孟鉦秀

（上海市浦東新區(qū)水文水資源管理署，上海 200129）

1 問題的提出

近年來，浦東新區(qū)積極推進(jìn)水環(huán)境綜合治理，水環(huán)境面貌持續(xù)改善，但與國家級新區(qū)的生態(tài)環(huán)境定位和市民對水環(huán)境質(zhì)量的要求仍有較大差距。為切實(shí)加大水污染防治力度，持續(xù)提高水環(huán)境質(zhì)量，亟需全面掌握浦東新區(qū)河網(wǎng)水系的水文、水動力狀態(tài)，科學(xué)分析河道水環(huán)境現(xiàn)狀，提出有針對性的規(guī)劃整治方案。因此，浦東新區(qū)水文水資源管理署利用對浦東新區(qū)河道水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期積累和技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)條件，開發(fā)基于MIKE11的水文水動力模型，為浦東新區(qū)各項(xiàng)水環(huán)境綜合整治方案提供科學(xué)決策和優(yōu)化改善的工具，同時為水質(zhì)模型的建立提供了水動力基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)域概況

水文水動力模型研究區(qū)域?yàn)橥暾钠謻|水利片區(qū)，包括浦東新區(qū)、奉賢區(qū)和閔行區(qū)（黃浦江以東），總面積為2 220.5 km2。

浦東新區(qū)屬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，外圍由長江口與黃浦江水域環(huán)抱，內(nèi)河水位由沿江沿海泵閘控制[1]。境內(nèi)河港密布、溝渠縱橫，但分布不均。主要河流有環(huán)繞區(qū)境的黃浦江，以及東西向的川楊河、張家浜、大治河、六灶港，南北向的浦東運(yùn)河、隨塘河、馬家浜、宣六港、團(tuán)蘆港等。

浦東新區(qū)降雨充沛，浦東新區(qū)多年平均降水量為1 207.3 mm，具有雨量多、短時降雨強(qiáng)度大、雨季長、地區(qū)分布不均等特點(diǎn)，但內(nèi)河水源水質(zhì)較差，水質(zhì)型缺水問題突出。利用外圍水閘進(jìn)行防洪、引清排污、改善內(nèi)河水質(zhì)，逐步形成了“外擋、內(nèi)控、引清、調(diào)活”的水資源調(diào)度方式。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型原理

本項(xiàng)目采用MIKE 11軟件作為基本的建模工具進(jìn)行模型開發(fā)。浦東水文水動力模型包括：產(chǎn)匯流計(jì)算模塊、水動力計(jì)算模塊、結(jié)構(gòu)物調(diào)度計(jì)算模塊等。這些模塊之間相對獨(dú)立又相互耦合，其中產(chǎn)匯流計(jì)算通過MIKE 11 RR模型中的NAM模塊，河道水動力計(jì)算采用MIKE 11 HD模塊。

3.1.1 產(chǎn)匯流計(jì)算模塊

MIKE11采用NAM模塊（模型結(jié)構(gòu)見圖1）完成產(chǎn)匯流計(jì)算，NAM以集水區(qū)為單位模擬計(jì)算地表降雨凈流量，計(jì)算結(jié)果可為浦東河網(wǎng)水動力模型提供地表降雨徑流入河流量[2-3]。

NAM模型的氣象輸入資料包括：降雨、蒸發(fā)能力和溫度，輸出主要有：徑流量和水位、以及其它的水文要素如土壤含水率和地下補(bǔ)給量。NAM 模型的主要參數(shù)包括：地表儲水層最大含水率Umax，根區(qū)儲水層最大含水率Lmax，坡面流匯流系數(shù)CQOF，壤中流匯流時間CKIF，坡面流匯流時間CK1，2，坡面流產(chǎn)流臨界值TOF，壤中流產(chǎn)流臨界值TIF，根區(qū)地下水補(bǔ)給臨界值TG和基流匯流時間CKBF。

圖1 NAM模型結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 水動力計(jì)算模塊

河網(wǎng)水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息，并模擬泵站和閘門調(diào)度規(guī)則對河道水文條件的影響，

一維河道水動力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程組，即一維非恒定流Saint - Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)[4-6]。方程組如下：

式中：x、t 分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時間的坐標(biāo)，A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2），Q為過流流量（m3/s），h為水位（m），q為旁側(cè)入流流量（m3/s），n為曼寧系數(shù)，R為水力半徑（m），α為動量校正系數(shù)，g為重力加速度。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 水文分區(qū)劃分

水文模型的構(gòu)建最主要的工作是對集水區(qū)域進(jìn)行合理的劃分，浦東水利片總面積為2 220.5 km2，浦東新區(qū)排水系統(tǒng)有2類：①強(qiáng)排區(qū)域內(nèi)降雨通過雨水管網(wǎng)并經(jīng)由直排泵站點(diǎn)狀入河；②自排區(qū)域內(nèi)降雨就近匯入附近河道。集水區(qū)分為3類：①泵站服務(wù)區(qū)；②自排區(qū)；③排水系統(tǒng)以外集水區(qū)域。

本次研究在降雨徑流模擬過程中，一共劃分了115個水文分區(qū)，其中泵站服務(wù)區(qū)和自排區(qū)共有84個（見圖2）。

圖2 水文計(jì)算分區(qū)劃分圖

3.2.2 水文參數(shù)設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)有資料，浦東水利片115個水文分區(qū)的主要參數(shù)取值見表1。

表1 主要水文參數(shù)取值表

3.2.3 河網(wǎng)構(gòu)建

浦東水利片河網(wǎng)復(fù)雜密集，本次研究共概化234條河道（見圖3）。概化總長度為1 632 km，斷面3 106個，平均每500 m布置一個斷面。整個模型包括6 779個計(jì)算點(diǎn)。

未被概化的中小河道及水體將都以額外庫容的形式添加至已概化的相鄰河道斷面中，參與水量調(diào)蓄的計(jì)算。概化的具體原則如下：

（1）以所概化的河道斷面為基礎(chǔ)生成二維拓?fù)洌?/p>

（2）以此二維拓?fù)鋵b測水面拓?fù)溥M(jìn)行分割；

（3）分割后可得到每個河道網(wǎng)格內(nèi)未在河網(wǎng)斷面中概化的中小河道及蓄水體的水面面積，此處記為Ai；

（4）依據(jù)模型概化庫容和實(shí)際庫容曲線可以得到模型仍需概化的庫容；

（5）將每個水位下的未概化庫容依據(jù)Ai按面積分配至所圍區(qū)域相鄰的已概化河道斷面上。

圖3 水系河網(wǎng)概化圖

3.2.4 水工建筑物設(shè)置

水工建筑物主要為沿黃浦江一側(cè)的閘門及沿長江一側(cè)的擋潮閘；所有閘門均以實(shí)際調(diào)度記錄設(shè)置。浦東水利片所概化的水閘分布見圖4。

圖4 概化的水閘分布圖

3.2.5 水文水動力模型耦合

水文模型與水動力模型耦合的主要原則為：①根據(jù)與水文分區(qū)所連河道的長度按比例對水文分區(qū)的面積進(jìn)行劃分；②將所劃分的部分面積以分布式連接的形式與相應(yīng)河道進(jìn)行連接，使產(chǎn)流可均勻匯入相鄰河道。

3.2.6 邊界條件

外部邊界的設(shè)置主要指水位設(shè)置。黃浦江上游采用米市渡水位邊界，下游采用高橋的水位邊界；與長江交互邊界，均為潮位邊界。

3.2.7 水動力初始條件

浦東水利片水系復(fù)雜，本次研究盡可能獲取實(shí)測站點(diǎn)水位、流量信息作為初始輸入條件，模型通過這些信息進(jìn)行空間插值、啟動計(jì)算，待計(jì)算穩(wěn)定之后，再取穩(wěn)定后的空間條件作為初始條件，進(jìn)行模型計(jì)算。

4 模型結(jié)果與分析

模型率定是模型開發(fā)的重要內(nèi)容，它是將模型模擬結(jié)果與實(shí)測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)以獲得更為理想的擬合結(jié)果[5]。由于平原河網(wǎng)地區(qū)很難對單獨(dú)水文分區(qū)的模擬結(jié)果進(jìn)行率定，本次研究將水文模型與水動力模型進(jìn)行聯(lián)合率定。

4.1 數(shù)據(jù)收集與處理

本次研究共收集到以下幾類數(shù)據(jù)：①河網(wǎng)水系數(shù)據(jù)。包括：2015年浦東新區(qū)水面的遙測數(shù)據(jù)、2013年閔行和奉賢區(qū)水面的遙測數(shù)據(jù)、2015年浦東新區(qū)一級、二級、三級水系圖以及2013年閔行和奉賢區(qū)市級、區(qū)級、鎮(zhèn)級、村級水系圖。②斷面數(shù)據(jù)。包括：144條河道的實(shí)測斷面資料。其中42條河道為2006年實(shí)測資料，102條河道為2011年實(shí)測資料。③水文氣象數(shù)據(jù)。包括：浦東新區(qū)60個雨量站點(diǎn)2010 — 2016年的5 min累積雨量、高橋站2010 — 2016年的逐日蒸發(fā)量以及32個水位站2010 — 2016年5 min間隔水位。④水工建筑物數(shù)據(jù)。包括：2010 — 2016年4月浦東水利片36座閘門的調(diào)度記錄。為了與輸入的數(shù)據(jù)年限保持同步性，選取2014年作為模型率定期。

4.2 模型結(jié)果與分析

4.2.1 流量結(jié)果

由于內(nèi)河缺少實(shí)測流量數(shù)據(jù)，流量率定主要集中邊界閘門處。經(jīng)模型計(jì)算，2014年幾個水閘引排水量的模擬值與實(shí)測值的比較見表2。

表2 2014年幾個水閘引排水量的模擬值與實(shí)測值的比較表 億m3

由表2可見，主要引水閘門的引水量模擬誤差基本控制在20%以內(nèi)，排水閘過閘流量的誤差偏大。在引水量基本符合要求的情況下，排水量的誤差可能由水文模型的計(jì)算結(jié)果誤差造成。

4.2.2 水位結(jié)果

本次選取4個內(nèi)河水位站：趙橋、張江水廠、航頭及泥城進(jìn)行率定。經(jīng)計(jì)算：趙橋水位模擬在1月，7 — 12月模擬值與實(shí)測值擬合較好；2 — 6月在局部退水期模擬值偏低約20 cm；張江水廠2 — 5月份模擬水位值整體偏低約15 cm；7 — 8月局部時段模擬值偏高約10 cm，其余時段水位偏差較??；航頭站2月模擬退水時段水位值偏低約15 cm，7 — 8月局部時段模擬值偏高約10 cm，其余時段水位偏差在10 cm以內(nèi)；泥城2 — 5月模擬水位值整體偏低約15 cm，7 — 8月局部時段模擬值偏高約10 cm，其余時段水位偏差較小。

經(jīng)分析，水位模擬的偏差可能是由于以下原因?qū)е拢孩倌M的閘門流量與實(shí)測的流量有偏差，是導(dǎo)致水位部分月份模擬不理想的原因之一；②現(xiàn)有水文模型仍然采用統(tǒng)一參數(shù)，取值并不能完全反映整個浦東水利片區(qū)的下墊面特性；③模擬全年情況下，不同月份可能有取用水的情況，比如農(nóng)作物的灌溉等，這些可能會對模擬結(jié)果造成一定影響；④目前水動力模型中尚未對糙率進(jìn)行詳細(xì)率定，也可能導(dǎo)致局部水位模擬不好。

結(jié)合誤差原因，將從以下方面提高模型結(jié)果精度：①以實(shí)際流量作為邊界，排除因進(jìn)出口閘門模擬不好導(dǎo)致的水位模擬問題；②結(jié)合收集到的用地性質(zhì)等，分析浦東水利片區(qū)的下墊面特性的空間分布，以此為依據(jù)調(diào)整水文模型參數(shù)；③盡量收集取用水?dāng)?shù)據(jù)；④根據(jù)水位站的實(shí)測水位率定糙率。

5 結(jié) 語

（1）浦東水文水動力模型的模擬結(jié)果能夠滿足區(qū)域水位模擬和水量調(diào)度的需要，所確定的參數(shù)基本能反映河道和流域特征。

（2）結(jié)合浦東水利片區(qū)實(shí)測水文資料，水文水動力模型可為浦東新區(qū)防汛防臺、水資源調(diào)度、水環(huán)境改善提供科學(xué)決策支持。

（3）水量是污染物排放的載體，因此，本文研究結(jié)果還可為水質(zhì)與水動力模型研究提供水動力基礎(chǔ)。