東南向北傾斜，平均海拔2.8 m，除東南沿海有呈帶狀分布的低丘和島礁外，其余為大片平原。歷史以來，受汛期梅雨及臺風暴雨影響，洪澇災害時有發(fā)生。如1999年梅雨季，平湖最高水位2.52 m。整個杭嘉湖遭受嚴重洪澇災害，受災范圍遍及平原河網及低洼地區(qū)，包括湖州市菱湖區(qū)、南潯區(qū)，德清縣的東部，嘉興市的嘉北地區(qū)及桐鄉(xiāng)市的西部，余杭南、北湖分洪區(qū)及中北苕溪之間圩區(qū)，西苕溪中游各圩區(qū)以及受太湖洪水位頂托影響的長興平原大部分地區(qū)等，以及以往被認為排水條件尚好的平湖市北部地區(qū)。如2013年10月，“菲特”臺風登陸，平湖最高水位2.46 m。東部平原降水中心為海寧、海鹽一帶，降水量自西南向東北逐漸遞減，全區(qū)最大24 h面雨量重現期約為35年，最大3 d面雨量重現期約為70年一遇。嘉興站出現歷史最高水位，烏鎮(zhèn)、南潯等站點水位接近歷史最高。

圩區(qū)是平湖市平原洪澇災害防治的重點水利工程。按照有無整治，分為整治圩區(qū)和自然圩區(qū)。整治圩區(qū)是指通過工程整治，圈圩筑堤及配套設置水閘、泵站，以外御洪水、內除澇水，從而形成封閉的防洪排澇保護區(qū)；自然圩區(qū)是指未通過工程整治，由行洪輸水河道天然分割成的保護區(qū)域[1]。本研究的重點是整治圩區(qū)。平湖市共有圩區(qū)（含城防工程）30個，其中已整治圩區(qū)26個，正在建設圩區(qū)2個，待整治圩區(qū)2個。圩區(qū)總面積185.11 km2，包圍線長度361.67 km，其中路堤64.10 km，總計調查測量圩堤斷面2 533個，總計調查測量排澇泵站、水閘、閘站429座。

2 計算理論與模型

2.1 數學模型及計算工具

本研究采用MIKE 11為計算工具，模擬河口、河流、灌溉渠道和其他水體的水流、水質和泥沙運移。主要解決以下問題：

（1）如果發(fā)生洪水，洪水的超標水平是多少，以及洪水的發(fā)生位置。

（2）引入防洪措施的影響。

（3）引入環(huán)境的長期變化影響。

（4）河流系統(tǒng)中的沉積物沉積，總體形態(tài)變化等。

MIKE 11的水動力(HD)模塊包含了洪水預報、平流擴散、水質和非黏性泥沙運輸等模塊，解決了連續(xù)性和動量守恒的垂直積分方程，即圣維南方程[2]，其微分方程為：

式中：Q為流量，x為距水道某固定斷面沿流程的距離，h為水深，b為斷面寬度，t為時間，g為重力加速度，A為橫截面面積。上述模型的前置邊界條件為：

（1）不可壓縮、均質流體。

（2）基本是一維流態(tài)。

（3）坡降小、縱向斷面變化。

（4）靜水壓力分布均勻。

2.2 模型結構

MIKE 11-HD模型包含的數據有流域描述、河網形狀、水工建筑物的位置、河道和灘區(qū)地形、河床斷面數據、模型邊界處水文測量數據、水工建筑物設計參數及調度運行規(guī)則、流域上的氣象數據。模型將以上數據存放在以下文件內：河網文件(.nwk11)、斷面文件 (.xns11)、邊界文件(.bnd11)、模型參數文件 (.hd11)、時間序列文件(.dfs0)，并以圖1的組織結構管理數據及進行模擬工作。

圖1 MIKE 11組織結構

2.3 模型設置

（1）平面河網數據

本研究一共選取了59條河流，12條骨干河流，47條圩區(qū)外非骨干河流，共384個計算點。

（2）斷面數據

根據浙江省水利水電勘測設計院提供的數據，確定47條圩區(qū)外非骨干河流斷面數據。

目前尚缺乏12條主干河流斷面數據。本研究利用網港橫斷面代替上海塘、廣陳塘、乍浦塘、搶塘頭。用薛家塘橫斷面代替放港河、大寨河、泖河、前市河、衛(wèi)國河、鹽船河、新港河、豐收河。網港和薛家塘橫斷面形狀如圖2所示。

圖2

（3）邊界條件

由于目前缺乏上述59條河上游流量和水位觀測數據，無法給定上游開邊界條件。本研究利用了2020年8月4日單日降雨量93.6 mm作為模擬降雨量。用暴雨強度與雨水流量公式程序（圖3）計算所建立河網模型上游流量邊界[3]。

圖3 暴雨強度與雨水流量計算程序界面

地域選擇與嘉興市自然條件相近的杭州市，暴雨強度公式[4]選擇杭州市建筑設計院編制的公式1，暴雨強度參數的選擇與單日降雨量93.6 mm相符合，雨水流量參數根據不同街道分別設置。

下游水位邊界選用2020年8月4日8個潮汐水位數據，如圖4所示。

圖4 8月4日潮汐水位

（4）初始配置

初始水位設置為1 m，糙率曼寧系數為0.033。降雨時間序列同邊界文件數據，蒸發(fā)量數據根據嘉興往年資料確定[5]，這里選取一日蒸發(fā)量3.096 mm。根據每個圩區(qū)的面積及河流數目推算出每條河流的流域面積，降雨后產生的徑流匯入各自對應河流，并導入河網文件中參與計算。取時間步長為20 min。

3 計算結果分析

（1）水位流量實時查詢軟件包

生成的河網文件如圖5所示。

圖5 生成河網示意圖

計算結果包括384個可輸出站位，提供每個站位每隔20 min的水位和流量數據。

（2）水位流量實時過程范例

以南走馬塘998 m里程站為例，其1 d內的計算水位和流量變化如圖8所示。從圖6可以看出所處位置的水位出現了周期性的規(guī)律變化，其周期與下游潮位周期基本一致。流量與水位基本呈現正相關關系，在一定工況下流量出現了負值，說明水流流向發(fā)生了相應改變。

圖6

也可選中某些河流進行流量和水位動態(tài)演示。圖7（a）和（b）分別給出了6條河的流量和7條河的水位等特征參數空間分布。

圖7

4 結束語

本次研究建立了平湖市圩區(qū)外圍河網水動力學模型，從平湖市水平臺數據倉庫中獲取的基于實測（預報）降雨資料，采用MIKE 11—HD進行計算，通過結果分析，預測未來24 h圩區(qū)外的水位和流量動態(tài)變化，為后續(xù)工程設計和管理提供科學依據。