平原水网圩区排涝数学模型研究

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1、平原水网圩区排涝概化数学模型研究1马钧霆，陈锁忠，何志超（南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏南京，210046）摘要：为指导水利部门制定科学的圩区水位调度方案、有效地降低洪涝灾害的危害，必须构建完善的降雨排涝预测、灾害风险评估体系概化数学模型。针对平原水网化圩区特征，制定相应的圩区预置水位和圩区间联合调度计划并形成基本调度规则；结合河道水体特征数据、天气预报数据、水雨情的动态监测数据，构建可以模拟圩区汛期水位过程的概化数学模型，判断圩区内河道水位上涨的趋势。应用该模型对张家港市塘桥镇的农村圩区的2次设计降雨的水位过程进行预报，计算结果

2、表明对于雨量相同的不同降雨过程，短时期集中暴雨会导致水位快速上涨，对圩区排涝安全的影响更大。关键字：平原水网；圩区水位；概化数学模型；调度规则；水位过程中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：引言圩区是指地势较低、曾经被大面积的水域覆盖的地带。其内部包含众多水网、河道，水位可受人工水文设施调控[1]。平原水网化圩区内部水网密布，圩堤、堤闸较多，对整个流域的产汇流存在较大的影响，也给水文分析、水文预报带来了较大的难度，从而提出了一个明确的亟待解决的问题，即如何在诸如“1d降雨、1d排出或者3d降雨、3d排出”此类设计工况下，科学合理地制定调度

3、预案，并在实际降雨过程中，通过闸泵的合理控制、水资源的科学调度，来始终保持圩区水位处于安全水平。针对上述问题，有必要在对降雨进行预报的基础上，对圩区洪水的强度、淹没过程以及影响进行分析，研究能够模拟预测圩区内河道水位过程的数学模型，以指导圩区的排涝工作。目前，众多学者围绕这一课题，已经提出并实现了诸多相关数学模型。如Bates[2-4]等人通过提取数字地面模型DEM与淹没水平面交线，设计了一种二维简化数学模型对圩区河道水位过程进行模拟；Stelling[5]等从数值模拟的角度，研究了圩区水位过程的模拟方法；Knight、Shonio[6]等利用通

4、过求纳维叶-斯托克斯（Navier-Stokes）方程三维解的方法，实现了对水位过程的变化趋势的预测，并尝试了对圩区溃坝后的淹没影响进行估算。然而，由于模型的复杂性以及实地测量手段的限制，上述模型在实际应用过程中，普遍存在两个共同的难题，即：求解参数众多、模型验证困难，导致这些模型难以在实际调度工作中得到推广应用。如罗运祥[6]等指出将SWAT（soilandwaterassessmenttool）模型应用到平原河网化过程中时，由于DEM模型的失真、河流分叉众多等问题，会使得模型的计算结果存在较大的偏差。然而，研究发现：如果通过对平原河网地区子河

5、网流域进行概化的方式对该问题进行修正，可以提高模拟的精度。比如周吉、陈黎明等[8]研究了对无锡市中心城区运动大包围河网15条骨干河道进行概化的方法，并建立无锡市中心城区河网区一维水动力数学模型，应用结果显示：该概化模型的计算结果与实际数据拟合效果较好，可以满足调度工作需要。以上论述表明，通过对模拟区域进行概化分析，建立起概化数学模型，可以弥补模型在实际应用方面的不足。本文针对平原地区水网化圩区排涝问题，选取张家港市塘桥镇现有圩收稿日期：2014年6月20日基金项目：苏省高校自然科学研究重大项目[10KJA170028]作者简介：马钧霆（1987-

6、），男，安徽宿州人，博士研究生,主要研究方向：水文地质模型研究。E-mail:515816841@qq.com通讯作者：陈锁忠（1964-），男，江苏丹阳人，教授，博士生导师，主要研究方向：地学应用模型与GIS集成、科学计算可视化。Email:09153@njnu.edu.cn区为研究对象，从模型概化的角度展开研究。按照（1）“调度有利于提升现状圩区排涝能力”；（2）“调度有利于降低现状圩区受涝风险”；（3）“调度有利于执行”的原则，建立圩区汛期排涝基本调度规则和预案，构建概化的圩区汛期排涝数学模型，用以支撑圩区调度计划的合理制定。1研究区概况张

7、家港市塘桥镇处长江三角洲冲积平原，全镇地形以平原为主，地形单一，水资源丰富，河网密布，为典型的平原水网化地区。镇域总面积94.4平方公里，水域面积约7.76平方公里，占全镇总面积8%左右。目前全镇现有市、镇、村、组四级河道共1488条，总长521.1公里，其中：市级河道9条，长53.4公里；镇级河道31条，长88.43公里；村组河道1372条，长366.08公里，其它河道（包括新开、景观河道）79条，长13.19公里。共有排涝站17座，圩口闸6座。圩区排涝面积约23640亩。研究区域包含圩区基本情况如表1所示。表1塘桥镇圩区基本情况表Table1

8、BasicinformationtableofTangqiaotownarea圩区名称圩区面积（km2）河道长度（km）水域面积（m2）