预泄对平原河网洪涝灾害的影响分析

陈 飞

（绍兴市水利水电勘测设计院， 浙江 绍兴 312000）

1 问题的提出

绍兴市位于浙江省中北部、杭州湾南岸，东连宁波市，南临台州市和金华市，西接杭州市，全市总面积8 279 km2。绍兴平原位于绍兴市北侧，是绍兴市最发达地区，主要为越城区、柯桥区和上虞区的一部，面积为747 km2，高程主要在4.4 ~ 5.5 m。

绍兴平原属于曹娥江流域，萧绍运河水系，境内河网纵横，湖泊众多，大小河流共计约1 900 km，平原区现状水面率高达16%，素有“东方威尼斯”的美誉。

历史上绍兴平原既是一个洪涝灾害多发的地区，也是一个相对缺水的地区。梅汛期和台汛期洪水发生频率较高，严重威胁居民生命和财产安全；干旱极端天气也时有发生，给经济造成巨大损失。

2 水文模型

2.1 基本原理

水文演算采用MIKE11软件中NAM模型[1]。NAM水文模型是一个集总式的确定性概念模型，用于模拟流域内的降雨产汇流过程。它将土壤含水率分成积雪储水层、地表储水层、浅层或根区储水层和地下水储水层4个部分，分别进行连续计算以模拟流域中各种相应的水文过程。

2.2 水文分区

绍兴平原水文分区[2]主要根据本次研究范围内的主要公路、铁路及重要河道进行划分，南部山区则按照流域集雨面积进行划分，水文分区见图1。

图1 水文分区图

2.3 设计暴雨

选择绍兴平原具有代表性的4个站点（钱清、绍兴、富盛、马山闸）作为参照站，统计年最大1日、3日、7日同场雨量，面雨量计算采用泰森多边形面积权重法（见表1）。同时，绍兴平原南部尚有部分山区，其设计暴雨采用临近的漓渚站与尧郭站作为代表站。

表1 降水量站面积权重表

根据暴雨资料系列进行频率计算，经皮尔逊Ⅲ型曲线拟合得设计暴雨成果见表2。

表2 绍兴平原设计暴雨成果表

图2 绍兴平原最大1日、3日、7日暴雨频率曲线图

2.4 设计洪水

产流计算采用蓄满产流的简易扣损法。假定土壤最大含水率为100 mm，前期土壤含水率为75 mm，则初损为25.0 mm，最大24 h后损为1.0 mm/h，其余后损为0.5 mm/h。根据水利计算要求对平原内各地类进行产水计算。平原区各地类产流计算采用蓄满产流法。

推流计算按流域面积大小分别采用“浙江省瞬时单位线法”及“浙江水电院推理公式法”，计算成果见表3。

表3 南部山区设计洪水表

2.4 河口设计潮位

曹娥江河口的潮汐为非正规半日潮，潮波传入钱塘江至曹娥江河口时已显著变形，涨潮历时一般为3 ~ 4 h，不及落潮历时（约9 h）的1/2。对澉浦站潮位资料及与河口观测资料进行同步分析后移用至河口处。分析澉浦站设计高潮位资料后，相关推求河口设计高潮位成果见表4。

表4 曹娥江河口设计高潮位表

3 水动力模型

3.1 基本方程

水动力计算采用MIKE11中的HD模块[3]，本模型洪流演进计算的对象是平原河网，河道交错，水流流向复杂，计算采用一维非恒定流方法，圣维南偏微分方程组为：

方程组利用Abbott - Ionescu六点隐式有限差分格式求解圣维南方程（见图3）。该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott -Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

图3 Abbott格式水位点、流量点布置图

3.2 河网概化

MIKE 11 软件的优势在于将河道和水工建筑物高度集成在一起，水文和水动力模型可耦合计算，可视化和后处理功能强大。

本次模型概化了绍虞平原河网中“六纵五横”骨干河道及其间连接的重要河道计210余条，共计概化河道断面约4 000个；包含重要湖泊10个，规划和现状排涝闸、节制闸、泵站计12个，杭甬铁路和104国道涵洞50个。模型基本上涵盖绍兴平原区主要河道、全部的排水挡潮闸以及曹娥江上浦闸以下河段，综合现有河网、水闸和规划河道、泵站、排水挡潮闸的调蓄与排涝作用，适用于绍兴平原河道洪流演进的定量分析计算。绍兴平原河网水利计算概化见图4。

图4 绍兴平原河网水利计算概化图

模型概化了整个绍兴平原近60%的水域面积，其他河道均以调蓄水面的方式加到相邻的骨干及重要河道上。

3.3 边界条件

模型研究范围[4]为：东侧为曹娥江，南侧为南部山区的山脊线，西侧和北侧与萧山交界。上边界：南部山区18个流量边界+曹娥江上浦闸流量边界；下边界：北部与萧山交界处为萧山边界水位，下游与钱塘江交界处为潮位边界。

4 模型率定和验证

4.1 模型率定

根据多年洪涝资料分析，选用洪涝发生时间较近，降雨情况较为典型，实测资料较完整的2013年“菲特”台风暴雨过程进行参数率定[5]计算。经调试后按以下3方面进行率定。

4.1.1 平原河网水位—容积曲线校验

表5为不同水位高程下，概化蓄水量与实际调蓄水量对比表（水位站为绍兴站）。从表5可以看出，相同水位高程下，概化蓄水量与调蓄水量基本一致，相对误差较小。4.1.2 参证站水位

表5 河网水位容积关系表

本次选取绍兴平原具有代表性的2个水位站作为验证站点，选定参数情况下各参证站水位过程成果见图5。

图5 “菲特”台风洪水各参证站水位过程线图

从计算成果可以看出，实测水位过程线与计算值吻合较好，综合反映了排涝演进计算方法及拟定的参数是合理的。

4.1.3 总水量平衡

总水量平衡主要包括2个方面：平原河网进出水量平衡和曹娥江进出水量平衡。

“菲特”台风洪水期间（从2013年10月6 — 10日），平原河网内水位从3.90 m到5.02 m，再回到4.30 m。率定结果见表6。

表6 水量平衡结果表

从表6可以看出，平原区和曹娥江进出水量计算差值与实际调蓄量相比，误差均在5.0%以内，计算结果合理。

4.2 模型验证

本次模型还对“120618”梅雨进行验证计算，参证站计算最高水位见表7。

表7 参证站率定计算成果表

从表7可以看出，参证站计算最高水位与实测最高洪水位十分接近，差值均在2.00%以内。

以上验证结果表明，本次所建数学模型和水利计算所选参数是合理的，能够为河网预泄提供计算支持。

5 预泄分析

由于2013年“菲特”台风期间绍兴站水位为有历史记录以来第二高水位，且时间晚于曹娥江大闸建造的时间，洪水造成巨大的经济损失，因此以本次台风为例分析预泄对绍兴平原的影响。

曹娥江河口大闸于2008年底完工并运行，由此改变了曹娥江受钱塘江潮水影响较大的历史，也为下游高潮位时依然可以采用泵站强排提供了有利条件。

2013年“菲特”台风时，由于气象预报及时，绍兴平原河网提前预泄[6]，由常水位3.95 m泄至低水位3.60 m，共计排泄水量约3 300万m3。以绍兴站和赵墅站为例，利用模型对非预泄情况下平原河网水位进行还原，计算结果见图7，8。

图6 绍兴站预泄对比图

图7 赵墅站预泄对比图

从图6、图7可知，洪水提前预泄的情况下，平原河网代表站绍兴站最高洪水位5.02 m，相对于非预泄情况下最高洪水位5.18 m下降了0.16 m；赵墅站最高洪水位4.88 m，相对于非预泄情况下最高洪水位5.05 m下降了0.17 m。高水位（指＞4.70 m（农田高程）的水位）持续时间对比见表8。从表8可以看出，相对于非预泄情况，提前预泄时绍兴平原高水位持续时间能够减少9 ~ 10 h。

表8 高水位持续时间对比表 h

由于绍兴平原各频率洪水位原本相差较小，因此最高洪水位降低0.16 ~ 0.17 m，且高水位持续时间减少9 ~ 10 h，对于整个平原防洪排涝具有重大意义。同为“菲特”台风影响较大地区，上虞经济损失16亿元，死亡4人，绍兴平原（越城区和柯桥区）经济损失7亿元，无人员伤亡。

6 结 论

（1）针对绍兴平原河网的特点，建立基于水文与水力学相结合的水利计算模型。

（2）利用模型对2013年“菲特”台风进行预泄和非预泄对比，分别从最高洪水位和高水位持续时间进行分析，平原河网提前预泄具有重大意义。本模型具有较强的理论依据和应用价值，为绍兴平原水利工程提供理论支撑，也为后续绍兴平原洪水预报提供一定基础。仍需进一步讨论的问题：①需对在不同预泄水位情况下，分别对平原河网最高洪水位和高水位持续时间的影响进行分析，以选出最适合的预泄水位；②需在更多的洪水预报中进行验证和完善，对模型进行进一步优化，在此基础上，开发出洪水预报模型。