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苏南运河沿线精细化水文-水动力模型构建及验证

杨帆 周钰林 范子武 乌景秀 贾本有 刘国庆 谢忱 王朝勇

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苏南运河沿线精细化水文-水动力模型构建及验证

    作者简介: 杨 帆(1992—),男,江苏句容人,博士研究生,主要从事城市水力学研究。E-mail:yangfan-1992@foxmail.com.
    通讯作者: 范子武(E-mail:zwfan@nhri.cn); 
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401503);江苏省水利科技重大技术攻关项目(2016005,2016009);国家自然科学基金资助项目(51709178)
  • 中图分类号: TV213.4

Building and verification of refined hydrology-hydrodynamic model for South Jiangsu Canal and its river networks

    Corresponding author: FAN Ziwu, zwfan@nhri.cn;
  • 摘要: 苏南运河自北向南穿过太湖流域腹部,具有航运、防洪排涝、灌溉和景观功能。近些年,运河汛期水位连年超历史,造成运河沿线及周边受灾严重。精细化水文-水动力模型可为运河高水位成因分析、防汛排涝调度决策、新老工程效益评估提供技术手段。基于Infoworks ICM软件,充分考虑苏南运河沿线平原河网地区圩区、城区管网以及复杂下垫面,构建了苏南运河沿线平原河网水文水动力模型。鉴于苏南运河沿线水系边界难以确定,将模型构建范围扩大至2.16万km2。采用2015年和2016年的汛期实况降雨、水位和调度数据对模型进行率定和验证。绝大多数水文站点水位模拟纳什系数接近于1,模型可信度高;可决系数显示相关性中等偏上,模型总体结果可信。同时相比其他片区,湖西区精度更高,主要原因是相比其他片区,湖西区受人为调度干预较少。
  • 图 1  模型构建范围

    Figure 1.  Scope of model development

    图 2  研究范围内下垫面分布

    Figure 2.  Distribution of different surfaces in study area

    图 3  率定结果

    Figure 3.  Calibration results

    图 4  验证结果

    Figure 4.  Verification results

    表 1  率定及验证结果分析

    Table 1.  Analysis table of calibration and verification results

    所属片区率定编号验证点fNSER2所属片区率定编号验证点fNSER2
    湖西区1旧县0.98/0.890.99/0.92武澄锡虞区1常州(三)0.85/0.750.95/0.94
    2丹阳0.94/0.600.97/0.912青阳0.83/0.820.96/0.87
    3丹金闸(闸上游)0.98/0.670.99/0.963无锡(大)0.85/0.390.96/0.44
    4丹金闸(闸下游)0.99/0.700.99/0.944望亭立交闸上游0.81/0.870.81/0.94
    5河口0.98/0.420.98/0.955陈墅0.80/0.590.97/0.66
    6南渡0.93/0.520.93/0.926甘露0.950.760.95/0.89
    7宜兴(西)0.98/0.940.99/0.95阳澄淀泖区1苏州(枫桥)0.63/0.500.90/0.80
    8大浦口0.95/0.900.98/0.992直塘0.53/0.820.92/0.90
    9坊前0.92/0.820.92/0.963昆山(二)0.77/0.800.85/0.88
    10黄埝桥0.85/0.740.92/0.884陈墓0.81/0.750.92/0.81
    11金坛0.99/0.910.99/0.975平望0.86/0.630.96/0.74
    浦西1米市渡0.75/0.800.77/0.81
      注:“/”前为率定结果,“/”后为验证结果。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-15
  • 刊出日期:  2020-02-01

苏南运河沿线精细化水文-水动力模型构建及验证

    通讯作者: 范子武, zwfan@nhri.cn
    作者简介: 杨 帆(1992—),男,江苏句容人,博士研究生,主要从事城市水力学研究。E-mail:yangfan-1992@foxmail.com
  • 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029
  • 2. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098
  • 3. 苏州市河道管理处, 江苏 苏州 215124
  • 4. 苏州市水务局,江苏 苏州 215004

摘要: 苏南运河自北向南穿过太湖流域腹部,具有航运、防洪排涝、灌溉和景观功能。近些年,运河汛期水位连年超历史,造成运河沿线及周边受灾严重。精细化水文-水动力模型可为运河高水位成因分析、防汛排涝调度决策、新老工程效益评估提供技术手段。基于Infoworks ICM软件,充分考虑苏南运河沿线平原河网地区圩区、城区管网以及复杂下垫面,构建了苏南运河沿线平原河网水文水动力模型。鉴于苏南运河沿线水系边界难以确定,将模型构建范围扩大至2.16万km2。采用2015年和2016年的汛期实况降雨、水位和调度数据对模型进行率定和验证。绝大多数水文站点水位模拟纳什系数接近于1,模型可信度高;可决系数显示相关性中等偏上,模型总体结果可信。同时相比其他片区,湖西区精度更高,主要原因是相比其他片区,湖西区受人为调度干预较少。

English Abstract

  • 苏南运河地处平原河网地区,河网密布、湖荡众多、水利工程众多、下垫面条件复杂,自北向南途经镇江、常州、无锡和苏州四市,沟通长江与太湖流域腹部平原河网地区,具有腹部地区涝水的调节和排泄作用。然而近些年汛期,运河主要代表站水位连年出现超历史水位,运河沿线及周边地区受灾严重,引起专家及社会的关注[1-2]。水文-水动力数学模型在城市内涝分析[3-6]、雨洪资源管理和利用[7-8]、洪涝治理措施评估[9-11]以及预报预警[12-15]等方面应用广泛,可为苏南运河高水位成因分析以及防汛排涝调度决策提供技术手段和科学依据。

    目前,行业成熟的商业软件如SWMM,MIKE系列和HEC系列等,为水文-水动力模型的构建及计算提供了便捷[16-18]。然而,平原河网地区水文水动力模型主要划分为两类,一部分属于大尺度洪水流域性模型,模型主要涵盖主干河网,对其他等级河道、湖泊和圩区等多采用了概化处理;另一部分属于城区雨洪模型,对于城区河道以及管网精细刻画,然而模型尺度小。目前,大尺度平原河网地区精细化水文-水动力模型的研究和应用还较少。本文基于Infoworks ICM软件构建苏南运河沿线精细化水文-水动力模型,充分考虑复杂下垫面及圩区,进行汇水单元划分及产汇流模型选择,细致完成全国水利普查河流、全省拓展河流及村镇级河流精细化创建以及耦合嵌套城区管网模型,最后采用2015年和2016年实况年降雨、水位和调度资料对模型进行率定和验证。

    • 苏南运河贯穿苏、锡、常、镇四市,北起镇江的长江谏壁口门,南至江浙交界的鸭子坝,全长约212.5 km,自北向南穿越太湖流域腹地,沿途与太湖平原河网诸水系交汇,是流域整个河网中一条横贯南北的纵向骨干河道。由于平原河网地区河流比降小、河道纵横交错,众多排江骨干河道穿越苏南运河连通太湖和长江,很难独立划分出苏南运河沿线的边界范围。鉴于此,以太湖流域为背景,模型构建范围北临长江,南抵太湖,西部以茅山山脉为界,东部以黄浦江为界,面积约为2.16万km2,如图1所示。按照江苏省太湖流域水利分区,研究范围主要包括湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、太湖区以及杭嘉湖区(苏)。

      图  1  模型构建范围

      Figure 1.  Scope of model development

      研究范围内主要以平原为主,其次是水面,其余为丘陵和山地。地形特点为西部和北部高,中部底。中间为平原、洼地,包括太湖及湖东中小湖群,湖西洮湖、滆湖;西部为茅山山麓丘陵;北部受长江口泥沙淤积的影响,形成沿江高地。

    • 降落的雨水在植物截留、填洼后在地表形成地表径流,与此同时,部分雨水下渗形成地下径流,最终两部分径流汇入河网出流。水文产汇流模型是对复杂水文模型的抽象和概化,能够模拟水循环过程的主要特征。苏南运河沿线水文产汇流特性具有一定的复杂性:①下垫面种类复杂,最新下垫面电子地图将下垫面划分成39种类型;②存在大量的圩区,圩区边界线隔断了圩区内外水文自然连通;③水利工程调控作用影响明显,平原河网地区河道坡度小水动力条件弱,主要依靠水利工程对水体进行引排调控。

    • 研究范围内的土地利用类型对于模型产水量和汇流时间影响很大,根据太湖流域水资源分区市县级行政分区下垫面资料以及1:10 000下垫面电子地图,将下垫面类型分为39种类型,划分太细过于复杂。根据王船海等的研究成果[19],将39种下垫面类型合并成4种用地类型:旱地、水田、水面以及建设用地,其空间分布如图2所示。

      图  2  研究范围内下垫面分布

      Figure 2.  Distribution of different surfaces in study area

    • 本文中水文模型水量计算,根据各汇水区上不同的土地类型采用不同水文模型和参数计算出流量过程线,然后叠加整个汇水区上的流量过程线,最后通过汇流路径分配到相关河段。因此,汇水单元的划分以及水量分配对于水文计算影响很大。对于平原较小区域,通常采用泰森多边形法对汇水单元进行划分。然而,由于范围面积大,不仅涉及平原区还有山丘区。同时,研究范围内包含众多的圩区,其中湖西区334个、阳澄淀泖区360个、武澄锡虞区296个、太湖区50个、杭嘉湖区(苏)82个。圩区内外水体交换不同于自然交换,主要通过水利工程联系。此外,不同的圩区类型内部产汇流机理也不同。因此汇水单元的划分需要结合地形、圩区、城市排水规划等资料。

      西部山丘区汇水单元划分原则:首先根据地形通过水文分析,划分出大的汇水区。局部汇水区如水库汇水区的划分,需要与已有资料进行校核,然后将汇水区分配到水库或者沿程河道。平原区圩区汇水单元划分原则:汇水区不可跨越圩区,首先确定汇水区范围为圩区的范围边界,然后再进行细化。农村圩区,依据排涝规划等资料、泰森多边形法等进一步细分汇水单元。城镇圩区,依据市政管网排水规划等资料、泰森多边形法等进一步细分汇水单元。平原非圩区汇水单元划分原则:依据排涝规划等资料、现场调研、泰森多边形法等划分集水单元。研究范围内共划分汇水单元5 135个。

    • 模型中产汇流计算方法为:首先根据下垫面资料将研究范围内划分成4类用地类型,确定每种用地类型采用不同的模型和参数。其次,结合地形、圩区、排水排涝规划划分汇水单元。继而通过汇水单元和4类用地类型空间叠加分析,计算出每个汇水单元4种用地类型的比例。最后根据不同用地类型产汇流模型以及汇水单元所占比例,计算出每个汇水单元的流量过程。

      ①水面以及建设用地:主要采用固定比例径流模型,即固定径流系数法,对于特定产流面,产流量是总雨量的固定比例。径流系数C(iT)主要由产流面的类型、表面植被种类以及地面坡度决定,同时受降雨特性(强度、历时)等因素的影响。对于水面,认为全部产流,C(iT)取固定值1;对于有试验数据的建设用地区域,采用实测C(iT)关系;对于缺乏实测资料的建设用地,可根据建设用地类型中子类计算出综合径流系数进行计算,如0.70~0.95。②旱地和水田:主要采用Horton模型。

      由于模型中河道精细化构建,汇水单元划分较小,可选择单一汇流模型。汇流模型采用非线性水库模型。

    • 研究范围内,除湖西山丘区部分河道外,绝大多数河流水面比降小,平均坡降约十万分之一。因此,苏南运河沿线水动力模型精细化构建体现在3个方面:第一,采用实测断面尽可能多地构建多等级河网,细致刻画实际河流、湖泊的调蓄和连通输移特性;第二,参照实际工情对研究区域内的水利工程进行创建,准确刻画水利工程对河道水流的调度调控作用;第三,城区部分增加排水管网的构建,将城市雨洪模型和流域区域洪水模型嵌套模拟。

    • 研究区域内国普河流以及全省拓展河流均采用实测断面以及河道中心线进行河网创建。对于村级河道进行概化处理,概化原则如下:对于河道两侧有实测断面,中间需要添加断面情形时,根据就近断面线性差值方法;河道两端无实测断面情形时,概化成梯形断面,断面顶宽根据影像图确定,断面边坡根据相近河道断面确定,断面顶高程根据地形高程和相近河道堤防综合考虑,断面底高程参考相近河道底高程。参照水利普查中水利工程资料对区域内水利工程进行创建。

      圩区河网模型创建需要满足以下3个条件:①圩区水力封闭,边界线处均通过水利工程同圩外河道连通;②圩区内河网模型调蓄容积与实际调蓄容积相近;③圩区各泵站排涝能力与实际排涝能力一致。

    • 依据常州和无锡城区管网资料构建管网模型,同时对管网的拓扑关系进行梳理和检查。管网与河网的耦合,一部分采用直排方式直接连接河网,另一部分通过水利工程连接河网。

    • 研究范围内水利工程众多,模型中创建水闸2 253座,泵站2 986座。虽然水利工程调度复杂,众多水利工程调度中大致可划分为如下几类:①沿江口门调度;②环湖口门调度;③湖西山区水库调度;④流域区域骨干工程调度;⑤圩区调度,含城区防洪大包围调度。

    • 河道和排水管网(非满流有压状态时)都属于开敞明渠,两者采用圣维南方程组进行描述。因此,河道和城市排水管网可以联合耦合计算。一维河道、管网采用有限差分方法,Preissmann隐式格式方法进行离散求解。

    • 研究范围内有大量水库以及湖荡,例如湖西片有沙河水库、大溪水库、横山水库等,区域内有大型湖泊如太湖、滆湖和阳澄湖等以及众多小型池荡,如方家荡、老人荡等。模型中对水库湖泊的计算方式有两种:①零维处理计算,对于水库以及小型湖泊等,采用水位面积曲线将其零维处理成一个水量调蓄节点。②二维处理计算,对于太湖等大型浅水湖泊,湖泊面积大,湖泊不仅具有水量调节作用,自身内部也具有流场的输移等属性。因此,模型中需要对此进行二维处理,采用浅水方程通过有限体积法离散求解。

    • 本次模型构建范围涉及湖西片、武澄锡虞片、阳澄淀泖片、杭嘉湖片(苏)以及浦西片,区域内圩区湖荡众多,圩区约1 122个,湖泊130多个,此外湖西区需考虑水库的调蓄以及下泄过程。

      模型初始条件主要考虑水库的初始水位、不同二级圩区内部初始水位以及与枢纽工程连接的骨干河网初始水位;模型边界条件采用长江沿线潮位控制;降雨根据模型构建范围内225个雨量站划分降雨区间,将实测降雨分配到对应的汇水单元。

      本次模型率定和验证采用湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区以及浦西区域内的水文站点,其中湖西片选取旧县、丹阳、丹金闸(闸上游)、丹金闸(闸下游)、河口、南渡、宜兴(西)、大浦口、坊前、黄埝桥、金坛;武澄锡虞片选取常州(三)、青阳、无锡(大)、望亭立交闸上游、陈墅、甘露;阳澄淀泖片选取苏州(枫桥)、湘城、昆山(二)、陈墓、平望;浦西片选取米市渡,选取的站点基本均匀分布于各个片区。

      按照模型率定验证相关规范要求,率定验证中采用纳什系数(f NSE)和可决系数(R 2)对模型有效性进行评定。纳什系数(fNSE)用于表示模拟计算值系列与实测系列数量级近似程度,可决系数(R 2)用来表示模拟计算值系列与实测系列形状吻合程度。

      $ {f_{\rm{NSE}}} = 1 - \left[ {\frac{{\mathop \sum \limits_{{{i}} = 1}^{{n}} {{\left( {{{Y}}_{{{\rm o},i}}- {{Y}}_{{{\rm s},i}}} \right)}^2}}}{{\mathop \sum \limits_{{{i}} = 1}^{{n}} {{\left( {{{Y}}_{{{\rm o},i}}- {{Y}}_{{{\rm m},i}}} \right)}^2}}}} \right] $

      (1)

      式中:fNSE为模拟场次洪水过程Nash系数;$ {{Y}}_{{{\rm o},i}}$为实测序列第i位数据;$ {{Y}}_{{{\rm s},i}}$为计算序列第i位数据;$ {{Y}}_{{{\rm m},i}}$为实测序列均值;n为实测数据总数。

      ${{{R}}^2} = \frac{{{{{\sum {\left( {{{{Y}}_{{\rm o}}} - \overline {{{{Y}}_{{\rm o}}}} } \right)} }^2}}} - {{{{\sum {\left( {{{{Y}}_{{\rm o}}} - {{{{Y}}_{{\rm s}}}} } \right)} }^2}}}}{{{{\sum {\left( {{{{Y}}_{{\rm o}}} - \overline {{{{Y}}_{{\rm o}}}} } \right)} }^2}}}$

      (2)

      式中:R2为模拟场次洪水过程可决系数;Yo为实测序列数据;$ \overline {{{{Y}}_{{\rm o}}}} $为实测序列均值;Ys为计算序列数据。

    • 选取率定时段为2015年6月15日00:00至6月21日00:00。模型率定结果如表1所示。

      表 1  率定及验证结果分析

      Table 1.  Analysis table of calibration and verification results

      所属片区率定编号验证点fNSER2所属片区率定编号验证点fNSER2
      湖西区1旧县0.98/0.890.99/0.92武澄锡虞区1常州(三)0.85/0.750.95/0.94
      2丹阳0.94/0.600.97/0.912青阳0.83/0.820.96/0.87
      3丹金闸(闸上游)0.98/0.670.99/0.963无锡(大)0.85/0.390.96/0.44
      4丹金闸(闸下游)0.99/0.700.99/0.944望亭立交闸上游0.81/0.870.81/0.94
      5河口0.98/0.420.98/0.955陈墅0.80/0.590.97/0.66
      6南渡0.93/0.520.93/0.926甘露0.950.760.95/0.89
      7宜兴(西)0.98/0.940.99/0.95阳澄淀泖区1苏州(枫桥)0.63/0.500.90/0.80
      8大浦口0.95/0.900.98/0.992直塘0.53/0.820.92/0.90
      9坊前0.92/0.820.92/0.963昆山(二)0.77/0.800.85/0.88
      10黄埝桥0.85/0.740.92/0.884陈墓0.81/0.750.92/0.81
      11金坛0.99/0.910.99/0.975平望0.86/0.630.96/0.74
      浦西1米市渡0.75/0.800.77/0.81
        注:“/”前为率定结果,“/”后为验证结果。

      由表1可得,所有站点Nash系数fNSE均值为0.87,可决系数R2均值为0.94;湖西区Nash系数fNSE均值为0.95,可决系数R2均值为0.97;武澄锡虞区Nash系数fNSE均值为0.85,可决系数R2均值为0.93;阳澄淀泖区Nash系数fNSE均值为0.72,可决系数R2均值为0.91;浦西区Nash系数fNSE均值为0.75,可决系数R2均值为0.77。整体而言,本次模型率定结果可信度高、相关性好,就各片区可信度和相关性而言,湖西区>武澄锡虞区>阳澄淀泖区>浦西区。

      模型经过率定,最终确定新沟河、新孟河、望虞河、德胜河、澡港河、利港、申港、张家港、走马塘等通江河道和苏南运河、严埭港、北兴塘-转水河、古运河、九里河、伯渎港等骨干河道糙率为0.022 5~0.025 0;新龙河、北塘河、环城河、桐桥港、旺庄港、冷渎港、东亭港以及酱园浜等河道糙率为0.025~0.030,其他二级圩内河道糙率为0.030~0.040。

      模型范围内部分站点率定结果如图3所示。

      图  3  率定结果

      Figure 3.  Calibration results

    • 在模型率定的基础上,开展了模型的验证计算,验证时段为2016年7月1日00:00至7月10日00:00。验证得出:除部分站点如无锡(大)站点由于水利工程实际调度数据不全,与验证结果偏差较大外,其他大多数站点Nash系数fNSE都大于0,并且绝大多数站点Nash系数fNSE接近于1,表明模式质量好可信度高,可决系数R2结果表明相关性中等偏上,模型总体结果可信。

      模型验证结果如表1所示,所有站点Nash系数fNSE均值为0.72,可决系数R2均值为0.87;湖西区Nash系数fNSE均值为0.74,可决系数R2均值为0.94;武澄锡虞区Nash系数fNSE均值为0.70,可决系数R2均值为0.79;阳澄淀泖区Nash系数fNSE均值为0.70,可决系数R2均值为0.83;浦西区Nash系数fNSE均值为0.80,可决系数R2均值为0.81。

      验证结果表明模型整体可信度高、相关性好;就各片区可信度而言,浦西区>湖西区>武澄锡虞区>阳澄淀泖区;就各片区相关性而言,湖西区>阳澄淀泖区>浦西区>武澄锡虞区。湖西区整体而言要比其他片区精确度要高,其主要原因是相比其他区湖西区受人为调度干预较少。表中无锡(大)站点Nash系数fNSE和可决系数R2均较低,受无锡大包围运行调度影响。

      模型范围内部分站点验证结果如图4所示。

      图  4  验证结果

      Figure 4.  Verification results

    • 本文基于Infoworks ICM构建了苏南运河沿线精细化水文-水动力模型,模型构建范围2.16万km2,模型中河道总长度1.54万km、水闸2 253座、泵站2 986座、湖泊及水库共136个。采用2015年和2016年汛期实况降雨、水位和调度数据对模型分别进行了率定和验证,模型整体的可信度较高、相关性好,率定结果显示所有站点Nash系数 f NSE均值为0.87,可决系数 R 2均值为0.94;验证结果显示所有站点Nash系数fNSE均值为0.72,可决系数R2均值为0.87。该模型可为苏南运河沿线平原河网地区防洪排涝、预报预警、防汛调度决策、工程建设效果评估等应用领域提供技术支撑。

参考文献 (19)

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