平原感潮河网城市地区水文模型与水动力模型的耦合(上海水务).doc

平原感潮河网城市地区水文模型与水动力模型的耦合殷健1 季彩华2 孟钲秀2 周全2 梁珊珊3 周国华2 (1. 上海市水文总站，上海 200232；2. 上海市浦东新区水文水资源管理署，上海 200129；3. 上海市排水管理处，上海 200001)摘要：采用数值方法构建河网模型，对平原感潮河网城市地区进行降雨径流和河道水流模拟。应用MIKE11软件，建立上海浦东新区水文学、水动力学模型。根据新区排涝模式，划分水文模型集水区，并与水动力模型耦合。依据河道水文实测数据，完成水文、水动力模型参数耦合率定，反映河网水位流量对降雨径流的响应。关键词：平原感潮河网；水文模型；水动力模型；MIKE11模型；NAM模型；降雨径流；集水域划分；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. ShanghaiPudongNewAreaHydrologyandWaterResourceAdministration, 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 and 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 process 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 verification1 引言平原感潮河网城市地区人口众多，经济发达，同时河道湖泊密布，地势低洼易涝。区域受季风活动和潮汐作用影响显著，汛期往往出现上游洪水、当地暴雨、下游潮汐“三碰头”情形，防洪排涝形势严峻。要合理解释平原感潮河网城市地区的水文现象，宜采用数值方法构建河网模型进行模拟，即水文模型、水动力模型正确模拟及耦合。2 商业化水文水动力学数学模型软件综述随着计算机数值模拟技术的发展，商业化水文水动力学数学模型软件已在防汛洪水预报、水资源水质管理、水利工程规划设计等领域得到广泛应用，其中具代表的有：DHI系列、SMS、Delft3D、HEC、Wallingford等。2.1 MIKE11模型丹麦水力研究所（DHI）的MIKE系列软件主要用于河口、河流、灌溉系统和其它内陆水域的水文、水力学、水质和泥沙传输模拟。其中的一维河网水动力水质模型系统MIKE11已应用于我国七大流域相关管理和科研部门，并在长江三峡水库预报调度、上海市苏州河流域治理、松花江洪水管理等项目中发挥了重要作用。MIKE11模型基于垂向积分的质量和动量守恒方程（圣维南方程组）。方程组采用Abbott六点隐式有限差分离散，追赶法求解，计算网格布置方式为水位点流量计算点交错网格，于断面位置处设置水位点，相邻水位点间及水工建筑物处设置流量点。2.2 MIKE11模型耦合MIKE11模型系统集成了降雨径流、水动力、水质等多种模型，借助模型间的相互耦合，系统可解决平原感潮河网城市地区雨洪、河网水利、水生态环境等数值模拟问题。MIKE11水文模型，既降雨径流模块（Rainfall-Runoff Model，RR模块），支持NAM、UHM、SMAP、FEH等多种水文模型。其中，集总式概念型模型NAM成熟稳定，运用很广。MIKE11水动力模型由水动力模块（Hydrodynamic Model，HD模块）和水工建筑物操作模块（Structure Operation Model，SO模块）构成，其中HD模块以求解明渠水流圣维南方程组为基础，SO模块则提供了根据用户定义的操作规则模拟水工建筑物运行的功能。MIKE11水质模型由对流扩散模块（Advection-Dispersion Model，AD模块）及Ecolab模块（Ecolab Model，WQ模块）组成，其中AD模块用于求解溶解物或悬浮物的一维对流扩散方程， WQ模块则用于河流湖泊水质模拟及预报生态系统响应。水文与水动力模型耦合：利用NAM模型通过连续计算多个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程，并通过建立径流与河道的连接反映降雨对河网水流的影响。本文旨在就平原感潮河网城市地区水文模型与水动力模型的耦合开展探讨。2.3 水文与水动力模型的耦合过程根据雨量站位置利用泰森多边形划分集水区。每个集水区输入模型建模所需降水及蒸发时间序列，并提供同一时间序列的实测流量数据。基于多目标优化策略，依据不同率定目标达到最佳的要求，利用集水区出口断面实测数据对主要参数进行自动优化率定。依照集水区中河道长度占集水区覆盖河网总长度的比率将集水域面积分配至各河道，构建产汇流过程与河网的联接，将降雨径流模拟结果反映至水动力模型。2.4 当前耦合方式中存在的不足城市区域下垫面不透水性增强和排水系统变化改变了降雨径流规律：降落在城市区域的雨水，部分经产汇流后形成地面径流、壤中流和地下径流并汇入河网；部分径流由地下管网收集后汇入特定河道；部分城区降雨形成地面径流后进入排水管道经管网汇流至雨水泵站再强排入河道，其中部分合流泵站同时接纳集水区雨水及工业和生活污水，当污水管道输送能力不足时，超出部分被溢流至河道。NAM模型参数自动率定所需的集水区出口断面实测流量过程在实际运用中较难获取。应用中应先完成水文模型与水动力模型的建模及耦合，随后在模型率定阶段进行泵站流量率定以及通过选择合适的断面，采取对模拟成果及实测结果进行过程线比对和数值比较的方式，调整率定模型参数。平原感潮河网地区，没有真正意义上的流域或集水区，应用中应以水利工程设施控制影响范围为空间单元进行模型计算。NAM模型参数中坡面流系数对水文模型的产汇流过程及水动力模型的水量输入具有显著影响。应用中需在考虑平原感潮河网地区城市化状况和自然地表特性条件的基础上，经由合理水文下垫面分类及准确不透水面积计算，获得有效坡面流系数，从而尽可能真实模拟地表径流。 本文以浦东新区河网模型为例，就水文和水动力模型的建模、耦合、率定等方面展开讨论。3 浦东新区河网模型介绍浦东新区属受强人工调控的平原感潮河网城市地区。新区河道纵横密布，水系结构复杂，外围由长江口和黄浦江水域环抱，区内水位受沿江沿海泵闸控制，既承上游区域来水，又受沿海潮汐影响，并常遇台风且伴随暴雨和高潮的侵袭，易形成风暴潮及内涝灾害，防汛排涝任务十分艰巨。通过建立河网数学模型，在河网区域内进行水文、水动力、水质等模拟与分析，从而为浦东新区防汛安全、水资源调度、水环境管理等提供科学决策支持。模型计算区域范围边界西靠黄浦江，北接长江入海口，东临东海，南至大治河，面积1065平方公里。4 水动力模型的建立4.1 水动力模型建模通过河道概化、水工建筑模拟、边界确定、初始条件设定等步骤构建浦东新区河网水动力模型。（图1）图1 浦东新区河网概化图Fig1. The river-networks hydrodynamic model of Pudong New Area河网概化：概化河网要基本反映天然河网的水动力特性，即概化后的河网、湖泊在输水能力和调蓄能力两方面必须与实际河网、湖泊接近或保持一致1。为此首先应确定概化的计算河网及其河道断面参数，其次须考虑除概化河网以外的其他调蓄水面的调蓄作用2。浦东新区河网模型概化后共有河道471条，断面2282个。水闸模拟：新区河网组成了一个相对独立的由水闸口门控制的内河水系，各级水闸发挥档潮、引水、排涝、通航的功能，控制内河水位在一个合理范围内，保障河道防汛安全，同时经由水闸整体控制，通过引清、排污调度实现水体置换，改善内河水质。浦东新区河网模型共模拟水闸21座。边界条件：边界的选取符合水流的物理特性以及控制方程组的定解性质3，对于潮位数据不完整的边界站点，采取调和分析的方法预测完整的时间序列。浦东新区河网模型共建立水位边界7处。初始条件：新区水闸运行控制策略为使内河水位控制在2.5m-2.8m之间，据此设定模型运行河道初始水位2.7m。4.2 水动力模型率定浦东新区河网模型采用200m至1000m空间步长，5min时间步长，参加率定的水位站、流量站共17处，选用2007年全年实测资料进行率定，2008年全年实测数据予以验证。以糙率系数n为率定参数，经率定，黄浦江干流0.022-0.029，川杨河0.028-0.030，浦东运河0.028-0.029，张家浜0.027-0.029，其他河道0.033。5 水文模型的建立及与水动力模型的耦合5.1 NAM模型介绍NAM水文模型模拟流域范围内的降雨径流过程，是MIKE11河流模型系统的组成部分。NAM模型既可独立运行，也可以用来模拟一个或多个流域，为河网水动力模型生成侧向入流流量，它可以处理单个集水区或包含许多集水区以及复杂河流和渠道系统的大流域4。NAM为集总式概念型模型，其将土壤含水量划分为积雪储水层（Snow Storage）、地表水储水层（Surface Storage）、浅层和根区储水层（Lower Zone Storage）及地下水储水层（Ground Water Storage），对四个不同且相互作用的蓄水层含水量的函数进行连续模拟计算，通过简化的一系列相互连接的数学表达来定量描述流域中各种相应的水文过程。（图2）图2 NAM模型原理Fig2. Principle of NAM model5.2 浦东新区的排涝模式基于相应区域内水位、水面率、地面高程、河网密度、排水体制等因素和条件，浦东新区排涝采用城市小区强排水、圩区缓冲式排水、区域缓冲式排水等三种排水模式：城市小区强排水模式指雨水经管道收集后集中由泵站提升排入片内河网或经片区排涝泵闸工程排入片外水体，简称强排模式；圩区缓冲式排水模式指管道收集雨水后自排入圩内特定河道或通过圩内河网调节经圩区泵闸工程排入圩外水体，简称自排模式；区域缓冲式排水模式指雨水以自流形式进入河道，经河网调蓄后由水利工程予以区域除涝，简称自流模式。浦东新区全部采用分流制排水系统，外环线以内的城市化地区以城市小区强排水模式为主，外环线以外的城镇建设区域以缓冲式排水模式为主。根据上海市浦东新区城镇雨水排水系统专业规划，共规划建设167处雨水排水系统，其中泵排系统95处，自排系统19处，自流系统53处，目前已建成64处泵排系统、12处自排系统、19处自流系统。5.3 集水域划分参照浦东新区现有雨量站分布及当前排涝模式，利用ArcGIS软件，按区分排涝模式，以排水系统为基础加权计算区域雨量的方式，划分NAM模型集水域。首先根据雨量站分布构建Delaunay三角网，并以此划分泰森多边形。其次根据已有泵排系统、自排系统和自流系统分布划分集水区，已规划尚未建成的泵排系统和自排系统视为自流系统。随后计算各集水域面积，通过将与集水域相交的泰森多边形进行面积加权的方法计算集水域面雨量。模型计算区域内共划分64处泵排系统集水域、12处自排系统集水域和19处自流系统集水域。（图3）图3 NAM模型集水域划分Fig3. Catchments delineation for NAM model5.4 降雨径流连接依据模型河网概化及集水域划分成果，采取构建虚拟河道、连接特定河道和区域河长分配的方式使降雨径流在集水域内部得到合理分配。对于泵排系统集水域，分别于泵站所在位置构建总长600m的虚拟河道，并在里程0m、400m和600m处构造断面，河道平均比降0.001。于里程450m处建立水文与水动力模型间降雨径流连接，设定集水域降雨径流在此汇入虚拟河道。在里程500m处设立泵站并模拟为流量型闸门，确定其相应的排水能力及排水条件。（图4）图4 虚拟河道Fig4. Virtual river为保证计算稳定，虚拟河道采用梯形河渠断面，同时河网的计算步长服从克朗准则（Courant Criterion），虚拟河道的终断面与所连真实河网的最邻近断面建立连接且使两者的最低河底高程接近或保持一致。对于自排系统集水域，降雨径流汇入特定河道的集水区内河段。对于自流系统集水域，按区内河道长度占河网总长度的比例将集水区降雨径流分配至各河段。5.5 NAM模型参数分析NAM属于确定性模型，模型参数具备一定物理概念，反映各集水区平均条件。模型率定时先依据集水域自然地理情况、水文地质条件等预估参数初值，再根据实测结果对参数进行准确率定。Umax：定义为地表调蓄区的最大含水量，包括植被截留、地面洼地蓄水和地面上层蓄水。参数影响坡面流、入渗、蒸散发和壤中流，控制总水量平衡。Lmax：参数定义为根系调蓄区的最大含水量，植被以此土壤层水量进行蒸腾作用。参数影响坡面流、入渗、蒸散发和基流，控制总水量平衡，可利用田间持水量乘以有效根部深度予以估算。CKIF：参数定义为壤中流排水常数，反映地表储水层排出壤中流的特性条件。参数与地面调蓄区最大含水量一起决定壤中流流量，同时控制峰值产生的时间相位。TOF、TIF、TG：参数分别定义为产生坡面流、壤中流和地下水补给所需的最低相对土壤含水量，影响汛期开始时地表径流、壤中流和地下水补给形成的延迟时间。各参数均反映了集水域的空间变化特性，一个性质均匀面积较小的集水域的临界值一般比性质参差面积较大的集水域高。CK12：参数定义为坡面流和壤中流的时间常量，影响坡面流和壤中流演算，控制集水域对降雨的响应速度及形成的地表径流峰值形状。CKBF：参数定义为基流时间常量，影响地下水补给演算，控制集水域基流过程线形状。5.6 NAM模型率定方法基于多目标优化策略，依据使总水量平衡状况、过程线形状相似程度、高低流量峰值吻合情况等不同率定目标达到最佳的要求对NAM模型参数进行率定。模型参数率定通常从集水区开始，一段时期的总蒸发蒸腾损失量等于累计净降雨减径流量。增大地面调蓄区最大含水量Umax及根系调蓄区最大含水量Lmax，土壤蒸发蒸腾总量会相应增加，反之亦然。洪峰流量主要由地表径流引起，取决于坡面流系数CQOF。洪峰流量的峰值形状则可通过改变坡面流和壤中流时间常量CK12予以调节。基流流量受地表径流和壤中流的影响，增大地表径流或壤中流，基流流量会相应增加，反之亦然。基流时间常量CKBF控制过程线形状，可通过退水分析进行调整。5.7 NAM模型率定过程基于率定后的水动力模型进行水文模型的率定，期间不再调整水动力模型参数，而是通过将NAM模型经模拟计算和降雨径流联接后反映于河网的模拟径流过程与实测水文资料比对，基于试算法不断调整参数进行率定。对于采用城市小区强排水模式的泵排系统集水区，将暴雨期间虚拟河道泵站模拟径流累积曲线与泵站实测流量累积曲线进行比对。（图5）图5 泵站降雨径流累积曲线Fig5 Accumulated Curve of Rainfall-runoff of Municipal Pump对于采用缓冲式排水模式的自排系统集水区和自流系统集水区，根据流域自然地理条件和估算的坡面流系数选择代表集水区，模型参数率定后予以移用。代表集水区模型参数的率定先依据河网水动力态势及站网分布状况选取参照水位流量断面，再将所选典型断面模拟成果与实测结果进行比对。（图6）图6典型断面模拟值与实测值比较Fig6 Comparison of Simulation Results and Measured Data of Typical Cross通过泵站流量累积曲线和代表断面水位流量过程曲线比对方式率定的水文模型参数能较好的反映集水区实际下垫面特点及产汇流规律，可为河网水动力模型提供准确的水量输入。6 结语采用数值方法构建河网模型对平原感潮河网城市地区进行降雨径流和水动力模拟。借助MIKE11软件建立浦东新区河网水动力模型，选择集中式概念型水文模型NAM模拟连续降雨径流。在分析当前模型耦合方式的基础上，首先依据排涝模式划分模型集水域并设定降雨径流联接，随后基于率定后的水动力模型，通过模拟径流过程与实测水文资料比对率定水文模型，真实反映降雨径流对河网水动力的影响，实现平原感潮河网城市地区水文模型与水动力模型的相互耦合。参考文献：1 姚琪, 丁训静, 郑孝宇. 运河水网水量数学模型的研究和应用J河海大学学报, 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. 河流污染治理规划理论与实践M. 北京: 中国环境出版社, 2003. (Xu, Zu-xin. Planning Theory and Practice of River Pollution ControlM. Beijing: China Environmental Press, 2003. (In Chinese)3 潭维炎. 计算浅水动力学M. 北京: 清华大学