吴 娟,林 荷 娟

(太湖流域管理局 水文局(信息中心),上海 200434)

0 引 言

太湖流域位于长江三角洲核心区域,滨江临海,地势低洼,属于亚热带季风气候区,雨量充沛、洪涝频繁[1]。太湖流域是中国城镇化率最高的地区,具有典型的城市群特征,经济发达,是一个“淹不得、淹不起”的区域,同时也是我国防洪工作的重点区域[2]。受气候变化与下垫面水利工程建设运行等影响,太湖流域防洪体系尚不完善,流域与区域洪水矛盾突出,现有洪水实时预报精度、风险预警与防洪预报、预警、预演、预案(以下简称“四预”)要求仍存在一定的差距。为满足新时期洪涝风险预警的业务需求,特别是长三角生态绿色一体化发展示范区(以下简称“长三角一体化示范区”)防洪需求[3],考虑到精细化的流域陆气耦合模型系统能够准确描述产汇流过程[4]、人类活动影响[5],同时还能够提供高分辨率、多要素预报产品[6],亟需开展基于陆气耦合模型系统的太湖流域与区域洪水风险预报研究。

陆气耦合模型系统是目前流域洪水预报延长预见期、提高预报精度的主要手段[7]。胡春歧等[8]在大清河系阜平水文站以上流域,采用中尺度数值大气模式(WRF模式)耦合分布式河北雨洪模型,有效延长了洪水预报的预见期。周聂等[9]将高精度水文水动力模型,耦合GRAPES_MESO数值天气预报模式,构建了城市内涝模拟预报模型,预报积水点位置、积水面积及积水量,效果较好。由于数值降雨预报模式输出的降雨数据和太湖流域水文水动力学模型具有多尺度性,如何建立合适的陆气耦合模型系统是获得准确流域洪水风险预报的关键技术。传统太湖流域陆气耦合模型系统采用7大水利分区数值降雨预报与水文水动力学模型耦合,降雨预报空间尺度过大(水利分区面积介于3 192～7 549 km2),导致河网代表站水位预报计算效率低、精度难提高,对水旱灾害防御“四预”工作产生了一定的不利影响。如何合理高效地利用数值降雨预报模式提供的高分辨率降雨预报信息构建更精细的空间尺度陆气耦合洪涝预报模型系统,对高标准保障流域与区域防洪除涝安全具有重要意义。本研究的陆气耦合模型系统包括太湖流域水文水动力学耦合模型与基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型,分别以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)数值模式网格、分区降雨预报为输入,驱动基于河网多边形与汇流分布式动态单位线的产汇流及水动力学模型预报太湖与河网代表站水位过程与超警超保区域,驱动基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型预测太湖流域洪水淹涝风险区域与强度,进一步提升水位预报精度与预警效率。

1 研究区域概况

太湖流域是典型的平原河网地区,流域内河网如织、湖泊棋布,下垫面极为复杂,水位变化敏感[10]。根据太湖流域特点,将流域分成七大水利分区,分别为湖西区、浙西区、太湖区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、杭嘉湖区、浦东浦西区,代表站见图1。长三角一体化示范区位于太湖流域下游沪苏浙两省一市的交界处[11],包括上海市青浦区、江苏省苏州市吴江区、浙江省嘉兴市嘉善县,总面积约2 413 km2(含水域面积350 km2),区域地势低洼,外排能力不足,洪涝易发频发,长三角一体化示范区代表站为平望、嘉善、青浦。

图1 研究区域水位代表站示意Fig.1 Location of representative water stage stations in the Taihu Basin

2 陆气耦合模型系统

2.1 太湖流域水文水动力学耦合模型

太湖流域水文水动力学耦合模型由产汇流模型与水动力学模型共同组成[12],产汇流模型为水动力学模型提供河流侧向入流与上游山区来水流量边界。除了浙西区山丘区采用新安江三水源模型、马斯京根法计算产汇流以外,16个平原计算分区分4种下垫面计算产水量,然后按各分区的汇流单位线汇入周边河道。太湖流域既有山区又有平原河网,平原河网地区又分为圩区和非圩区。山区汇流计算采用传统的水文学方法,所得的出流断面流量过程为平原河网的入流过程;非圩区坡面汇流模拟采用分布式汇流单位线法,圩区汇流综合考虑最大调蓄水深、枯水水位上限以及泵站排涝模数等进行计算。平原河网地区水动力学模型由零维、一维模型所组成,通过“联系”耦合联立求解[13]。“联系”指模拟区域的联接关系,包括沿长江、沿杭州湾、环太湖主要枢纽以及城市防洪等工程中控制水流运动的堰闸、泵站等,水闸过流流量采用水力学的方法求解[14]。河网水动力模型概化了1.5万km河道,计算断面达1万余个,采用圣维南方程组求解计算断面水位、流量,计算步长为15 min。模型采用Preissmann四点隐式格式离散方程组,利用追赶法消元,得到河道首末断面的水位、流量表示的河段方程,结合边界条件,求解出节点水位后,回代到各河道,求出各段的流量和水位。描述一维水流运动的圣维南方程组为

(1)

2.2 基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型

采用传统的太湖流域水文水动力学耦合模型开展洪水风险实时预测较为困难,不仅需要大量基础资料支撑,而且计算速度极慢,无法实现全流域洪水淹没计算功能,加上模型计算前处理、后处理耗时长,时效性不足,为解决计算速度慢的问题,通常采用水量平铺法计算,这会导致淹涝从高程最低处开始,而不是按水流运动方向,与实际情况不符,难以支撑防汛调度决策。

构建基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型需要根据地形资料先构建数字高程模型[15];针对不同的前期影响雨量,以起涨水位为参数,采用决策树技术[16]分析平原河网地区降雨量与水位涨幅,并推求降雨径流系数曲线簇[17]:

ΔZi=f(Pi,Zi0)

(2)

式中:ΔZi为第i水利分区的水位涨幅,m;Pi为水利分区面雨量,mm;Zi0为第i水利分区的起涨水位,m。

降雨径流系数αij为从降雨到径流的综合折减系数。针对不同水利分区,分别采用对应分区不同起涨水位Zi0、不同场次降水建立各水利分区的降雨径流系数αij曲线簇。

由分区起涨水位Zi0、场次降水量Pij,根据式(2)可求得分区水位涨幅ΔZij,再由式(3)可以得到降雨径流系数αij:

(3)

式中:αij为第i水利分区第j场次降水的降雨径流系数;ΔTij为第i水利分区第j场次降水的水位涨幅,m;A外i为第i水利分区的圩外水面面积,km2;Wij为第i水利分区第j场次降水期间的净排水量,万m3;Rij为第i水利分区第j场次降雨量,mm;Ai为第i水利分区面积,km2。

根据预见期降雨预报成果与降雨径流系数曲线簇,计算各分区产水量。依据产水量,结合圩区和区域排涝能力、特征水位(致涝水位等)和实时水位(圩内外代表站起涨水位等),利用洪涝风险快速评估模型实现洪水淹涝风险、淹没范围(面积)以及强度(淹没水深、淹没历时等)的定量化评估。基于数字高程模型,将淹没范围信息在GIS中转换成矢量数据,当接收到Web端的洪水演进请求后,即可实现洪水淹没区域风险提示、快速预警及动态演示,详见参考文献[18]。本研究提出的基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估方法,综合考虑了区域外排和圩区排涝等因素,既解决了传统水力学法淹涝模拟速度极慢的问题,又解决了纯水文学法精度难以提高的问题,根据预见期降雨预报成果、前期实况降雨以及研究提出的太湖流域洪水预报模型计算的分区降雨径流系数曲线簇,计算各分区产水量。

将基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型应用于2018年“安比”“云雀”“摩羯”“温比亚”台风,2019年“利奇马”台风,2020年太湖流域性大洪水以及“黑格比”台风期间预测预报业务中,预测结果与实际情况基本吻合。以2020年太湖流域大洪水期间洪水淹涝风险预测预报服务为例,7月6日,气象部门预测流域未来24 h强降雨过程,据此预测流域杭嘉湖北部、淀泖片和长兴平原存在淹涝风险。根据太湖局防汛工作组现场了解,实际淹涝主要出现在杭嘉湖区北部,实际淹涝区域与预测结果基本吻合。流域各类水利工程调度措施根据预报意见提前启用,流域仅农业受灾,受灾面积约5万亩(0.33万hm2),避免了江苏省苏州市3万多人员的转移工作,因灾直接经济损失远小于1991,1999,2016年3个大水年,经济和社会效益显著。

3 基于河网多边形与汇流分布式动态单位线的产汇流模型

传统的太湖流域水文水动力学耦合模型将太湖流域划分为36个计算分区,分区面积介于250～3 192 km2,同一计算分区采用相同的降雨时空分布计算产水量,导致不同下垫面产水量被均化,造成了河网计算水位与实测水位过程相差较大。此外,太湖流域为典型的平原河网感潮地区,圩外塘坝洼地与主要河道湖泊相通,圩外水量影响了河网水量调蓄,对计算水位影响也较大[19]。为了解决降雨量和产水量均化的问题,本研究采用河网多边形分配平原区产流量,河网多边形指由河网、各类分界线所围成的封闭区域[20],即:河道所能接纳的圩外水量既与河道长度有关,也与河道过水能力等地理属性有关[21]。为了更准确地模拟平原区汇流,考虑到水面、水田、旱地、城镇等下垫面的不均匀性,本研究将太湖流域下垫面信息栅格化,利用地理信息系统提取网格下垫面的分布信息,使得一个河网多边形中包括多个网格,具备多种下垫面信息。

分区汇流分布式动态单位线构建包括:汇流路径计算、汇流时间计算、面积-时间曲线计算等步骤。在栅格化河网多边形的基础上,计算河网多边形内部每个网格到周围河道的综合系数,再将网格分配到综合系数最小的河道中,得到网格到河道的最短距离,即为网格汇流路径长度。汇流时间指汇流路径长度与平均汇流速度的比值,先计算时段内汇流到流域出口断面的网格,再计算时段内水流到流域出口的累计集水面积,即为面积-时间曲线。分布式单位线指面积分配比例与时间的关系,将单位线纵坐标(面积分配比例)除以分区总面积得到单位面积的汇流单位线。分区汇流分布式动态单位线通过计算不同时段水流面积,综合考虑了河网多边形内部网格距离河道最短距离与河道过水能力计算汇流路径长度、汇流时间,并将产水量信息分配到概化河道,再以分区面积-时间曲线为基本统计单元,计算流域各分区的汇流分布式动态单位线,改进了传统产水按40%、40%、20%比例的固定汇流曲线,从而最大可能地模拟平原河网区的坡面汇流过程,进一步提高水位预报精度。

考虑到欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式细网格预报产品在天气预报业务中应用广泛,效果较好[22],本研究基于欧洲中期天气预报中心模式数值降雨预报[23],以北京时间8:00时为初始场的24～240 h降雨预报,分辨率为0.125°×0.125°,对原有太湖流域产汇流模型结构进行改进,采用太湖流域水动力模型中概化的河道组成的河网多边形作为降雨产汇流计算单元,耦合网格数值降雨预报成果,以河网多边形作为新的产汇流模型的计算单元,本研究一共概化了近700个河网多边形,见图2。

图2 太湖流域河网多边形概化图Fig.2 Polygon generalization of the Taihu River Basin

结合GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》与防汛实际要求,太湖水位模拟许可误差为±0.03 m,河网水位模拟许可误差为±0.10 m,定义计算误差小于许可误差为合格,要求合格率(合格次数占总次数的比例)不低于85%。以2020年为率定期,2019年为验证期,率定期、验证期水位合格率分别为89%、86%,精度符合要求,可用于预报。

4 结果与分析

4.1 台风“烟花”概况

2021年第6号台风“烟花”于7月18日2:00在西北太平洋洋面上生成,25日12:30分在浙江省舟山普陀沿海登陆,登陆时中心附近最大风力13级(38 m/s);26日9:50在浙江省平湖市沿海再次登陆,登陆时中心附近最大风力10级(28 m/s);27日上午台风“烟花”移出太湖流域。台风“烟花”为有历史记录以来影响我国东部地区时间最长的台风,长达10 d。“烟花”台风移动缓慢、滞留时间偏长的原因有3个[24]:① 副热带高压(以下简称“副高”)偏北偏东,“烟花”台风处于副高减弱东退的鞍形场中,引导气流偏弱;② 副高西侧引导气流(向西北)与“烟花”台风东侧第8号台风“尼伯特”引导气流(向东南)相互牵制抵消;③ “烟花”台风在太湖流域登陆,下垫面温度高、地势平坦、水汽输送条件好,使得高层出流条件较好、垂直风切变低,使得保持较好的“暖心”结构[25]。根据统计,2021年7月23～30日累计降雨量227.5 mm,空间上南部大于北部,各分区中浦东浦西区最大,达319.8 mm,其次为浙西区、杭嘉湖区,分别为279.6,228.9 mm,其他分区在161.1～201.8 mm。

从空间分布来看,模式预报7月23～30日流域累计面雨量约为239.7 mm,其中浙西区最大,为414.4 mm,其次为杭嘉湖区348.5 mm、浦东浦西区274.7 mm,其他分区在98.2～188.6 mm。从时间分布来看,降雨集中在7月25～27日,太湖流域普降大到暴雨,局地大暴雨,23～28日降雨集中在南部浦东浦西区、杭嘉湖区与浙西区,29日降雨全流域较均匀,30日预报降雨西移到湖西区、浙西区,见图3。

图3 “烟花”台风登陆前后不同时刻太湖流域降雨预报Fig.3 Precipitation forecasting in Taihu River Basin at different time before and after the landing of Typhoon In-Fa

4.2 水位预报

分别以ECMWF网格数值降雨预报、分区数值降雨预报驱动太湖流域水文水动力学耦合模型(以下简称“网格预报驱动模型”“分区预报驱动模型”)计算太湖与河网代表站水位过程,预见期为10 d。将网格预报驱动模型计算的太湖与河网最高水位减去分区预报驱动模型计算的太湖与河网最高水位得到水位差值。正值差集中在网格数值降雨预报较分区降雨预报偏大的杭嘉湖区、浙西区、浦东浦西区与阳澄淀泖区,负值差集中在网格数值降雨预报较分区降雨预报偏小的湖西区,见图4。最高水位差的最大值为杭长桥0.42 m,所在网格数值预报7月23～30日累计降雨量较所在浙西区预报累计降雨量偏大159.0 mm;其次为陈墓(锦溪)0.36 m,所在网格数值降雨预报较阳澄淀泖区降雨预报偏大114.0 mm;杭嘉湖区、浦东浦西区、武澄锡虞区最高水位差最大值介于0.04～0.32 m,所在网格数值降雨预报较分区降雨预报偏大11.0～92.0 mm。最高水位差的最小值为王母观-0.17 m,所在网格数值预报累计降雨量较所在湖西区预报降雨量偏小70.0 mm;其次为坊前-0.10 m,所在网格数值预报累计降雨量较所在湖西区预报降雨量偏小26.0 mm。据统计,当网格数值降雨预报累计降雨量与分区预报降雨量相差50.0 mm时,水位代表站最高水位差可能超过河网水位模拟许可误差(±0.10 m)。与实测相比,75%的代表站网格预报驱动模型计算的最高水位误差低于分区预报驱动模型计算的最高水位误差,其中网格预报驱动模型计算的最高水位误差介于-0.20～0.26 m,分区预报驱动模型计算的最高水位误差介于0.05～0.37 m。

图4 代表站最高水位差(单位:m)Fig.4 Highest water stage differences of representative stations

将网格预报驱动模型计算的太湖与河网最高水位出现时间(以下简称“峰现时间”)减去分区预报驱动模型计算的峰现时间得到峰现时间差,见图5。无论是网格数值降雨预报较分区降雨预报偏大还是偏小,网格数值降雨预报的峰现时间均较分区预报的峰现时间提前。阳澄淀泖区苏州(枫桥)站提前幅度最大,达到了35 h,其次是湖西区常州(三)站,提前了29 h,其他站点提前时间介于1～19 h。与分区数值降雨预报峰现时间相比,网格数值降雨预报峰现时间与实况结果更加吻合。与实测相比,81%的代表站网格预报驱动模型计算的峰现时间误差低于分区预报驱动模型计算的峰现时间误差,其中网格预报驱动模型计算的峰现时间误差介于-9～13 h,分区预报驱动模型计算的峰现时间误差介于-12～3 h。

图5 代表站峰现时间差(单位:h)Fig.5 Highest water stage time occurrence differences of representative stations

4.3 超警超保与淹涝风险预测

从模型计算结果可知,两种模型计算的太湖与地区河网水位,水位均呈明显上升趋势,太湖将发生2021年第1号洪水,平原河网水位将普遍超警戒水位(以下简称“超警”),局地超保证水位(以下简称“超保”),见图6。网格、分区预报驱动模型均预报杭嘉湖区、阳澄淀泖区及江南运河沿线站点超保,网格预报驱动模型计算得到的超警超保范围高于分区预报驱动模型计算得到的超警超保范围。除此以外,采用网格预报驱动模型预报浙西区东苕溪(瓶窑、洛舍闸、德清大闸上)、长兴平原(长兴、杭长桥)出现较大超保范围,采用分区预报驱动模型预报湖西区北部(坊前、常州)出现超保范围。经统计,烟花台风影响期间,7月28日7:00太湖流域超警超保范围最大,共有97个河道、闸坝、潮位站水(潮)位超警戒,占设有警戒水(潮)位站点的93%,超警幅度为0.03～2.31 m;52个站点超保证,占设有保证水(潮)位站点的52%,超保证幅度为0.01～1.31 m。与分区数值降雨预报超警超保区域相比,网格数值降雨预报超警超保区域与实况结果更加吻合。

图6 超警超保风险区域Fig.6 Risk region prediction of water exceeding the alarming and guaranteed level

分别采用网格降雨数值预报、分区降雨数值预报驱动基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型,得到太湖流域洪水淹涝风险图,见图7。网格降雨数值预报7月27日杭嘉湖区嘉北、平湖、海盐一带,淹涝水深约0～0.5 m,局地达到0.5～1.0 m;浙西区长兴平原、阳澄淀泖区存在淹涝风险,淹涝水深约0～0.5 m,淹涝面积共计约300 km2。分区降雨数值预报与网格降雨数值预报的淹涝风险区域基本接近,但淹涝面积明显偏小,约100 km2,淹涝水深偏低,为0～0.5 m。根据太湖局防汛工作组现场了解,7月26日,杭嘉湖区运东片平湖发生淹涝,27日运西片王江泾、西苕溪流域晓墅港、苏州平望、苏州汾湖河滩上村、太浦河西城港闸发生淹涝,淹涝水深约0～0.5 m,局地达到0.6 m,即网格降雨数值预报预测洪水淹涝风险结果与实际情况更加吻合。

图7 太湖流域洪水淹涝风险Fig.7 Flood inundation risk region prediction

根据水位预报与洪水风险预测成果,太湖流域管理局在台风前全力预降太湖及地区河网水位,提前启用常熟水利枢纽闸泵联合全力排水,督促江苏省、浙江省、上海市加强太湖流域沿长江、沿杭州湾口门排水,并通过圩区、城防工程预降圩内水位;台风影响期间,为了缓解下游地区风、暴、潮、洪“四碰头”的防洪极端不利局面,支持江苏省开启蠡河水利枢纽,上海市开启蕰西闸、淀西闸,浙江省开启东导流东岸口门分泄区域洪水,错峰开启环太湖重要口门(望亭水利枢纽、太浦闸),充分发挥太湖拦蓄作用。“烟花”台风期间的预测预报服务,直接支撑了流域洪水与区域涝水的科学错峰调度,有效缓解了太湖流域下游地区的防洪压力,经济和社会效益显著。

5 结 论

基于欧洲中期天气预报中心模式数值降雨预报,对太湖流域产汇流模型结构进行改进,以河网多边形作为新的产汇流模型的计算单元,共概化了近700个河网多边形,采用太湖流域水动力模型中河道组成的河网多边形作为降雨产汇流计算单元,产汇流计算单元从水利分区细化为河网多边形,解决了暴雨中心雨峰坦化、降雨与径流在空间上的2次均化问题。

“烟花”台风期间,以ECMWF网格与分区数值降雨预报驱动太湖流域水文水动力学耦合模型计算了太湖与河网代表站水位过程与超警超保区域,同时驱动基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型计算太湖流域洪水淹涝风险。最高水位正值差集中在网格数值降雨预报较分区降雨预报偏大的杭嘉湖区、浙西区、浦东浦西区与阳澄淀泖区,负值差集中在网格数值降雨预报较分区降雨预报偏小的湖西区;网格数值降雨预报累计降雨量与分区预报降雨量相差50.0mm时,水位代表站最高水位差可能超过河网水位模拟许可误差。与实况相比,网格降雨数值预报预测的超警超保区域、洪水淹涝风险区域与实际情况更加吻合。“烟花”台风期间的洪水预报与风险预测服务,直接支撑了流域洪水与区域涝水科学错峰调度,有效缓解了下游地区的防洪压力,经济和社会效益显著。