杭州市上塘河流域防洪能力分析

姬战生,张飞珍,孙映宏

(1.杭州市水文水资源监测总站,浙江 杭州 310016;2.杭州市南排工程建设管理处,浙江 杭州 310020)

随着经济社会的快速发展和城市化进程不断推进,人为改变行洪道、人为设障、侵占或填埋河道等人类与水争地的行为时有发生,使流域防洪能力不断下降,且其下降速度甚至快于防洪建设所提高的防洪能力[1],人为因素在一定程度上加剧了洪涝灾害发生的程度。在此背景下,对流域防洪能力的研究显得尤为重要。杭州市上塘河流域所在行政区主要是江干区和下城区,撤村建居、大规模房地产项目开发建设等使城市化进程不断加快,流域下垫面发生巨大变化,产汇流速度加快,洪水演进变得更加复杂,进一步校核流域的防洪能力十分必要。

平原河网地区地势平坦,水系发达,河道纵横交错,主支流间层次复杂,形成环状河网,不但受本区域天然来水影响,还与上游入流、支流来水、下游外海潮位 (或外江、湖水位)、水利工程调度等有密切联系,整个洪水演进过程极其复杂[2]。综合考虑地区可能的边界条件,建立水动力学模型,采用数值方法对区域范围内的洪水过程进行模拟,是目前较为有效的研究平原河网地区水力特性的手段。本文在实测水文、断面资料的基础上,依据流域内水利工程调度原则,利用MIKE11一维水动力模型HD和SO模块,模拟流域内河道洪水演进过程,确定上塘河流域整体防御能力。

1 基本情况

1.1 流域水系

上塘河水系杭州部分范围西北至上塘河分水岭,东至赭山港、规划京杭运河二通道,南至钱塘江,西至京杭运河,面积约171 km2。流域内河河网纵横交错,主要有备塘河、赭山港、乔司港、三义港、东风港、勤丰港、丁桥港、油车港、引水河、二号港、三号港、白石港、笕桥港、五号港等河流,外与钱塘江、运河、上塘河干流相沟通。

1.2 现有水利工程设施及其防洪调度

1.2.1 上塘河干支流主要水利工程及防洪调度

上塘河干支流主要排涝闸有五堡闸、姚家坝闸、德胜坝闸、日晖坝闸和施家桥闸,主要翻水站有德胜坝翻水站、姚家坝翻水站和备塘河翻水站。

因上塘河水系地势上高于运河水系,钱塘江一带地势稍高于腹地,雨洪经上塘河汇集后,以向运河排泄为主。当预报有大雨时,停止三堡排灌站和德胜坝翻水;当发生大雨时,打开施家桥、姚家坝、日晖坝、南应加河等水闸向运河排涝,打开余杭东风闸向海宁排涝,并加大七堡泵站排涝能力。

1.2.2 内河河网主要水利工程及防洪调度

为满足排涝、工农业用水和改善水环境,在上塘河流域内河河网上建有众多的排灌站、排涝站和节制闸以调节水流。主要翻水站有三堡排灌站、五堡排灌站;主要排涝闸有顾家桥闸、横河闸、三堡排涝闸、七堡船闸、全福闸、赤岸闸、东风闸等。主要节制闸多数分布在江干区运河东片,按河道的底高程划为彭埠片、笕桥片和丁桥片。彭埠片河道由御道闸、钱家闸、普福闸、朝北五圣闸和云峰闸等闸门控制;笕桥片河道由笕桥闸、钱福闸、闸斗门闸及顾家桥船闸等控制;丁桥片河道由上塘河沿线诸闸控制。

暴雨洪水期间,内河河网涝水通过钱塘江、运河、上塘河干支流向外排涝。其中,向钱塘江排洪主要通过五堡排灌站、七堡船闸等闸站;向运河排洪主要通过三堡排涝闸、顾家桥闸、横河闸等闸站;向上塘河干支流排洪主要通过全福闸、备塘河闸、赤岸闸、东风闸、勤丰闸、丁桥排涝站等闸站。

1.3 区域现状地形及高程

上塘河流域地势相对较高,多数地块(78.15%)高程在5.20 m以上。上塘河水系所处区域地形可分为2部分:一部分为山区,位于区域西北部,面积约9.1 km2,地势均在6.0 m以上,分水岭处高程最高达150 m。另一部分为平原地带,面积约161.9 km2,平原地带中地势较高处为南部钱塘江沿岸,大多数在6.0 m以上,最高达9.0 m;地势较低处为北部上塘河沿岸附近,半山、丁桥、星桥、临平等处部分地坪高程在4.8 m以下。

2 防洪水力计算

本文采用丹麦水利研究所 (DHI)研制的MIKE11河网一维数学模型水动力模块(HD)进行防洪水力计算。MIKE11是模拟一维水流、泥沙和水质的国际化工程软件,适合于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算。

2.1 水动力HD模型

一维水动力模型的Saint-Venant方程组[3-4]:

式中:x为距离坐标,m;t为时间坐标,m;A为过水断面面积,m2;Q为流量,m3/s;h为水位,m;q为旁侧入流量,m3/s;C为谢才系数;R为水力半径,m;g为重力加速度,m/s2。

HD模型利用Abbott 6点隐式格式离散上述控制方程组,该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,分别称为h点和Q点。该格式无条件稳定,可以在相当大的克朗数下保持计算稳定,可以取较长的时间步长以节省计算时间[5]。

2.2 水工建筑物的模拟

平原河网地区水力条件相当复杂,泵站、水闸、船闸、涵洞、堰等水工控制建筑物对河网水流形态影响很大。因此,在平原河网地区水动力模拟过程中,不仅要正确地模拟这些水工建筑物的位置、规模,而且还要准确地模拟其控制运行方式[6]。MIKE11系列软件中的水工建筑物模块(SO)功能非常强大,不仅可以模拟堰、闸、涵洞、泵、桥梁等各种水工建筑物,而且还能准确、灵活地模拟各种水工建筑物的调度规则。在这些建筑物处,圣维南方程组已经不再适用,MIKE11/SO模块也根据水工建筑物的水力学特征作了相应特殊处理。

MIKE11/SO模块中的可控结构物Control Str.功能最为强大,实用性最强,模拟难度也最大。模拟基本思路是,首先对可控结构物的位置、类型、各种属性进行定义;其次确定各调度方案的优先级;最后确定当前调度方案的调度控制方式。调度方案的优先级是if/else、if/end的关系,根据用户设定的优先级别依次往下执行其调度控制方式,并根据调度控制方式中的判断条件来判断是否执行此优先级调度方案。调度控制方式中主要有表格 (Tabulated)、PID算法、动量方程 (Momentum equation)、迭代 (Iterative solution)、全开 (Fully Open)、关闭 (Close)、保持不变(Unchanged)、随给定的质而变 (Change with)、等于某给定值 (Set equal to)等计算模式,用法灵活多变。根据实际经验,大多数情况下,计算模式采用Tabulated即可模拟现实许多可控结构物。

模型对上塘河干流及内部河网的节制闸、排涝闸、泵站等50余项水工建筑物分门别类进行概化,对上塘河干流的半山拱桥、宣杭铁路桥、永宁桥等阻水桥梁进行了详细勘测及概化,并依据杭州市城郊河道管理处提供的 《上塘河流域防洪调度规则》对水工结构物进行模拟调度,以准确模拟河道最高洪水位的实际情况。

2.3 边界条件

钱塘江采用五堡和七堡潮位边界;运河采用塘栖站水位边界;上塘河采用临平上水位边界。

2.4 河网概化

河网概化的基本原则是概化河网要基本反映天然河网的水力特性,即概化后的河网、湖泊在输水能力和调蓄能力2个方面必须与实际河网、湖泊相近或基本一致[7]。模型计算范围为整个上塘河水系杭州部分,并将边界适当扩大至京杭运河,最终将河网概化为121条河道,选用1 245个最新水域调查的实测断面资料,计算出各种水力条件下河道特征断面水位过程。河网概化情况见图1。

图1 河网概化图

2.5 模型验证

通过模拟研究区域1996年6月29日20时至7月6日8时的洪水过程,进行相关模型参数率定和检验,河道糙率优化取值范围为0.025～0.038[8]。区域内河道调查最高洪水位和计算最高洪水位比较见表1。

表1 验证洪水特征点最高洪水调查与计算值比较表 m

由表1可知,模型计算最高洪水位与实际调查最高洪水位吻合程度比较高,计算误差相对较小,参数率定合理,模型计算可靠,能较好地反映洪水演进规律,可以用于下一步防洪水力计算。

3 成果与分析

利用MIKE11一维水动力模型计算上塘河流域骨干河道5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇3种设计洪水条件下各桩号的最高洪水位值,并有代表性地选择部分河道桩号点的最高洪水位进行区域防洪能力分析,河网水力计算成果见表2,主要特征点位置见图2。

表2 河网内代表性河道桩号点最高洪水位计算表m

图2 河网水利计算主要特征点位置图

上塘河流域大部分区块地势较高,但上塘河和备塘河交界位置正好位于北部地势低洼区块,上塘河桩号9 830～16111 m沿岸和备塘河桩号11 117m附近,地势较低,堤顶高程基本在4.40～4.70 m。5a一遇设计洪水条件下,各河道最高洪水位远低于堤顶高程,在河道防御能力之内;10a一遇设计洪水条件下,上塘河该段河道最高洪水位在4.45 m左右,基本到达堤顶高程高度,且达到防御的上限;20a一遇设计洪水条件下,上塘河和备塘河该段河道最高洪水位在4.50～4.75m,高于河道堤顶高程。

综上分析,上塘河流域内河河网骨干河道现状的防洪能力不足20a一遇,上塘河现状的防洪能力不足10a一遇,整个上塘河流域现状防洪能力不足10a一遇。

4 结 语

上塘河流域多数地块地势较高,北部半山、丁桥、星桥、临平等处上塘河沿线地势较低。上塘河桩号9 830～16111 m沿岸堤顶高程仅为4.40～4.60 m,而现状工况10a一遇设计洪水条件下河道最高洪水位在4.25～4.45 m,已基本达到防御上限。因此,整个上塘河流域现状防洪能力不足10a一遇。

根据流域防洪调度规则,对平原河网地区泵站、闸、涵洞、桥梁等人工控制建筑物进行准确模拟非常困难,是建模的难点和重点。模型充分利用MIKE11水工建筑物SO模块的多功能性和灵活性,体现了该软件水工建筑物调节功能强大的突出优点,为平原河网地区众多繁杂的水工建筑物模拟提供了一种便捷、行之有效的解决办法,可在平原河网地区防洪水力计算中推广应用。

[1]刘兴华.流域防洪能力研究[D].南京:河海大学,2007.

[2]刘芹.平原河网水力计算及闸群防洪体系优化调度研究 [D].南京:河海大学,2006.

[3]Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Modeling System for Rivers and Channels Reference Manual[R].上海:Danish Hydraulic Institute,2007.

[4]Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Modeling System for Rivers and Channels User-Guide Manual[R].上海:Danish Hydraulic Institute,2007.

[5]卢士强.平原感潮河网水环境数学模型研究与应用 [D].上海:同济大学,2003.

[6]朱琰.太湖流域实时洪水预报调度系统研究[D].南京:河海大学,2003.

[7]杨松彬,董志勇.河网概化密度对平原河网水动力模型的影响研究 [J].浙江工业大学学报,2007,35(5):567-570.

[8]孙映宏,姬战生,周蔚.基于MIKE11 HD和NAM耦合模型在河流施工围堰对防洪安全影响分析中的应用与研究 [J].浙江水利科技,2009(2):30-34.