茅灣涌流域分布式水文水動(dòng)力耦合模型研究

閆苗祥

（中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 中山 528400）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和遙感技術(shù)的應(yīng)用,越來越多的分布式水文模型被諸多學(xué)者研究出來[1-3]。分布式降雨徑流模型涵蓋了水文循環(huán)的主要過程,包括蒸散發(fā)、地表徑流、非飽和流、地下水和明渠流以及它們之間的相互作用,因此可以用于模擬陸地水循環(huán)中包括水流運(yùn)動(dòng)、水質(zhì)和泥沙運(yùn)輸?shù)葞缀跛兄饕乃倪^程。分布式降雨徑流模型的核心模塊包括蒸散發(fā)模塊（ET）、非飽和帶水分模塊（USZ）、飽和地下水模塊（SZ）、坡面流（OL）與河道水流模塊（HD）。

茅灣涌流域作為平原河網(wǎng)區(qū)的典型區(qū)域之一,具有非常復(fù)雜的河網(wǎng)構(gòu)造和閘泵調(diào)度,與此同時(shí)又處于高度城鎮(zhèn)化地區(qū),產(chǎn)匯流情況受下墊面影響較大,具有較強(qiáng)的人為因素干擾。面對如此復(fù)雜的水文水動(dòng)力過程,分布式降雨徑流模型和一維水動(dòng)力模型耦合無疑是一個(gè)較優(yōu)的選擇。

1 流域概況

茅灣涌流域位于廣東省中山市和珠海市,流域總面積約332.43 km2。茅灣涌流域以沉積平原地貌為主,東、西、北三面環(huán)山,南部為三角洲沖積平原。流域的東面和東南面為珠海市山坡地區(qū),北面為地勢較高的三鄉(xiāng)鎮(zhèn)片區(qū),西北面為鐵爐山片區(qū),其余屬珠江三角洲沖積平原,沖積平原地面高低不一,流域地勢自東北向西南傾斜。如圖1 所示,區(qū)內(nèi)河網(wǎng)眾多,縱橫交錯(cuò),相互連通。流域主要分為三個(gè)排澇分區(qū),分別為三鄉(xiāng)排澇分區(qū)（集雨面積106.58 km2,其中匯入茅灣涌集雨面積97.17 km2, 現(xiàn)狀中珠排洪渠匯入珠海集雨面積9.41 km2）、坦洲排水分區(qū)（集雨面積125.89 km2）以及珠海排澇分區(qū)（集雨面積99.96 km2）。

2 茅灣涌水文水動(dòng)力模型構(gòu)建

分布式降雨徑流模型水流運(yùn)動(dòng)模塊通過構(gòu)建降水—徑流的物理機(jī)制,完整模擬由降水到徑流的整個(gè)過程,但分布式水文模型的一大特點(diǎn)是需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。其所需的數(shù)據(jù)包括氣象、水文、土壤、植被、遙感影像、數(shù)字高程模型和下墊面基本特性等各類數(shù)據(jù)。

2.1 模型范圍及網(wǎng)格

建立分布式降雨徑流模型的第一步是根據(jù)分析區(qū)域確定模型的模擬計(jì)算范圍。基于中山市1∶2000 地形圖和珠海市5 m×5 m 分辨率的原始高程數(shù)據(jù),使用ArcGIS 中的流域分析工具Hydrology 進(jìn)行水文分析,通過填洼、水流方向提取、匯流計(jì)算等操作提取茅灣涌流域主要水系以初步劃分流域分水嶺,并結(jié)合高清遙感圖和中山市1∶2000 地形圖進(jìn)一步確定茅灣涌流域的模型模擬計(jì)算范圍,投影轉(zhuǎn)化后得到的茅灣涌流域模型范圍見圖2。模型單個(gè)網(wǎng)格尺寸為25 m×25 m,x、y 方向分別為1000 和1300 個(gè)網(wǎng)格長度。

圖2 分布式降雨徑流模型中模型計(jì)算范圍

2.2 地形

通過ArcGIS 將原始高程數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理成5 m×5 m 分辨率的茅灣涌流域柵格地形數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)化為ASC 格式的數(shù)據(jù),之后通過ZERO 工具箱,將ASC 格式的高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分布式降雨徑流模型所需的dfs2 格式文件數(shù)據(jù),在模型中設(shè)置見圖3。

圖3 分布式降雨徑流模型中流域地形數(shù)據(jù)

2.3 氣象

分布式降雨徑流模型所需輸入的氣象數(shù)據(jù)包括降雨數(shù)據(jù)和參考作物蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。采用雨量站點(diǎn)雨量代表控制范圍內(nèi)的降雨量。分布式降雨徑流模型水文模型蒸發(fā)輸入要求為潛在蒸散量,其計(jì)算基于Penman-Monteith 公式,采用國家氣象站點(diǎn)中山站的逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到日潛在蒸散發(fā),并在分布式降雨徑流模型中設(shè)置為面蒸發(fā)。

2.4 土地利用

依照土地利用現(xiàn)狀分類國家標(biāo)準(zhǔn),對谷歌高清遙感影像進(jìn)行解譯,將茅灣涌流域土地利用情況初步分為裸地、林地、草地、城鎮(zhèn)用地、水域和耕地6 個(gè)一級(jí)分類。基于ArcGIS采用監(jiān)督分類方法對遙感影像進(jìn)行解譯處理。監(jiān)督分類的原理是根據(jù)已知訓(xùn)練區(qū)域的特征參數(shù)作為訓(xùn)練樣本,建立判別函數(shù),對遙感影像進(jìn)行分類。對土地利用類型進(jìn)行初步監(jiān)督分類后,結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料和原始遙感影像圖對土地利用分類結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整校正,最終得到茅灣涌流域土地利用分類柵格數(shù)據(jù),見圖4。

圖4 土地利用分類空間分布設(shè)置

2.5 一維水動(dòng)力模型構(gòu)建

分布式降雨徑流模型通過分布式降雨徑流模型與一維水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合。一維水動(dòng)力模型主要包括四個(gè)數(shù)據(jù)文件：河網(wǎng)文件（.nwk11）、斷面文件（.xns11）、邊界條件（.bhd11）和參數(shù)文件（.hd11）。

2.5.1 河網(wǎng)文件

茅灣涌流域河網(wǎng)處理：在Auto CAD 中基于實(shí)測河道數(shù)據(jù)的河網(wǎng)平面圖繪制河網(wǎng),并利用ArcGIS 對河網(wǎng)進(jìn)行處理,得到茅灣涌流域河網(wǎng).shp 文件,導(dǎo)入一維水動(dòng)力模型中轉(zhuǎn)化為茅灣涌流域河網(wǎng)。另外,茅灣涌流域坦洲鎮(zhèn)區(qū)域有大量的農(nóng)田區(qū)域,為體現(xiàn)農(nóng)田區(qū)域的蓄水及排澇情況,將農(nóng)田區(qū)域概化為河道,最終茅灣涌流域的完整概化河網(wǎng)見圖5。

圖5 茅灣涌流域河網(wǎng)

2.5.2 斷面文件

模型基于實(shí)測的斷面數(shù)據(jù),處理成一維水動(dòng)力模型所需的TXT 文件格式后導(dǎo)入模型中。現(xiàn)狀模型中共設(shè)置1414 個(gè)河道斷面。

2.5.3 邊界條件

由于缺乏茅灣涌流域?qū)崪y流量資料,且已構(gòu)建好的河道的上游邊界一般都是河道的源頭,故設(shè)置上游流量邊界為常數(shù)0,然后結(jié)合分布式降雨徑流模型確定匯流到河道的流量,共同組成耦合模型的邊界條件；下游水位邊界采用典型暴雨事件的相應(yīng)實(shí)測閘內(nèi)水位。

2.5.4 參數(shù)文件

參數(shù)文件的設(shè)置,主要包括定義初始條件和河床糙率。在初始條件屬性頁中,需要給定一個(gè)初始水位（或初始水深）,以滿足模型平穩(wěn)啟動(dòng)的要求。實(shí)踐中,初始水位則需要滿足“不能高于或低于河床”的條件,否則,模型可能無法平穩(wěn)運(yùn)行。在模型中,初始水位根據(jù)典型暴雨事件期間的起始實(shí)測水位設(shè)置全局初始水位,能保證模型平穩(wěn)啟動(dòng)。根據(jù)以往茅灣涌流域的工程經(jīng)驗(yàn),茅灣涌流域大部分河道糙率取值在0.025～0.036之間,模型中取全局糙率,取值范圍在0.029～0.033之間（對應(yīng)M 值在30～34 之間）,通過參數(shù)率定選取最適合的河道糙率。

2.6 一維水動(dòng)力模型耦合設(shè)置

分布式降雨徑流模型與一維水動(dòng)力模型之間的耦合通過河流鏈接（分布式降雨徑流模型 links）實(shí)現(xiàn)。河流鏈接通過相鄰柵格之間矢量數(shù)據(jù)的傳遞將一維水動(dòng)力模型中定義的河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息、河道斷面信息連接到分布式降雨徑流模型正確的物理位置上,將分布式降雨徑流模型中的水文循環(huán)過程與河道明渠流建立聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)地表徑流-明渠流過程的模擬。

在河網(wǎng)文件（.nwk11）中的分布式降雨徑流模型links 模塊中添加需要與分布式降雨徑流模型進(jìn)行耦合的河道,即可實(shí)現(xiàn)分布式降雨徑流模型和一維水動(dòng)力模型之間的緊密耦合,同時(shí)可以設(shè)置河道歸槽或者溢流；模型參考茅灣涌流域的歷史暴雨事件的淹沒情況記錄,結(jié)合實(shí)測河道堤防數(shù)據(jù),一部分河道按歸槽考慮,另一部分河道會(huì)根據(jù)河道內(nèi)水位和河道堤防考慮溢流。

3 模型驗(yàn)證計(jì)算

茅灣涌流域地區(qū)無流量測站,缺乏實(shí)測流量資料,較難通過流量對水文模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證,所以將通過茅灣涌流域內(nèi)實(shí)測水位監(jiān)測點(diǎn)的水位對整個(gè)水文水動(dòng)力耦合模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。模型采用2022年5 月10 日至5 月13 日茅灣涌流域的典型暴雨及相應(yīng)的實(shí)測水位進(jìn)行率定與驗(yàn)證計(jì)算,降雨過程見圖6。模型率定選取6 個(gè)水位監(jiān)測站點(diǎn)的逐時(shí)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,分別為咸圍站、坦洲站、安阜站、南沙涌站、永一站和龍?zhí)琳尽?/p>

圖6 降雨事件降雨過程

3.1 模型設(shè)置概述

3.1.1 水位邊界條件

對典型暴雨水位邊界采用水閘實(shí)測閘外水位及實(shí)測閘內(nèi)水位。降雨事件的外江潮位見圖7,閘內(nèi)水位見圖8。

圖7 降雨事件下實(shí)測閘外水位情況

圖8 降雨事件下實(shí)測閘內(nèi)水位情況

3.1.2 閘泵調(diào)度規(guī)則

典型暴雨中,外江7 個(gè)水閘絕大多數(shù)都是全開狀態(tài)。泵站設(shè)置在概化的小河道（代表農(nóng)田）與主干河道的交匯處,調(diào)度規(guī)則為：來水量小于泵站設(shè)計(jì)流量時(shí),按來水量排水；來水量大于等于泵站設(shè)計(jì)流量時(shí),按照泵站設(shè)計(jì)流量排水。

3.1.3 水庫設(shè)置

模型中共設(shè)置田心、龍?zhí)丁⒐批Q和鐵爐山共4 個(gè)水庫,參考典型暴雨事件各水庫實(shí)際的調(diào)度和泄洪記錄。考慮到防汛期間水庫需要有足夠的庫容蓄滯洪水,水庫的起始水位結(jié)合各暴雨事件時(shí)的水位確定。

3.2 暴雨水位模擬結(jié)果

典型暴雨的模擬水位和實(shí)測水位的變化過程見圖9。結(jié)果表明各監(jiān)測站點(diǎn)模擬水位和實(shí)測水位變化趨勢一致。除龍?zhí)琳咀罡咚徽`差分別為33 cm 外,其他絕大部分站點(diǎn)最高水位誤差均在15 cm 以下。結(jié)果表明水位模擬水位和實(shí)測水位的相關(guān)性較高,該場暴雨模擬效果較好。

圖9 暴雨實(shí)測水位和計(jì)算水位過程對比圖

茅灣涌流域水文水動(dòng)力耦合模型在各站點(diǎn)的計(jì)算水位與實(shí)測水位的差值多數(shù)在10 cm 以內(nèi)；模擬水位過程與實(shí)測過程基本一致,相位誤差基本小于1 h；各降雨事件模擬水位和實(shí)測水位的納什系數(shù)大部分在0.7 以上。模擬結(jié)果滿足《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》（SL 104-2015）中對河道洪水演進(jìn)計(jì)算的要求。總體上,模擬水位和實(shí)測水位接近,精度較高,所構(gòu)建的分布式水文水動(dòng)力模型合理可靠。

4 結(jié)語

本文使用分布式水文水動(dòng)力耦合模型,以茅灣涌流域?yàn)檠芯繉ο髮λ鬟M(jìn)行耦合隱式求解,并對模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析,結(jié)果表明：

（1）平原河網(wǎng)區(qū)的防洪排澇數(shù)值模擬的技術(shù)尚不夠成熟,大多數(shù)未能精細(xì)化模擬平原河網(wǎng)區(qū)的天然狀態(tài)與人工調(diào)控雙重作用下的水位流量變化情況。茅灣涌流域水系眾多,且受到潮位頂托作用,外江設(shè)置多個(gè)擋潮閘,內(nèi)部還設(shè)置有節(jié)制閘、擋水閘等,受人為調(diào)度影響較大,適合采用分布式水文水動(dòng)力耦合模型。

（2）構(gòu)建基于分布式降雨徑流模型和一維水動(dòng)力模型耦合的水文水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,對茅灣涌流域的水位流量過程進(jìn)行模擬,并采用實(shí)測降雨水位對模型進(jìn)行率定,為精確評(píng)估設(shè)計(jì)工況下的茅灣涌流域防洪排澇效果提供了模型基礎(chǔ)。