楊 帆，周鈺林，范子武，烏景秀，賈本有，劉國慶，謝 忱，王朝勇

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 蘇州市河道管理處， 江蘇 蘇州 215124；4. 蘇州市水務(wù)局，江蘇 蘇州 215004)

蘇南運(yùn)河地處平原河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)密布、湖蕩眾多、水利工程眾多、下墊面條件復(fù)雜，自北向南途經(jīng)鎮(zhèn)江、常州、無錫和蘇州四市，溝通長江與太湖流域腹部平原河網(wǎng)地區(qū)，具有腹部地區(qū)澇水的調(diào)節(jié)和排泄作用。然而近些年汛期，運(yùn)河主要代表站水位連年出現(xiàn)超歷史水位，運(yùn)河沿線及周邊地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，引起專家及社會(huì)的關(guān)注[1-2]。水文-水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型在城市內(nèi)澇分析[3-6]、雨洪資源管理和利用[7-8]、洪澇治理措施評(píng)估[9-11]以及預(yù)報(bào)預(yù)警[12-15]等方面應(yīng)用廣泛，可為蘇南運(yùn)河高水位成因分析以及防汛排澇調(diào)度決策提供技術(shù)手段和科學(xué)依據(jù)。

目前，行業(yè)成熟的商業(yè)軟件如SWMM，MIKE系列和HEC系列等，為水文-水動(dòng)力模型的構(gòu)建及計(jì)算提供了便捷[16-18]。然而，平原河網(wǎng)地區(qū)水文水動(dòng)力模型主要?jiǎng)澐譃閮深?，一部分屬于大尺度洪水流域性模型，模型主要涵蓋主干河網(wǎng)，對(duì)其他等級(jí)河道、湖泊和圩區(qū)等多采用了概化處理；另一部分屬于城區(qū)雨洪模型，對(duì)于城區(qū)河道以及管網(wǎng)精細(xì)刻畫，然而模型尺度小。目前，大尺度平原河網(wǎng)地區(qū)精細(xì)化水文-水動(dòng)力模型的研究和應(yīng)用還較少。本文基于Infoworks ICM軟件構(gòu)建蘇南運(yùn)河沿線精細(xì)化水文-水動(dòng)力模型，充分考慮復(fù)雜下墊面及圩區(qū)，進(jìn)行匯水單元?jiǎng)澐旨爱a(chǎn)匯流模型選擇，細(xì)致完成全國水利普查河流、全省拓展河流及村鎮(zhèn)級(jí)河流精細(xì)化創(chuàng)建以及耦合嵌套城區(qū)管網(wǎng)模型，最后采用2015年和2016年實(shí)況年降雨、水位和調(diào)度資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

1 研究區(qū)域

蘇南運(yùn)河貫穿蘇、錫、常、鎮(zhèn)四市，北起鎮(zhèn)江的長江諫壁口門，南至江浙交界的鴨子壩，全長約212.5 km，自北向南穿越太湖流域腹地，沿途與太湖平原河網(wǎng)諸水系交匯，是流域整個(gè)河網(wǎng)中一條橫貫?zāi)媳钡目v向骨干河道。由于平原河網(wǎng)地區(qū)河流比降小、河道縱橫交錯(cuò)，眾多排江骨干河道穿越蘇南運(yùn)河連通太湖和長江，很難獨(dú)立劃分出蘇南運(yùn)河沿線的邊界范圍。鑒于此，以太湖流域?yàn)楸尘?，模型?gòu)建范圍北臨長江，南抵太湖，西部以茅山山脈為界，東部以黃浦江為界，面積約為2.16萬km2，如圖1所示。按照江蘇省太湖流域水利分區(qū)，研究范圍主要包括湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、太湖區(qū)以及杭嘉湖區(qū)（蘇）。

圖 1 模型構(gòu)建范圍Fig. 1 Scope of model development

研究范圍內(nèi)主要以平原為主，其次是水面，其余為丘陵和山地。地形特點(diǎn)為西部和北部高，中部底。中間為平原、洼地，包括太湖及湖東中小湖群，湖西洮湖、滆湖；西部為茅山山麓丘陵；北部受長江口泥沙淤積的影響，形成沿江高地。

2 產(chǎn)匯流模型構(gòu)建

降落的雨水在植物截留、填洼后在地表形成地表徑流，與此同時(shí)，部分雨水下滲形成地下徑流，最終兩部分徑流匯入河網(wǎng)出流。水文產(chǎn)匯流模型是對(duì)復(fù)雜水文模型的抽象和概化，能夠模擬水循環(huán)過程的主要特征。蘇南運(yùn)河沿線水文產(chǎn)匯流特性具有一定的復(fù)雜性：①下墊面種類復(fù)雜，最新下墊面電子地圖將下墊面劃分成39種類型；②存在大量的圩區(qū)，圩區(qū)邊界線隔斷了圩區(qū)內(nèi)外水文自然連通；③水利工程調(diào)控作用影響明顯，平原河網(wǎng)地區(qū)河道坡度小水動(dòng)力條件弱，主要依靠水利工程對(duì)水體進(jìn)行引排調(diào)控。

2.1 下墊面和匯水單元?jiǎng)澐?/h3>

2.1.1 下墊面處理和劃分 研究范圍內(nèi)的土地利用類型對(duì)于模型產(chǎn)水量和匯流時(shí)間影響很大，根據(jù)太湖流域水資源分區(qū)市縣級(jí)行政分區(qū)下墊面資料以及1:10 000下墊面電子地圖，將下墊面類型分為39種類型，劃分太細(xì)過于復(fù)雜。根據(jù)王船海等的研究成果[19]，將39種下墊面類型合并成4種用地類型：旱地、水田、水面以及建設(shè)用地，其空間分布如圖2所示。

圖 2 研究范圍內(nèi)下墊面分布Fig. 2 Distribution of different surfaces in study area

2.1.2 匯水單元?jiǎng)澐?本文中水文模型水量計(jì)算，根據(jù)各匯水區(qū)上不同的土地類型采用不同水文模型和參數(shù)計(jì)算出流量過程線，然后疊加整個(gè)匯水區(qū)上的流量過程線，最后通過匯流路徑分配到相關(guān)河段。因此，匯水單元的劃分以及水量分配對(duì)于水文計(jì)算影響很大。對(duì)于平原較小區(qū)域，通常采用泰森多邊形法對(duì)匯水單元進(jìn)行劃分。然而，由于范圍面積大，不僅涉及平原區(qū)還有山丘區(qū)。同時(shí)，研究范圍內(nèi)包含眾多的圩區(qū)，其中湖西區(qū)334個(gè)、陽澄淀泖區(qū)360個(gè)、武澄錫虞區(qū)296個(gè)、太湖區(qū)50個(gè)、杭嘉湖區(qū)（蘇）82個(gè)。圩區(qū)內(nèi)外水體交換不同于自然交換，主要通過水利工程聯(lián)系。此外，不同的圩區(qū)類型內(nèi)部產(chǎn)匯流機(jī)理也不同。因此匯水單元的劃分需要結(jié)合地形、圩區(qū)、城市排水規(guī)劃等資料。

西部山丘區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：首先根據(jù)地形通過水文分析，劃分出大的匯水區(qū)。局部匯水區(qū)如水庫匯水區(qū)的劃分，需要與已有資料進(jìn)行校核，然后將匯水區(qū)分配到水庫或者沿程河道。平原區(qū)圩區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：匯水區(qū)不可跨越圩區(qū)，首先確定匯水區(qū)范圍為圩區(qū)的范圍邊界，然后再進(jìn)行細(xì)化。農(nóng)村圩區(qū)，依據(jù)排澇規(guī)劃等資料、泰森多邊形法等進(jìn)一步細(xì)分匯水單元。城鎮(zhèn)圩區(qū)，依據(jù)市政管網(wǎng)排水規(guī)劃等資料、泰森多邊形法等進(jìn)一步細(xì)分匯水單元。平原非圩區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：依據(jù)排澇規(guī)劃等資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、泰森多邊形法等劃分集水單元。研究范圍內(nèi)共劃分匯水單元5 135個(gè)。

2.2 產(chǎn)匯流模型選擇

模型中產(chǎn)匯流計(jì)算方法為：首先根據(jù)下墊面資料將研究范圍內(nèi)劃分成4類用地類型，確定每種用地類型采用不同的模型和參數(shù)。其次，結(jié)合地形、圩區(qū)、排水排澇規(guī)劃劃分匯水單元。繼而通過匯水單元和4類用地類型空間疊加分析，計(jì)算出每個(gè)匯水單元4種用地類型的比例。最后根據(jù)不同用地類型產(chǎn)匯流模型以及匯水單元所占比例，計(jì)算出每個(gè)匯水單元的流量過程。

①水面以及建設(shè)用地：主要采用固定比例徑流模型，即固定徑流系數(shù)法，對(duì)于特定產(chǎn)流面，產(chǎn)流量是總雨量的固定比例。徑流系數(shù)C(i，T)主要由產(chǎn)流面的類型、表面植被種類以及地面坡度決定，同時(shí)受降雨特性（強(qiáng)度、歷時(shí)）等因素的影響。對(duì)于水面，認(rèn)為全部產(chǎn)流，C(i，T)取固定值1；對(duì)于有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的建設(shè)用地區(qū)域，采用實(shí)測(cè)C(i，T)關(guān)系；對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)資料的建設(shè)用地，可根據(jù)建設(shè)用地類型中子類計(jì)算出綜合徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如0.70～0.95。②旱地和水田：主要采用Horton模型。

由于模型中河道精細(xì)化構(gòu)建，匯水單元?jiǎng)澐州^小，可選擇單一匯流模型。匯流模型采用非線性水庫模型。

3 水動(dòng)力模型構(gòu)建

研究范圍內(nèi)，除湖西山丘區(qū)部分河道外，絕大多數(shù)河流水面比降小，平均坡降約十萬分之一。因此，蘇南運(yùn)河沿線水動(dòng)力模型精細(xì)化構(gòu)建體現(xiàn)在3個(gè)方面：第一，采用實(shí)測(cè)斷面盡可能多地構(gòu)建多等級(jí)河網(wǎng)，細(xì)致刻畫實(shí)際河流、湖泊的調(diào)蓄和連通輸移特性；第二，參照實(shí)際工情對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水利工程進(jìn)行創(chuàng)建，準(zhǔn)確刻畫水利工程對(duì)河道水流的調(diào)度調(diào)控作用；第三，城區(qū)部分增加排水管網(wǎng)的構(gòu)建，將城市雨洪模型和流域區(qū)域洪水模型嵌套模擬。

3.1 水動(dòng)力模型構(gòu)建

3.1.1 河網(wǎng)模型構(gòu)建 研究區(qū)域內(nèi)國普河流以及全省拓展河流均采用實(shí)測(cè)斷面以及河道中心線進(jìn)行河網(wǎng)創(chuàng)建。對(duì)于村級(jí)河道進(jìn)行概化處理，概化原則如下：對(duì)于河道兩側(cè)有實(shí)測(cè)斷面，中間需要添加斷面情形時(shí)，根據(jù)就近斷面線性差值方法；河道兩端無實(shí)測(cè)斷面情形時(shí)，概化成梯形斷面，斷面頂寬根據(jù)影像圖確定，斷面邊坡根據(jù)相近河道斷面確定，斷面頂高程根據(jù)地形高程和相近河道堤防綜合考慮，斷面底高程參考相近河道底高程。參照水利普查中水利工程資料對(duì)區(qū)域內(nèi)水利工程進(jìn)行創(chuàng)建。

圩區(qū)河網(wǎng)模型創(chuàng)建需要滿足以下3個(gè)條件：①圩區(qū)水力封閉，邊界線處均通過水利工程同圩外河道連通；②圩區(qū)內(nèi)河網(wǎng)模型調(diào)蓄容積與實(shí)際調(diào)蓄容積相近；③圩區(qū)各泵站排澇能力與實(shí)際排澇能力一致。

3.1.2 管網(wǎng)模型構(gòu)建 依據(jù)常州和無錫城區(qū)管網(wǎng)資料構(gòu)建管網(wǎng)模型，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行梳理和檢查。管網(wǎng)與河網(wǎng)的耦合，一部分采用直排方式直接連接河網(wǎng)，另一部分通過水利工程連接河網(wǎng)。

3.1.3 工程調(diào)度添加 研究范圍內(nèi)水利工程眾多，模型中創(chuàng)建水閘2 253座，泵站2 986座。雖然水利工程調(diào)度復(fù)雜，眾多水利工程調(diào)度中大致可劃分為如下幾類：①沿江口門調(diào)度；②環(huán)湖口門調(diào)度；③湖西山區(qū)水庫調(diào)度；④流域區(qū)域骨干工程調(diào)度；⑤圩區(qū)調(diào)度，含城區(qū)防洪大包圍調(diào)度。

3.2 水動(dòng)力模型計(jì)算原理

3.2.1 河道、排水管網(wǎng)模型 河道和排水管網(wǎng)（非滿流有壓狀態(tài)時(shí)）都屬于開敞明渠，兩者采用圣維南方程組進(jìn)行描述。因此，河道和城市排水管網(wǎng)可以聯(lián)合耦合計(jì)算。一維河道、管網(wǎng)采用有限差分方法，Preissmann隱式格式方法進(jìn)行離散求解。

3.2.2 水庫、湖泊模型 研究范圍內(nèi)有大量水庫以及湖蕩，例如湖西片有沙河水庫、大溪水庫、橫山水庫等，區(qū)域內(nèi)有大型湖泊如太湖、滆湖和陽澄湖等以及眾多小型池蕩，如方家蕩、老人蕩等。模型中對(duì)水庫湖泊的計(jì)算方式有兩種：①零維處理計(jì)算，對(duì)于水庫以及小型湖泊等，采用水位面積曲線將其零維處理成一個(gè)水量調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)。②二維處理計(jì)算，對(duì)于太湖等大型淺水湖泊，湖泊面積大，湖泊不僅具有水量調(diào)節(jié)作用，自身內(nèi)部也具有流場(chǎng)的輸移等屬性。因此，模型中需要對(duì)此進(jìn)行二維處理，采用淺水方程通過有限體積法離散求解。

4 模型率定驗(yàn)證及分析

本次模型構(gòu)建范圍涉及湖西片、武澄錫虞片、陽澄淀泖片、杭嘉湖片（蘇）以及浦西片，區(qū)域內(nèi)圩區(qū)湖蕩眾多，圩區(qū)約1 122個(gè)，湖泊130多個(gè)，此外湖西區(qū)需考慮水庫的調(diào)蓄以及下泄過程。

模型初始條件主要考慮水庫的初始水位、不同二級(jí)圩區(qū)內(nèi)部初始水位以及與樞紐工程連接的骨干河網(wǎng)初始水位；模型邊界條件采用長江沿線潮位控制；降雨根據(jù)模型構(gòu)建范圍內(nèi)225個(gè)雨量站劃分降雨區(qū)間，將實(shí)測(cè)降雨分配到對(duì)應(yīng)的匯水單元。

本次模型率定和驗(yàn)證采用湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)以及浦西區(qū)域內(nèi)的水文站點(diǎn)，其中湖西片選取舊縣、丹陽、丹金閘（閘上游）、丹金閘（閘下游）、河口、南渡、宜興（西）、大浦口、坊前、黃埝橋、金壇；武澄錫虞片選取常州（三）、青陽、無錫（大）、望亭立交閘上游、陳墅、甘露；陽澄淀泖片選取蘇州（楓橋）、湘城、昆山（二）、陳墓、平望；浦西片選取米市渡，選取的站點(diǎn)基本均勻分布于各個(gè)片區(qū)。

按照模型率定驗(yàn)證相關(guān)規(guī)范要求，率定驗(yàn)證中采用納什系數(shù)(fNSE)和可決系數(shù)（R2）對(duì)模型有效性進(jìn)行評(píng)定。納什系數(shù)(fNSE)用于表示模擬計(jì)算值系列與實(shí)測(cè)系列數(shù)量級(jí)近似程度，可決系數(shù)（R2）用來表示模擬計(jì)算值系列與實(shí)測(cè)系列形狀吻合程度。

式中：fNSE為模擬場(chǎng)次洪水過程N(yùn)ash系數(shù)； Yo,i為實(shí)測(cè)序列第i位數(shù)據(jù)；為計(jì)算序列第i位數(shù)據(jù)； Ym,i為實(shí)測(cè)序列均值；n為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)。

式中：R2為模擬場(chǎng)次洪水過程可決系數(shù)；Yo為實(shí)測(cè)序列數(shù)據(jù)；為實(shí)測(cè)序列均值；Ys為計(jì)算序列數(shù)據(jù)。

4.1 模型率定

選取率定時(shí)段為2015年6月15日00:00至6月21日00:00。模型率定結(jié)果如表1所示。

表 1 率定及驗(yàn)證結(jié)果分析Tab. 1 Analysis table of calibration and verification results

由表1可得，所有站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE均值為0.87，可決系數(shù)R2均值為0.94；湖西區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.95，可決系數(shù)R2均值為0.97；武澄錫虞區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.85，可決系數(shù)R2均值為0.93；陽澄淀泖區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.72，可決系數(shù)R2均值為0.91；浦西區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.75，可決系數(shù)R2均值為0.77。整體而言，本次模型率定結(jié)果可信度高、相關(guān)性好，就各片區(qū)可信度和相關(guān)性而言，湖西區(qū)＞武澄錫虞區(qū)＞陽澄淀泖區(qū)＞浦西區(qū)。

模型經(jīng)過率定，最終確定新溝河、新孟河、望虞河、德勝河、澡港河、利港、申港、張家港、走馬塘等通江河道和蘇南運(yùn)河、嚴(yán)埭港、北興塘-轉(zhuǎn)水河、古運(yùn)河、九里河、伯瀆港等骨干河道糙率為0.022 5～0.025 0；新龍河、北塘河、環(huán)城河、桐橋港、旺莊港、冷瀆港、東亭港以及醬園浜等河道糙率為0.025～0.030，其他二級(jí)圩內(nèi)河道糙率為0.030～0.040。

模型范圍內(nèi)部分站點(diǎn)率定結(jié)果如圖3所示。

圖 3 率定結(jié)果Fig. 3 Calibration results

4.2 模型驗(yàn)證

在模型率定的基礎(chǔ)上，開展了模型的驗(yàn)證計(jì)算，驗(yàn)證時(shí)段為2016年7月1日00:00至7月10日00:00。驗(yàn)證得出：除部分站點(diǎn)如無錫（大）站點(diǎn)由于水利工程實(shí)際調(diào)度數(shù)據(jù)不全，與驗(yàn)證結(jié)果偏差較大外，其他大多數(shù)站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE都大于0，并且絕大多數(shù)站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE接近于1，表明模式質(zhì)量好可信度高，可決系數(shù)R2結(jié)果表明相關(guān)性中等偏上，模型總體結(jié)果可信。

模型驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，所有站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE均值為0.72，可決系數(shù)R2均值為0.87；湖西區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.74，可決系數(shù)R2均值為0.94；武澄錫虞區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.70，可決系數(shù)R2均值為0.79；陽澄淀泖區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.70，可決系數(shù)R2均值為0.83；浦西區(qū)Nash系數(shù)fNSE均值為0.80，可決系數(shù)R2均值為0.81。

驗(yàn)證結(jié)果表明模型整體可信度高、相關(guān)性好；就各片區(qū)可信度而言，浦西區(qū)＞湖西區(qū)＞武澄錫虞區(qū)＞陽澄淀泖區(qū)；就各片區(qū)相關(guān)性而言，湖西區(qū)＞陽澄淀泖區(qū)＞浦西區(qū)＞武澄錫虞區(qū)。湖西區(qū)整體而言要比其他片區(qū)精確度要高，其主要原因是相比其他區(qū)湖西區(qū)受人為調(diào)度干預(yù)較少。表中無錫（大）站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE和可決系數(shù)R2均較低，受無錫大包圍運(yùn)行調(diào)度影響。

模型范圍內(nèi)部分站點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖 4 驗(yàn)證結(jié)果Fig. 4 Verification results

5 結(jié) 語

本文基于Infoworks ICM構(gòu)建了蘇南運(yùn)河沿線精細(xì)化水文-水動(dòng)力模型，模型構(gòu)建范圍2.16萬km2，模型中河道總長度1.54萬km、水閘2 253座、泵站2 986座、湖泊及水庫共136個(gè)。采用2015年和2016年汛期實(shí)況降雨、水位和調(diào)度數(shù)據(jù)對(duì)模型分別進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，模型整體的可信度較高、相關(guān)性好，率定結(jié)果顯示所有站點(diǎn)Nash系數(shù) fNSE均值為0.87，可決系數(shù) R2均值為0.94；驗(yàn)證結(jié)果顯示所有站點(diǎn)Nash系數(shù)fNSE均值為0.72，可決系數(shù)R2均值為0.87。該模型可為蘇南運(yùn)河沿線平原河網(wǎng)地區(qū)防洪排澇、預(yù)報(bào)預(yù)警、防汛調(diào)度決策、工程建設(shè)效果評(píng)估等應(yīng)用領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。