平湖市圩區外圍河網水位分析與預報

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，包括湖州市菱湖區、南潯區，德清縣的東部，嘉興市的嘉北地區及桐鄉市的西部，余杭南、北湖分洪區及中北苕溪之間圩區，西苕溪中游各圩區以及受太湖洪水位頂托影響的長興平原大部分地區等，以及以往被認為排水條件尚好的平湖市北部地區。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、南潯等站點水位接近歷史最高。

圩區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，分為整治圩區和自然圩區。整治圩區是指通過工程整治，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；自然圩區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域[1]。本研究的重點是整治圩區。平湖市共有圩區（含城防工程）30個，其中已整治圩區26個，正在建設圩區2個，待整治圩區2個。圩區總面積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）如果發生洪水，洪水的超標水平是多少，以及洪水的發生位置。

（2）引入防洪措施的影響。

（3）引入環境的長期變化影響。

（4）河流系統中的沉積物沉積，總體形態變化等。

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。

（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，蒸發量數據根據嘉興往年資料確定[5]，這里選取一日蒸發量3.096 mm。根據每個圩區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圩區外的水位和流量動態變化，為后續工程設計和管理提供科學依據。