王 静，李 娜，王 杉

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038）

1 研究背景

中国南方大河中下游沿江滨湖平原河网区分布有大量圩区［1］，其中以太湖流域尤为典型。据统计，太湖流域约2374个圩区的总面积为10164 km2，占整个流域面积（36895 km2）的27.5%［2］。圩区由于自成封闭系统，改变了圩内涝水的汇流过程，减少了流域的调节水面积，造成流域水量的再分配［3］。国内有不少学者针对圩区对洪涝分布的影响开展了研究，如程文辉等［4］认为在流域洪水来临前，圩内水位一般已达到适宜水位上限，在不破圩的情况下，对调蓄全流域洪水作用不大。在其建立的“太湖流域模型”中，设定圩区内水位变幅一般为0.4 m，当圩区内水面蓄水深超过0.4 m时，多余的水量通过泵站排入圩外河网；当未超过0.4 m时，圩区内外无水量交换。吴浩云［5］设定当圩区内外河道连通时，圩内蓄水面最小水深为0.2 m，当水深超过0.4 m时，开启泵站排涝使圩内水深保持在0.4 m。Yu等［2］在太湖流域洪水风险情景分析技术研究中，将圩堤按堤高排序，圩内按DEM排序，洪水首先淹没圩区外的低洼处，然后淹没保护标准低的圩堤（不考虑破圩），从而生成每个洪水单元的淹没水位和洪量之间的关系曲线。国外则一般以单个圩区为研究对象，利用基于精细化地形的零维模型或二维水力学淹没分析模型，模拟溃堤等不同类型洪水在圩区内部的淹没空间分布［6-8］。

为了模拟圩区密布且复杂工程调度规则下平原河网区的洪涝分布，本文在中国水利水电科学研究院已有的城市洪涝仿真模型［9-12］的基础上，增加了网格“小蓄水面”和圩区共两种计算单元，及专门的排涝计算模块，通过与闸泵控制工程相结合，对模型中网格水深、圩区排涝和工程调度的计算方法进行改进，以嘉兴市为案例区域，构建嘉兴市暴雨洪涝分析模型，利用历史典型暴雨洪水资料对模型的模拟功能和精度进行验证，并利用验证后的模型对典型设计暴雨和河道洪水组合方案及圩堤溃决方案的洪涝风险分布进行模拟计算，统计分析嘉兴市洪涝风险空间分布的基本特点。

2 暴雨洪涝仿真模型的改进

在已有的城市洪涝仿真模型中，研究区域内普通网格间的水流运动按二维非恒定流计算，宽度较小的河道和城市道路按特殊通道考虑，顺通道方向按一维非恒定流模拟，当通道内水位或两侧网格水位超过特殊通道顶高程时，采用堰流公式计算通道与两侧网格之间的水流交换量。当研究区域内河网较密集时，一般仅考虑主干河网，忽略规模较小的支流、小湖泊等水面对洪涝的影响。针对圩区的影响，仅能将圩堤作为阻水通道概化，圩区排涝能力必须通过设置单个泵站的方式实现，当圩区密布、不同规模的抽排泵站众多且无特定调度规则时，极难在模型中一一概化。基于模型的上述局限性，本文结合平原河网区的下垫面和工程特点对模型在水面域的概化模拟方法、圩区的模拟方法和闸泵复杂调度规则模拟三方面进行了改进。

2.1 对河网密布区域水面域的概化和模拟方法 太湖流域平原河网区的水面率达15%［13］，考虑到实测河道断面资料的限制以及模型运行效率问题，在较大范围的二维非恒定流水动力学模型建模时，无法将大小河道一一概化，只能选择主干河道进行模拟，如图1所示。对于未概化的河流、塘坝、小湖泊等，虽然其输水作用不大，但对降雨的调蓄作用不可忽略［14］。所以，针对未被概化的水面域，采用“小蓄水面”的概念，根据研究范围内实际河网分布和已概化主干河道的水面面积，推求未概化部分的面积，作为每个网格内小蓄水面的面积，并与网格面积相除得到每个网格的水面率RXY。同时，为了体现未概化水域的调蓄量，在每个网格上增加其“小蓄水面”的初始水深和最大水深参数，当该网格的水量超过蓄水面的最大调蓄水量时，才形成积水或淹没（图2）。在暴雨洪涝仿真模型中，针对存在小蓄水面的网格，其水深计算公式为：

图1 河网及圩区概化

图2 网格“小蓄水面”概化

2.2 对圩区影响洪涝分布的模拟方法 圩区对洪涝分布的影响体现在三方面，即：（1）圩区堤防高程对圩外主干河道洪水漫溢水位的影响；（2）圩区抽排能力和调度规则对圩区内涝水和圩外河道水位的影响；（3）破圩发生后洪水在圩内的淹没空间分布。为了反映这三方面的作用，模型中将圩区作为特殊排涝单元进行计算。当圩区与主干河道相邻时，将其边界主干河道和圩堤作为整体概化为特殊河道通道，当圩外河道未被概化为主干河道时，将其圩堤作为阻水通道，并为每个圩区设定一组反映其基本属性、抽排能力、调度规则和空间位置的参数，包括：圩区编号、圩区总面积、圩堤顶高程、排涝能力、泵站开关状态、开泵水深（即圩内蓄水面最大调蓄水深）、关泵水深（即圩内蓄水面最小调蓄水深）、参考站起排水位（即圩区泵站调度启动水位）、参考站止排水位（即为保证主干河道防洪安全设定的止排水位）、参考站位置、包含的网格总数及各网格的编号。

每个圩区内均有一个或多个抽排泵站，在模型计算时，主要考虑紧邻圩区边界河流且能将圩区涝水排出至圩外主干河道的泵站（见图1），并假定圩区抽排设施对网格自身及其小蓄水面内水位（或水深）的降低作用在每个计算步长内均可反映到该排涝单元内的所有网格，排出的水量在与圩区相邻的特殊河道通道内按河段水面面积比例分配，圩区内网格因泵站排涝而减少的水量根据其即有淹没水量占所有网格淹没水量的比例计算。将某圩区内紧邻边界河道的泵站总排涝设计能力表示为Pm，则各项排水量计算公式如下：

针对破圩情况，在溃口设定时通过指定溃口所在的特殊河道通道编号、溃口宽、溃口底高程、溃决时河道水位和溃口所在岸别等参数后，按较不利的瞬间全溃方式采用堰流公式进行模拟。当圩外特殊河道水位超过堤顶高程时发生漫溢，按堰流公式计算漫溢水量［10］。

2.3 对闸泵复杂调度规则的模拟 杭嘉湖平原河网区的水闸和泵站调度规则极为复杂，如南排工程中的长山闸，以距离水闸所在位置45 km外的嘉兴站作为参考站，当参考站水位达到启闸水位时，开闸放水，且汛期不同时期，启闸水位不同。而位于嘉兴市城防工程中的控制水闸，如嘉善塘闸，同样以嘉兴站作为参考站，但其调度规则是当参考站水位达到控制水位时关闭闸门。另外，历史典型暴雨洪水期间，各水闸和泵站的实际运行情况由于与当时的调度决策方案有关，不可能完全按规则调度，所以在模拟历史典型暴雨洪水时，需按实际开启和关闭闸门的时间或水位进行控制。因此，模型中按照调度方案类型的不同将水闸和泵站均分为3类，即按规则调度、按实际运行时间调度和按实际运行时间结合水位调度。以水闸为例：

（1）按规则调度时，闸门的主要调度参数包括开闸水位、关闸水位、最大排水流量、排入位置、参考站位置编号和开闸孔数比例，即根据参考站点的实际水位判断，如高于开闸水位则开启闸门，否则闸门关闭；且当闸内水位低于关闸水位时，亦关闸，高于时不作为约束条件。

（2）按实际运行时间调度时，主要参数包括最大排水流量、排入位置、开闸时段组数N、（开闸时间TO1、关闸时间TC1、开闸孔数比例R1，……，开闸时间TON、关闸时间TCN、开闸孔数比例RN），即当计算时间满足每组开闸的时段时，开启闸门，否则闸门关闭。

（3）按实际运行时间和水位调度时，主要参数包括最大排水流量、排入位置、参考站位置编号、开闸时段组数N、（开闸时间TO1、关闸时间TC1、开闸水位ZO1、关闸水位ZC1、开闸孔数比例R1，……，开闸时间TON、关闸时间TCN、开闸水位ZON、关闸水位ZCN、开闸孔数比例RN），即当计算时间和参考站点的水位均同时满足条件时，才开启闸门，否则闸门关闭。

3 案例区域应用

3.1 区域概况 嘉兴市位于浙江省东北部、长江三角洲南翼，东北紧邻上海，北接苏州，西连杭州、湖州，东南濒临钱塘江杭州湾，属于杭嘉湖东部平原河网水系，市域内河网纵横，平均水面率约8.9%。其地势自西南向东北倾斜［15］，平均海拔高度为1.86 m（1985黄海高程基准）。田面高程除沿海一带外，大部分地势低洼，是太湖流域的“锅底”。区域内共有圩区约474个（图3），圩区率达58.6%。

图3 研究区域圩区分布

洪水期间市域内河道除需承受本地降雨外，还要接纳杭州、湖州山区通过东苕溪导流港排入的洪水，以及通过太湖溇港和太浦河涌入的太湖洪水，同时还受到下游黄浦江潮位和杭州湾潮位的顶托［16］。杭嘉湖南排工程扩大建设后增加了涝水南排杭州湾的能力，但候潮排水的运行体制，仍从时间上限制了总体排水能力［17］。同时，大规模的圩区建设虽然保障了圩内生产生活稳定，但遇区域或流域暴雨时，大量涝水排入圩外河网，导致骨干河道防洪压力增加，也增加了对圩区自身安全的威胁［18］。特殊的地理位置、气候和排涝条件，使得嘉兴市的洪涝旱灾害频发。1949年以来共发生较大的洪涝灾害30余次，平均每两年就有一次涝灾。

3.2 区域暴雨洪涝模型构建 将整个研究区域划分为不规则网格62 506个，网格平均面积0.07 km2（约为270 m×270 m）。图4和图5分别为基于基础地形数据提取的网格高程分布图和模型阻水、排水通道分布图。在总面积4498.8 km2的模型范围内共127 744条通道，其中特殊型河道通道11 847条，阻水通道6251条。计算范围内考虑的水闸共14座（见图6），排涝泵站包括474个圩区泵站和盐官下河电排站。

图4 模型网格高程分布

图5 模型通道分布

图6 研究区域的闸泵、测站和边界水流交换节点位置分布

模型边界主要考虑主干河道处的水流交换，由于河网区域的水文站点基本为水位站，所以边界处均以水位或潮位过程作为控制，共75处，如图6所示。各水流交换节点的水位（或潮位）过程以附近测站的实测过程按距离线性插值。河网的初始水位对方案的淹没分布具有一定的影响，由于河网区域的水位变化具有连续性，故采用已知水位站的初始时刻水位按反距离插值法为每个特殊河道节点和通道计算初始时刻水位值。

表1 历史典型暴雨方案代表水位站最高水位实测与计算值对比 （单位：m）

3.3 模型的率定和验证 选择1999年的“99630”暴雨、2007年“罗莎”台风暴雨、2009年“莫拉克”台风暴雨和2010年“春汛”共4场历史典型暴雨进行模型率定和验证计算。各场典型暴雨的基本情况如下：

（1）1999年梅雨期间，嘉兴市平均降雨量为403.7 mm，最大7日暴雨量378.1 mm，本次模拟计算时段设定为6月23日8时至7月8日8时，模拟总时长为15 d。

（2）2007年“罗莎”台风暴雨主要集中于10月7日至10月8日，实测最大降雨量为188.5 mm，出现在乌镇站。计算时段设定为10月7日0时至10月10日0时，模拟总时长为3 d。

图7 4场典型暴雨期间代表水位站实测与计算水位过程

（3）2009年第8号台风“莫拉克”影响期间，杭嘉湖区各代表站均超过警戒水位，最高水位基本出现在8月11日。计算时段设定为8月7日8时至8月12日8时，模拟总时长为5 d。在模拟时段内，桐乡站总雨量最大，为89 mm，且雨量呈由西南向东逐渐减小趋势，最小仅49 mm。

（4）2010年“春汛”发生于2月下旬至3月中旬，暴雨集中于3月2日至8日，嘉兴站10日累积雨量达172 mm。计算时段设定为3月1日0时至3月11日0时，模拟总时长为10 d。在模拟时段内，崇德站总雨量最大，为238 mm，且雨量呈由西向东逐渐减小趋势，最小仅125.5 mm。

模型模拟的4场典型暴雨期间代表水位站最高水位实测和计算值对比见表1，水位变化过程见图7。从图、表中可以看出，模型计算的河道水位过程与实测过程基本一致，大部分站点的最高水位误差小于20 cm。

图8为模型模拟的“99630”暴雨方案淹没水深分布与1999年太湖流域调查的受灾范围图［19］的叠加对比，从图8可以看出，淹没区域主要集中于嘉善和秀洲北部、桐乡西北部、平湖市区附近区域以及南湖、海盐和海宁的大部分未受圩堤保护且地势较低洼的区域。模型计算淹没水深较大的区域与调查的受灾范围较为吻合，总体分布合理。部分圩区内淹没水深较大或基本未受影响与计算时按现状条件设定圩区调度启动水位和排涝能力有关。另外，由于本次建模采用的基础地形数据年份为2011年，与1999年相比存在较大的地面沉降［20］，所以在“99630”暴雨和本文采用的地形条件下，平湖市城区附近和海盐县城周边也成为淹没水深较大的区域之一。

图8 嘉兴市“99630”暴雨方案的洪水淹没水深

模型误差产生的原因主要有：（1）降雨具有空间分布不均匀的特点，利用有限的雨量站点（16个）难以反映整个区域（4498.8 km2）的降雨空间分布，可能导致局部区域的误差；（2）针对历史典型暴雨洪水，由于难以收集到当时各圩区的实际调度过程，在模拟时假定按其规则进行调度，这与实际情况存在差异，因而也导致对部分圩区的淹没分布或代表水位站水位过程的模拟结果与实测值存在不同；（3）边界水位过程利用附近已知水位站实测水位过程按距离线性插值，可能引起部分边界处的水位与实际存在偏差；（4）限于资料条件，对水闸和泵站主要考虑主干河道上的骨干闸泵工程，与实际工程调度情况存在不同。虽然存在以上误差，但由于针对4场历史典型暴雨方案，嘉兴和嘉善站的误差均小于15 cm，平湖、欤城和桐乡均未超过25 cm，硖石和崇德基本未超过30 cm，淹没的空间分布与实际也较为吻合。所以从总体上看，模型对区域的概化合理，能够从整体上反映研究区域由于暴雨或河道洪水引起的淹没分布，率定验证后的模型可以用于其它方案的洪水分析计算，为洪水影响分析和洪水风险图的绘制提供淹没数据。

图9 嘉兴市50年一遇一日设计暴雨与5年一遇设计水位组合洪水淹没水深

图10 嘉兴市5年一遇3日设计暴雨与10年一遇设计水位组合条件下某圩区洪水淹没水深

3.4 模型应用 利用验证后的模型可以对嘉兴市不同频率设计暴雨方案、设计暴雨与河道洪水组合方案以及圩堤溃决方案等进行模拟分析，图9为其中50年一遇一日设计暴雨与5年一遇设计水位组合条件下的洪水淹没水深分布，该方案下的淹没总面积（按最大水深超过5cm的网格总面积统计）为3290 km2，占模拟区域总面积的73%，平均水深0.24 m，水深超过1 m的区域面积为72.8 km2，占总淹没面积的比例为2.2%。淹没较严重的区域主要集中于嘉善和秀洲北部、桐乡北部和西部标准较低的圩区内，以及秀洲南部、平湖中部地势较低洼的区域，在当地洪涝风险管理中应予以重点关注。

图10为5年一遇3日设计暴雨与10年一遇设计水位组合条件下某圩区发生堤防溃决和未溃决情况下的对比图，溃口宽度设定为100 m，且瞬间全溃。从图10可以看出，当存在溃口时，溃决洪水几乎淹没整个圩区，而与其相邻的南侧圩区的淹没大幅减轻，存在风险转移现象。

4 结论

本文基于已有的城市洪涝仿真模型，根据圩区众多的平原河网区的下垫面和工程特点，对模型在河网密布区域的水面域概化和模拟、圩区对洪涝分布的影响模拟以及闸泵复杂调度规则的模拟方法进行了改进。以嘉兴市为例，建立了研究区域的暴雨洪涝分析模型，利用“99630”暴雨、2007年“罗莎”台风暴雨、2009年“莫拉克”台风暴雨和2010年“春汛”共四场历史典型暴雨洪水资料对模型进行了率定和验证计算，结果表明模型对区域的概化合理，能从整体上反映研究区域受本地暴雨、上游洪水、黄浦江和杭州湾潮位顶托以及圩区排涝等共同影响下的洪涝风险空间分布。利用验证后的模型模拟了嘉兴市50年一遇一日设计暴雨与5年一遇设计水位组合以及5年一遇三日设计暴雨与10年一遇设计水位组合条件下某圩区溃堤共2个典型设计方案，结果显示：嘉善和秀洲北部、桐乡北部和西部标准较低的圩区内，以及秀洲南部、平湖中部地势较低洼的区域淹没较为严重，且当出现破圩时，溃口所在圩区淹没程度大幅增加，但因主干河道洪水优先向溃决圩区内演进，有可能减轻周边圩区的淹没风险。

本文建立的嘉兴市平原河网区暴雨洪涝分析模型，除可以为洪水风险图编制和洪水影响评价提供数据支持外，还可通过与实时水、雨、工情以及预报降雨、水（潮）位数据连接，基于数据库技术和GIS技术开发实时洪水风险评估应用系统，通过快速生成模型的输入文件、自动或滚动调用模型计算以及对模拟结果的可视化后处理技术，对区域可能面临的洪涝风险时空分布进行实时动态评估，并通过对比分析不同防洪排涝工程调度方案的减淹效果，为防汛应急决策提供支持和参考。