珠江三角洲水文水动力耦合模型研究
摘 要：
粤港澳大湾区国家战略的实施对珠江三角洲河网区防洪保安提出了更高的要求。珠江三角洲地区除受本地暴雨影响外，上游受西、北、东江干流洪水威胁，下游受台风暴潮影响，洪涝灾害成因复杂，急需对珠江三角洲的洪涝特性进行深入研究，而数学模型是最为经济便捷的研究方式。水文水动力耦合模型是当前的研究热点，在珠江三角洲地区，水文水动力耦合模型大范围、跨区域的应用仍是空白。以珠江三角洲为研究区域，以具有三角洲洪涝特色的前山河流域中珠联围为重点研究区域，采用紧密耦合的方式，构建珠江三角洲水文水动力耦合模型。将研究区域的水动力模型与重点研究区域的水文模型耦合，采用2020年6月和2008年6月的实测水文资料进行了率定与验证计算。计算结果表明：模型计算值与实测值吻合较好，满足精度要求，可投入使用。本研究可为大湾区防洪保安研究及相关业务奠定技术基础，为国家战略的顺利实施提供保障。
关键词：
珠江三角洲;中珠联围;水文水动力耦合模型;
薛娇(1989—),女，工程师，博士，主要从事水利规划研究。
基金：
国家重点研发计划项目(2018YFC1508200);
引用：
薛娇，廖小龙，钟逸轩，等． 珠江三角洲水文水动力耦合模型研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 2) : 60-68.
XUE Jiao，LIAO Xiaolong，ZHONG Yixuan，et al． Study on coupling numerical model of hydrology and hydrodynamics for the Pearl Ｒiver Delta［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 2) : 60-68.
0 引 言
珠江三角洲地处广东省中南部，涉及广东省九市，是粤港澳大湾区国家战略的重要组成部分。珠江三角洲地区汇集西江、北江、东江及三角洲诸河，构成“三江汇流，八口出海”的水系格局，河道纵横交错，水流互相连通，为世界上最复杂的河网区之一，汛期常受上游洪水、本地暴雨和下游风暴潮顶托的影响，极易发生洪涝灾害，珠江三角洲水系如图1所示。随着粤港澳大湾区国家战略的持续推进，珠三角九市的防洪保安需求日益加大。然而，城市现状防洪(潮)能力仅为50～200 a一遇，防洪减灾保安全能力与国家战略需求还存在差距，影响着珠江三角洲地区建设粤港澳大湾区的步伐。
图1 珠江三角洲水系示意
洪水风险分析是防洪保安的重要非工程措施。洪水风险分析常采用数值模拟的方法，包括水文模型和水动力模型，模拟产汇流和洪水演进。随着计算机技术的发展，水文模型、水动力模型等单模型的应用已不断细化和完善，水文水动力耦合模型的研究与应用成为当前的热门课题。水文水动力耦合模型可以建立流域与河流间的水力联系，可以更为精细化地进行水文模拟和预 ,提高洪水风险分析的效率和精度。
1 典型示范区选取
珠江三角洲地区经多年“联围筑闸”形成相对独立的圩区，已建成景丰联围、樵桑联围、中顺联围、江新联围、佛山大堤、中珠联围等联围，初步形成联围抵御围外洪潮，围内水库、闸泵等工程防洪排涝的格局。随着珠江三角洲城市群规模不断扩大，围内集中排涝规模越来越大，流域、区域、城镇防洪(潮)排涝相互影响且矛盾日益突出。前山河流域中珠联围是珠江三角洲典型的圩区，区域内防洪排涝互相影响，上下游、左右岸防洪(潮)排涝矛盾突出，治理需求非常迫切，由于其涉及中山、珠海和澳门特别行政区，位置特殊，社会关注度高。《粤港澳大湾区发展规划纲要》中明确提出“建设和完善澳门、珠海、中山等防洪(潮)排涝体系”,解决好前山河流域的防洪(潮)排涝问题，是保障粤港澳大湾区国家战略顺利实施的需要，也是充分体现“一国两制”优越性的需要。由此，选取前山河流域中珠联围为珠江三角洲典型示范区，开展珠江三角洲水文水动力耦合模型研究，为后续粤港澳大湾区防洪保安研究及相关业务奠定技术基础。
前山河流域中珠联围位于珠江三角洲西江干流磨刀门东岸，集水面积342.40 km2。该示范区上受西江干流洪水威胁，下受台风暴潮袭击，洪潮灾害频繁且成因复杂。典型示范区内水系发达，河涌纵横交错，最长的河涌为前山河，中山市境内主要有茅湾涌、西灌渠、坦洲涌、东灌渠等相对较大的河涌，珠海市境内河涌主要有洪湾涌、广昌涌。前山河流域中珠联围水系如图2所示。
图2 前山河流域中珠联围水系示意
前山河流域中珠联围内现状防洪(潮)排涝工程体系由堤防、水闸、泵站与水库等工程组成，建有水库8座、水闸29座、泵站50余座。外江堤防与7座大闸构成联围防洪(潮)工程体系，围内节制闸、排涝泵站与水库等构成排涝工程体系，围内各片区(围中围)的暴雨洪水排至内河涌，涝水经内河涌调蓄后再经中珠联围7座挡潮闸排至磨刀门水道、洪湾水道和湾仔水道。7座大闸基本情况如表1所列。
2 水文水动力耦合模型
模型研究区域为珠江三角洲地区，重点研究区域为典型示范区。遵从“大尺度预警、小尺度精细化模拟”的原则，构建水文水动力耦合模型，对珠江三角洲范围采用大尺度水动力模型进行模拟，对于典型示范区前山河流域中珠联围采用小尺度水文水动力耦合模型进行精细化模拟(见图3)。
图3 珠江三角洲水文水动力模型概化示意
2.1 水文模型
该模型中典型示范区前山河流域中珠联围需构建水文模型。该区域地貌多样，既有山区、也有平原区，对于山区和平原区，需采用不同的产汇流计算方式；平原区下垫面多样，既有农田也有城镇，对于不同的下垫面需采用不同的产流计算方式。水文模型构建中具体分为山丘区水文模型和平原区水文模型。
2.1.1 山丘区水文模型
根据典型示范区地形的连续性及水文气象等条件，前山河流域山区可分为9个片区，分别生成水系并划分子流域，划分为196个子流域计算单元，具体如图4所示，构建新安江水文模型，由于缺乏实测资料，山丘区水文模型参数根据邻近地区的参数选取，部分山丘区水文模型的产流汇入下游山丘区，最下游的山丘区产流直接通过集中出流的方式汇入相应河道断面。
图4 山区水文模型概化示意
2.1.2 平原区水文模型
平原区下垫面多样化，将平原区分解为水面、水田、旱地及城镇建设用地4种下垫面,经统计分析，前山河流域中珠联围平原区面积约160 km2,其中水面20 km2、水田40 km2、旱地25 km2、城镇建设用地75 km2,对于不同的下垫面采用不同的产流模型。
图5 平原区河网多边形概化示意
[18] 王船海，王娟，程文辉，等.平原区产汇流模拟[J].河海大学学 (自然科学版),2007,35(6):19-24.WANG C H,WANG J,CHENG W H,et al.Numerical simulation of runoff yield and confluence in plain area[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2007,35(6):19-24.
2.2 水动力模型概化
研究区域内水动力模型范围：外江上起梧州、石角、博罗，下至大虎、南沙、万顷沙西(冯马庙)、横门、黄金、西炮台和黄冲等河口控制站，磨刀门水道下边界细化，磨刀门出口下延至入海口，新增十字门出口、澳门出口；围内水动力模型涵盖典型示范区内所有河道。
2.2.1 零维区域水流模拟
典型示范区的坦洲境内有大量的农田，农田对洪水具有显著的调蓄作用，本次研究将其概化为零维要素，采用零维模型模拟,并通过设置宽顶堰与干流河道相连。零维区域水流模拟主要依据水量平衡的原理，某时段内出入该区域流量的代数和与区域调蓄容积的变化量相等。典型示范区内共有农田调蓄区域23个，主要分布在示范区西南部。
式中，∑Q为调蓄区域流入流出的流量代数和；Z0、Z分别为计算时段初和时段末的水位；A(Z)为水位Z对应的调蓄区域面积；Δt为时间步长。
2.2.2 河道水流模拟
研究区域内河道采用一维水动力模型模拟。研究区域内共有河道140条，概化河道断面共计2 775个，其中典型示范区河道断面587个，概化节点496个，具体如图6所示。模型控制方程为
式中，Z为水位；Q为河道断面流量；B为水面宽度；qL为旁侧入流；A为过水面积；K为流量模数，由谢才公式计算；g为重力加速度。
图6 水动力模型概化示意
采用Preissmann四点隐式差分格式对控制方程进行离散并线性化后，采用双追赶法求解。
2.2.3 工程等联系要素模拟
研究区域水流运动模拟除零维要素、一维河道要素外，还有水闸等工程要素。典型示范区内共有水闸29座，均概化为联系要素进行模拟，并给定水闸的调度运行方式。其中典型示范区内7座挡潮闸调度均依据闸内外水位进行，若闸内水位即围内水位高于外江水位则开闸，否则关闸；其他内河节制闸在洪水期间均开闸敞泄。以农田为主的洪水调蓄零维要素与一维河道断面间水量交换也通过概化的联系要素进行模拟。联系要素存在自由出流和淹没出流两种流态，计算公式为
式中，m为自由出流流量系数，一般为0.325～0.385;φ为淹没出流流量系数，一般为1.0～1.18;B为堰宽或闸门开启总宽度；H0为堰上或闸上水深；Zu为堰上或闸上水位；Zd为堰下或闸下水位；Hs=Zd-Z0,Z0为堰顶高程或闸底板高程。
2.3 模型耦合
模型耦合的方式多样，按照紧密程度大致可分为松散耦合和紧密耦合两种。松散耦合需要人为参与设定实现模型之间信息传递；紧密耦合需要通过二次开发，实现模型自动化。本模型采用紧密耦合的方式，山区水文模型和平原区水文模型计算的产流量以内边界的形式与水动力模型进行耦合连接，无需人工参与数据在模型间的传递。
图7 水文水动力耦合模型框架示意
2.4 模型率定与验证计算
模型输入包括水动力模型上游入流边界、下游潮位边界和水文模型中雨量站逐时段降雨资料，上游边界主要包括西江梧州、北江石角、东江博罗的流量过程，采用相应梧州、石角、博罗的实测或预 流量过程，有条件情况下给定绥江四会、潭江石咀、白泥河老鸦岗、增江麒麟咀的流量过程；下游边界除磨刀门外的七个口门采用相应口门站实测或预 的潮位过程，磨刀门水道出口、澳门水道出口分别采用实测或预 的三灶、内港的潮位过程，十字门水道出口潮位过程用三灶和内港潮位过程按距离内插；雨量站包括前山河流域中珠联围范围内三乡、正坑、大炮台山及邻近的神湾四个雨量站，根据泰森多边形生成雨量站权重，进行水文模型计算。
考虑计算需求和实测资料的局限性，首先调试外江大尺度模型的计算参数，确保典型示范区外江水位计算的准确性；此后，进行前山河流域中珠联围精细化模拟模型的率定与验证计算。平原河网地区流量测站较少，缺乏实测流量资料，较难对水文模型进行率定和验证。珠江三角洲为典型的平原河网地区，仅有三水、马口两个水文站具有实测流量资料，其他站点仅在特定情况下才进行流量测验，典型示范区前山河流域中珠联围地区无流量测站，缺乏实测流量资料，较难对水文模型进行率定与验证，所以本阶段整个耦合模型通过前山河流域中珠联围内水位监测点的水位进行率定与验证。
外江珠江三角洲河网水动力模型范围内有56个水位或流量监测点(含口门控制站),本次选取2020年6月的洪水水文序列，根据计算需求和水文序列的资料情况，对15个测站的水位进行率定与验证计算，并同步关注流量计算结果。模型水位计算结果如表2所列，三水、马口、天河、南华、大鳌、竹银等6个监测点的水位过程如图8所示。距离示范区最近的竹银监测点，实测最大流量为7 910 m3/s, 计算最大流量为7 350 m3/s, 相对误差-7.1%。
图8 2020年6月水位率定与验证结果
前山河流域中珠联围内有水位监测点11个，根据计算的水文序列及其对应的资料情况，选择水位监测点对模型进行率定和验证。模型采用2008年6月降水及相应的水位进行率定与验证计算，2008年6月雨量较大，接近5 a一遇量级。前山河流域中珠联围马角外、大涌口外、大涌口内、石角咀外、石角咀内、灯笼外、安阜、坦洲和龙塘水位率定与验证计算成果如表3所列，模型部分测点计算的水位过程与实测水位过程如图9所示。
图9 2008年6月水位率定与验证结果
经率定与验证计算，珠江三角洲水文水动力模型中河道糙率为0.02～0.05。从统计结果看，珠江三角洲水文水动力耦合模型计算水位与实测水位的差值多数在0.07 m以内，满足《水利工程水利计算规范》(SL 104-2015)中潮位峰谷值误差不大于10～20 cm的要求，潮位计算过程与实测过程基本一致，相位误差小于1 h, 满足《水利工程水利计算规范》(SL 104-2015)中相位误差小于1 h的要求，流量计算误差小于10%,计算率定的参数合适，验证结果合理，计算结果达到工程精度，可以用于工程研究计算，可作为珠江三角洲及典型示范区的洪水预 、工程调度管理等的重要研究手段。
3 结论与展望
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也 道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
