平原感潮河網城市地區(qū)水文模型與水動力模型的耦合(上海水務)

1、平原感潮河網城市地區(qū)水文模型與水動力模型的耦合殷健1 季彩華2 孟鉦秀2 周全2 梁珊珊3 周國華2 (1. 上海市水文總站，上海 200232；2. 上海市浦東新區(qū)水文水資源管理署，上海 200129；3. 上海市排水管理處，上海 200001)摘要：采用數(shù)值方法構建河網模型，對平原感潮河網城市地區(qū)進行降雨徑流和河道水流模擬。應用MIKE11軟件，建立上海浦東新區(qū)水文學、水動力學模型。根據新區(qū)排澇模式，劃分水文模型集水區(qū)，并與水動力模型耦合。依據河道水文實測數(shù)據，完成水文、水動力模型參數(shù)耦合率定，反映河網水位流量對降雨徑流的響應。關鍵詞：平原感潮河網；水文模型；水動力模型；MIKE11模型；

2、NAM模型；降雨徑流；集水域劃分；模型率定Coupling of hydrological and hydrodynamic models in plain tidal river-networks urban areaYIN Jian1 JI Cai-hua2 MENG Zheng-xiu2 ZHOU Quan2 LIANG Shan-shan3 ZHOU Guo-hua2(1.Hydrological Master Station in Shanghai, Shanghai,200232,China, 2. ShanghaiPudongNewAreaHydrologyandWaterRes

3、ourceAdministration, Shanghai,200129,China, 3.Shanghai Municipal Drainage Administration, Shanghai,200001,China)Abstract: Using the river network model established by the numerical method, the rainfall-runoff and hydrodynamic in the plain tidal river network city area were modeled. Rainfall-runoff a

4、nd river network hydrodynamic model in the Pudong new area were constructed by MIKE11 model. The catchments in rainfall-runoff model were divided by the models of drainage, and links to hydrodynamic model were also set. Finally the combined model was calibrated and verified by the simulated runoff p

5、rocess and the hydrologic data measured in situ and the impact of rainfall-runoff from catchments to the river network was really simulated.Key words: plain tidal river-networks; hydrological model; hydrodynamic model; MIKE11; NAM model; rainfall-runoff; catchments delineation; model calibration and

6、 verification1 引言平原感潮河網城市地區(qū)人口眾多，經濟發(fā)達，同時河道湖泊密布，地勢低洼易澇。區(qū)域受季風活動和潮汐作用影響顯著，汛期往往出現(xiàn)上游洪水、當?shù)乇┯辍⑾掠纬毕叭鲱^”情形，防洪排澇形勢嚴峻。要合理解釋平原感潮河網城市地區(qū)的水文現(xiàn)象，宜采用數(shù)值方法構建河網模型進行模擬，即水文模型、水動力模型正確模擬及耦合。2 商業(yè)化水文水動力學數(shù)學模型軟件綜述隨著計算機數(shù)值模擬技術的發(fā)展，商業(yè)化水文水動力學數(shù)學模型軟件已在防汛洪水預報、水資源水質管理、水利工程規(guī)劃設計等領域得到廣泛應用，其中具代表的有：DHI系列、SMS、Delft3D、HEC、Wallingford等。2.1 MIKE

7、11模型丹麥水力研究所（DHI）的MIKE系列軟件主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其它內陸水域的水文、水力學、水質和泥沙傳輸模擬。其中的一維河網水動力水質模型系統(tǒng)MIKE11已應用于我國七大流域相關管理和科研部門，并在長江三峽水庫預報調度、上海市蘇州河流域治理、松花江洪水管理等項目中發(fā)揮了重要作用。MIKE11模型基于垂向積分的質量和動量守恒方程（圣維南方程組）。方程組采用Abbott六點隱式有限差分離散，追趕法求解，計算網格布置方式為水位點流量計算點交錯網格，于斷面位置處設置水位點，相鄰水位點間及水工建筑物處設置流量點。2.2 MIKE11模型耦合MIKE11模型系統(tǒng)集成了降雨徑流、水動力、水

8、質等多種模型，借助模型間的相互耦合，系統(tǒng)可解決平原感潮河網城市地區(qū)雨洪、河網水利、水生態(tài)環(huán)境等數(shù)值模擬問題。MIKE11水文模型，既降雨徑流模塊（Rainfall-Runoff Model，RR模塊），支持NAM、UHM、SMAP、FEH等多種水文模型。其中，集總式概念型模型NAM成熟穩(wěn)定，運用很廣。MIKE11水動力模型由水動力模塊（Hydrodynamic Model，HD模塊）和水工建筑物操作模塊（Structure Operation Model，SO模塊）構成，其中HD模塊以求解明渠水流圣維南方程組為基礎，SO模塊則提供了根據用戶定義的操作規(guī)則模擬水工建筑物運行的功能。MIKE11水

9、質模型由對流擴散模塊（Advection-Dispersion Model，AD模塊）及Ecolab模塊（Ecolab Model，WQ模塊）組成，其中AD模塊用于求解溶解物或懸浮物的一維對流擴散方程， WQ模塊則用于河流湖泊水質模擬及預報生態(tài)系統(tǒng)響應。水文與水動力模型耦合：利用NAM模型通過連續(xù)計算多個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產匯流過程，并通過建立徑流與河道的連接反映降雨對河網水流的影響。本文旨在就平原感潮河網城市地區(qū)水文模型與水動力模型的耦合開展探討。2.3 水文與水動力模型的耦合過程根據雨量站位置利用泰森多邊形劃分集水區(qū)。每個集水區(qū)輸入模型建模所需降水及蒸發(fā)時間序列，并提供同

10、一時間序列的實測流量數(shù)據?；诙嗄繕藘?yōu)化策略，依據不同率定目標達到最佳的要求，利用集水區(qū)出口斷面實測數(shù)據對主要參數(shù)進行自動優(yōu)化率定。依照集水區(qū)中河道長度占集水區(qū)覆蓋河網總長度的比率將集水域面積分配至各河道，構建產匯流過程與河網的聯(lián)接，將降雨徑流模擬結果反映至水動力模型。2.4 當前耦合方式中存在的不足城市區(qū)域下墊面不透水性增強和排水系統(tǒng)變化改變了降雨徑流規(guī)律：降落在城市區(qū)域的雨水，部分經產匯流后形成地面徑流、壤中流和地下徑流并匯入河網；部分徑流由地下管網收集后匯入特定河道；部分城區(qū)降雨形成地面徑流后進入排水管道經管網匯流至雨水泵站再強排入河道，其中部分合流泵站同時接納集水區(qū)雨水及工業(yè)和生活污水

11、，當污水管道輸送能力不足時，超出部分被溢流至河道。NAM模型參數(shù)自動率定所需的集水區(qū)出口斷面實測流量過程在實際運用中較難獲取。應用中應先完成水文模型與水動力模型的建模及耦合，隨后在模型率定階段進行泵站流量率定以及通過選擇合適的斷面，采取對模擬成果及實測結果進行過程線比對和數(shù)值比較的方式，調整率定模型參數(shù)。平原感潮河網地區(qū)，沒有真正意義上的流域或集水區(qū)，應用中應以水利工程設施控制影響范圍為空間單元進行模型計算。NAM模型參數(shù)中坡面流系數(shù)對水文模型的產匯流過程及水動力模型的水量輸入具有顯著影響。應用中需在考慮平原感潮河網地區(qū)城市化狀況和自然地表特性條件的基礎上，經由合理水文下墊面分類及準確不透水面

12、積計算，獲得有效坡面流系數(shù)，從而盡可能真實模擬地表徑流。 本文以浦東新區(qū)河網模型為例，就水文和水動力模型的建模、耦合、率定等方面展開討論。3 浦東新區(qū)河網模型介紹浦東新區(qū)屬受強人工調控的平原感潮河網城市地區(qū)。新區(qū)河道縱橫密布，水系結構復雜，外圍由長江口和黃浦江水域環(huán)抱，區(qū)內水位受沿江沿海泵閘控制，既承上游區(qū)域來水，又受沿海潮汐影響，并常遇臺風且伴隨暴雨和高潮的侵襲，易形成風暴潮及內澇災害，防汛排澇任務十分艱巨。通過建立河網數(shù)學模型，在河網區(qū)域內進行水文、水動力、水質等模擬與分析，從而為浦東新區(qū)防汛安全、水資源調度、水環(huán)境管理等提供科學決策支持。模型計算區(qū)域范圍邊界西靠黃浦江，北接長江入?？?，東

13、臨東海，南至大治河，面積1065平方公里。4 水動力模型的建立4.1 水動力模型建模通過河道概化、水工建筑模擬、邊界確定、初始條件設定等步驟構建浦東新區(qū)河網水動力模型。（圖1）圖1 浦東新區(qū)河網概化圖Fig1. The river-networks hydrodynamic model of Pudong New Area河網概化：概化河網要基本反映天然河網的水動力特性，即概化后的河網、湖泊在輸水能力和調蓄能力兩方面必須與實際河網、湖泊接近或保持一致1。為此首先應確定概化的計算河網及其河道斷面參數(shù)，其次須考慮除概化河網以外的其他調蓄水面的調蓄作用2。浦東新區(qū)河網模型概化后共有河道471條，斷面

14、2282個。水閘模擬：新區(qū)河網組成了一個相對獨立的由水閘口門控制的內河水系，各級水閘發(fā)揮檔潮、引水、排澇、通航的功能，控制內河水位在一個合理范圍內，保障河道防汛安全，同時經由水閘整體控制，通過引清、排污調度實現(xiàn)水體置換，改善內河水質。浦東新區(qū)河網模型共模擬水閘21座。邊界條件：邊界的選取符合水流的物理特性以及控制方程組的定解性質3，對于潮位數(shù)據不完整的邊界站點，采取調和分析的方法預測完整的時間序列。浦東新區(qū)河網模型共建立水位邊界7處。初始條件：新區(qū)水閘運行控制策略為使內河水位控制在2.5m-2.8m之間，據此設定模型運行河道初始水位2.7m。4.2 水動力模型率定浦東新區(qū)河網模型采用200m至

15、1000m空間步長，5min時間步長，參加率定的水位站、流量站共17處，選用2007年全年實測資料進行率定，2008年全年實測數(shù)據予以驗證。以糙率系數(shù)n為率定參數(shù)，經率定，黃浦江干流0.022-0.029，川楊河0.028-0.030，浦東運河0.028-0.029，張家浜0.027-0.029，其他河道0.033。5 水文模型的建立及與水動力模型的耦合5.1 NAM模型介紹NAM水文模型模擬流域范圍內的降雨徑流過程，是MIKE11河流模型系統(tǒng)的組成部分。NAM模型既可獨立運行，也可以用來模擬一個或多個流域，為河網水動力模型生成側向入流流量，它可以處理單個集水區(qū)或包含許多集水區(qū)以及復雜河流和渠

16、道系統(tǒng)的大流域4。NAM為集總式概念型模型，其將土壤含水量劃分為積雪儲水層（Snow Storage）、地表水儲水層（Surface Storage）、淺層和根區(qū)儲水層（Lower Zone Storage）及地下水儲水層（Ground Water Storage），對四個不同且相互作用的蓄水層含水量的函數(shù)進行連續(xù)模擬計算，通過簡化的一系列相互連接的數(shù)學表達來定量描述流域中各種相應的水文過程。（圖2）圖2 NAM模型原理Fig2. Principle of NAM model5.2 浦東新區(qū)的排澇模式基于相應區(qū)域內水位、水面率、地面高程、河網密度、排水體制等因素和條件，浦東新區(qū)排澇采用城市小區(qū)

17、強排水、圩區(qū)緩沖式排水、區(qū)域緩沖式排水等三種排水模式：城市小區(qū)強排水模式指雨水經管道收集后集中由泵站提升排入片內河網或經片區(qū)排澇泵閘工程排入片外水體，簡稱強排模式；圩區(qū)緩沖式排水模式指管道收集雨水后自排入圩內特定河道或通過圩內河網調節(jié)經圩區(qū)泵閘工程排入圩外水體，簡稱自排模式；區(qū)域緩沖式排水模式指雨水以自流形式進入河道，經河網調蓄后由水利工程予以區(qū)域除澇，簡稱自流模式。浦東新區(qū)全部采用分流制排水系統(tǒng)，外環(huán)線以內的城市化地區(qū)以城市小區(qū)強排水模式為主，外環(huán)線以外的城鎮(zhèn)建設區(qū)域以緩沖式排水模式為主。根據上海市浦東新區(qū)城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)專業(yè)規(guī)劃，共規(guī)劃建設167處雨水排水系統(tǒng)，其中泵排系統(tǒng)95處，自排系統(tǒng)

18、19處，自流系統(tǒng)53處，目前已建成64處泵排系統(tǒng)、12處自排系統(tǒng)、19處自流系統(tǒng)。5.3 集水域劃分參照浦東新區(qū)現(xiàn)有雨量站分布及當前排澇模式，利用ArcGIS軟件，按區(qū)分排澇模式，以排水系統(tǒng)為基礎加權計算區(qū)域雨量的方式，劃分NAM模型集水域。首先根據雨量站分布構建Delaunay三角網，并以此劃分泰森多邊形。其次根據已有泵排系統(tǒng)、自排系統(tǒng)和自流系統(tǒng)分布劃分集水區(qū)，已規(guī)劃尚未建成的泵排系統(tǒng)和自排系統(tǒng)視為自流系統(tǒng)。隨后計算各集水域面積，通過將與集水域相交的泰森多邊形進行面積加權的方法計算集水域面雨量。模型計算區(qū)域內共劃分64處泵排系統(tǒng)集水域、12處自排系統(tǒng)集水域和19處自流系統(tǒng)集水域。（圖3）圖3

19、 NAM模型集水域劃分Fig3. Catchments delineation for NAM model5.4 降雨徑流連接依據模型河網概化及集水域劃分成果，采取構建虛擬河道、連接特定河道和區(qū)域河長分配的方式使降雨徑流在集水域內部得到合理分配。對于泵排系統(tǒng)集水域，分別于泵站所在位置構建總長600m的虛擬河道，并在里程0m、400m和600m處構造斷面，河道平均比降0.001。于里程450m處建立水文與水動力模型間降雨徑流連接，設定集水域降雨徑流在此匯入虛擬河道。在里程500m處設立泵站并模擬為流量型閘門，確定其相應的排水能力及排水條件。（圖4）圖4 虛擬河道Fig4. Virtual riv

20、er為保證計算穩(wěn)定，虛擬河道采用梯形河渠斷面，同時河網的計算步長服從克朗準則（Courant Criterion），虛擬河道的終斷面與所連真實河網的最鄰近斷面建立連接且使兩者的最低河底高程接近或保持一致。對于自排系統(tǒng)集水域，降雨徑流匯入特定河道的集水區(qū)內河段。對于自流系統(tǒng)集水域，按區(qū)內河道長度占河網總長度的比例將集水區(qū)降雨徑流分配至各河段。5.5 NAM模型參數(shù)分析NAM屬于確定性模型，模型參數(shù)具備一定物理概念，反映各集水區(qū)平均條件。模型率定時先依據集水域自然地理情況、水文地質條件等預估參數(shù)初值，再根據實測結果對參數(shù)進行準確率定。Umax：定義為地表調蓄區(qū)的最大含水量，包括植被截留、地面洼地蓄

21、水和地面上層蓄水。參數(shù)影響坡面流、入滲、蒸散發(fā)和壤中流，控制總水量平衡。Lmax：參數(shù)定義為根系調蓄區(qū)的最大含水量，植被以此土壤層水量進行蒸騰作用。參數(shù)影響坡面流、入滲、蒸散發(fā)和基流，控制總水量平衡，可利用田間持水量乘以有效根部深度予以估算。CKIF：參數(shù)定義為壤中流排水常數(shù)，反映地表儲水層排出壤中流的特性條件。參數(shù)與地面調蓄區(qū)最大含水量一起決定壤中流流量，同時控制峰值產生的時間相位。TOF、TIF、TG：參數(shù)分別定義為產生坡面流、壤中流和地下水補給所需的最低相對土壤含水量，影響汛期開始時地表徑流、壤中流和地下水補給形成的延遲時間。各參數(shù)均反映了集水域的空間變化特性，一個性質均勻面積較小的集水

22、域的臨界值一般比性質參差面積較大的集水域高。CK12：參數(shù)定義為坡面流和壤中流的時間常量，影響坡面流和壤中流演算，控制集水域對降雨的響應速度及形成的地表徑流峰值形狀。CKBF：參數(shù)定義為基流時間常量，影響地下水補給演算，控制集水域基流過程線形狀。5.6 NAM模型率定方法基于多目標優(yōu)化策略，依據使總水量平衡狀況、過程線形狀相似程度、高低流量峰值吻合情況等不同率定目標達到最佳的要求對NAM模型參數(shù)進行率定。模型參數(shù)率定通常從集水區(qū)開始，一段時期的總蒸發(fā)蒸騰損失量等于累計凈降雨減徑流量。增大地面調蓄區(qū)最大含水量Umax及根系調蓄區(qū)最大含水量Lmax，土壤蒸發(fā)蒸騰總量會相應增加，反之亦然。洪峰流量主

23、要由地表徑流引起，取決于坡面流系數(shù)CQOF。洪峰流量的峰值形狀則可通過改變坡面流和壤中流時間常量CK12予以調節(jié)?；髁髁渴艿乇韽搅骱腿乐辛鞯挠绊?，增大地表徑流或壤中流，基流流量會相應增加，反之亦然。基流時間常量CKBF控制過程線形狀，可通過退水分析進行調整。5.7 NAM模型率定過程基于率定后的水動力模型進行水文模型的率定，期間不再調整水動力模型參數(shù)，而是通過將NAM模型經模擬計算和降雨徑流聯(lián)接后反映于河網的模擬徑流過程與實測水文資料比對，基于試算法不斷調整參數(shù)進行率定。對于采用城市小區(qū)強排水模式的泵排系統(tǒng)集水區(qū)，將暴雨期間虛擬河道泵站模擬徑流累積曲線與泵站實測流量累積曲線進行比對。（圖5）

24、圖5 泵站降雨徑流累積曲線Fig5 Accumulated Curve of Rainfall-runoff of Municipal Pump對于采用緩沖式排水模式的自排系統(tǒng)集水區(qū)和自流系統(tǒng)集水區(qū)，根據流域自然地理條件和估算的坡面流系數(shù)選擇代表集水區(qū)，模型參數(shù)率定后予以移用。代表集水區(qū)模型參數(shù)的率定先依據河網水動力態(tài)勢及站網分布狀況選取參照水位流量斷面，再將所選典型斷面模擬成果與實測結果進行比對。（圖6）圖6典型斷面模擬值與實測值比較Fig6 Comparison of Simulation Results and Measured Data of Typical Cross通過泵站流量累積

25、曲線和代表斷面水位流量過程曲線比對方式率定的水文模型參數(shù)能較好的反映集水區(qū)實際下墊面特點及產匯流規(guī)律，可為河網水動力模型提供準確的水量輸入。6 結語采用數(shù)值方法構建河網模型對平原感潮河網城市地區(qū)進行降雨徑流和水動力模擬。借助MIKE11軟件建立浦東新區(qū)河網水動力模型，選擇集中式概念型水文模型NAM模擬連續(xù)降雨徑流。在分析當前模型耦合方式的基礎上，首先依據排澇模式劃分模型集水域并設定降雨徑流聯(lián)接，隨后基于率定后的水動力模型，通過模擬徑流過程與實測水文資料比對率定水文模型，真實反映降雨徑流對河網水動力的影響，實現(xiàn)平原感潮河網城市地區(qū)水文模型與水動力模型的相互耦合。參考文獻：1 姚琪, 丁訓靜, 鄭

26、孝宇. 運河水網水量數(shù)學模型的研究和應用J河海大學學報, 1991, (07): 9-17. (Yao, Qi, Ding, Xun-qing, Zheng, Xiao-yu. Study and application of water mathematical models for canal networksJ. Journal of Hohai University. 1991, (07): 9-17. (In Chinese)2 徐祖信. 河流污染治理規(guī)劃理論與實踐M. 北京: 中國環(huán)境出版社, 2003. (Xu, Zu-xin. Planning Theory and Practice of River Pollution ControlM. Beijing: China Environmental Press, 2003. (In Chinese)3 潭維炎.