基于数值模拟的嘉兴城区河网水文特征

瞿 尧，黄 帆，王 颖，张海平,*

(1. 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2. 丹华水利环境技术<上海>有限公司，上海 200235)

嘉兴市隶属太湖流域杭嘉湖平原河网地区，水网密度较大且水力坡降较小，河道具有灌溉、航运、输水、供水、防洪排涝、景观、生态等多种功能。河流水文特征影响城市的工程建设以及生态系统的功能，已经成为许多专家研究的热点。许有鹏等[1]对昆仑山北坡河流展开了水文水资源特征及变化规律的研究，为该区水资源最优开发和利用提供决策依据。李学国等[2]对神农架林区四大水系主要河流水文特征展开分析，为该区域的水质分析建立基础。邹亚平等[3]从纳板河流域降水和径流深度、流域水系和河道特征、径流的季节和年际变化等方面，对整个流域水文特征展开研究，对国家自然保护区的规划建设有重大意义。杜嘉妮等[4]收集青海湖遥感资料以及水文气象资料，分析水量、水位、面积的变化情况，并从湖泊补给的构成角度分析其变化原因，为青海湖的生态保护和水资源管理提供参考。马晓超[5]通过分析渭河下游林家村站、咸阳站和华县站3个水文站的水文序列变异点，选择变异点前后2个时段，基于IHA软件平台，应用RVA法分析渭河生态水文特征的变化，为渭河的生态调度提供相关科学依据。黄庆超[6]以三峡库区内2条典型支流香溪河和大宁河为研究对象，通过水动力模型和水质模型分别计算2条河流的水文特征和水质污染特征，分析支流水动力和水质之间的关系，进而提出相关生态保护的措施，为三峡库区的建设和管理提供参考。

目前，嘉兴市区已经建立了较为完善的水利工程措施，但是欠缺对该地区水文特征的分析，对城区的各类规划、工程建设以及管理都产生了重大的影响。因此，本文基于嘉兴市区水动力模型，对嘉兴城区河网的水文特征展开研究，为嘉兴城区各类规划管理提供依据，同时为水质改善的研究奠定基础。

1 研究区域概况

嘉兴市位于上海、江苏、浙江三省(市)交界处，地处浙北杭嘉湖平原东部，承接杭州、苏州等地来水，排入上海和杭州湾。嘉兴市隶属太湖流域杭嘉湖平原河网地区，水网密度较大，市区水面积率约为7.77%，地势低洼，降雨量大且季节性差异较明显，因此，易遭受洪涝灾害的侵袭。自2000年开始，嘉兴市建设城市防洪工程，构建了嘉兴市城市防洪大包围圈，如图1所示。现已完成城市防洪工程面积达103.73 km2，堤防总长为52 km，建筑物为52座，其中排涝枢纽(泵站)为5座，设计排涝流量共计240 m3/s，设计引水流量为38 m3/s。

图1 嘉兴市区防洪工程布置图Fig.1 Layout of Urban Flood Control Construction in Jiaxing City

2 水动力模型

2.1 模型的建立

张海军等[7]基于嘉兴市最新水文、水质与河床地形资料，应用DHI开发的MIKE 11软件，构建了嘉兴市区河道的一维河网水量水质耦合模型。但该模型边界离核心研究区太近，易受研究区内部水文条件变化的影响，在研究区域来水变化条件下,城区水文特征时易失真。因此，本文通过不断试算和检验，延伸了现有模型边界，在其模型的基础上扩展模型，如图2所示。模型边界采用王江泾(苏州塘)、新塍(新塍塘)、桐乡(杭州塘)、硖石(长水塘)、欤城(海盐塘)、平湖(平湖塘)、嘉善(长纤塘和嘉善塘)这7个水文站的实测水位数据。

2.2 模型率定

模型试算过程中，发现水工建筑物的运行对模型计算结果影响很大。因此，在模型率定时间段内，水工建筑物的设置采用2010年—2019年的实际调度运行情况。张海军等[7]对嘉兴城区大包围圈内的水位进行了率定，本文在此基础采用2010年—2019年嘉兴站实测日水位数据进一步率定。结果表明，河道水位模拟误差平均值为2.9 cm，最大不超过5 cm，水位模拟较准确，满足模拟分析要求，如图3所示。

注：圆点为水工建筑物图2 河网概化Fig.2 Generalization of River Network Modeling

图3 嘉兴站模拟与实测水位比较Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level at Jiaxing Station

3 嘉兴城区河网水文特征分析

嘉兴市域水系总体上属于长江水系太湖流域，因京杭运河为贯穿市境的主干河道，而其他骨干河道均与之相关成系，所以也称“运河水系”。其境内水系以市区为中心呈辐射状向外发射，以苏州塘、杭州塘、长水塘、海盐塘、长纤塘、平湖塘、嘉善塘、新塍塘这8条河流通遍四周。

采用2010年—2019年共10年的实测气象水文资料进行模拟，对结果进行统计分析。由图4可知：嘉兴城区水系总体为从北、西、西南向东北方向流动；主要进出河道中，苏州塘和杭州塘基本为单向来流，长纤塘和嘉善塘为单向出流，平湖塘则存在明显的双向流动现象，而新塍塘、长水塘和海盐塘也略有双向流现象；近10年平均来流量为88.2 m3/s，出流量为93.3 m3/s。

图4 大包围圈外主要河道的平均进出流量统计 (2010年—2019年)Fig.4 Statistics of Average Inflow and Outflow of Main Rivers Outside Flood Control Encircument (2010—2019)

近10年平均净来流量为69.6 m3/s，平均净出流量为74.7 m3/s，其中的差值5.1 m3/s为城区降雨径流贡献。主要来流河道为北侧的苏州塘和西侧的杭州塘，分别贡献了总来流量的44.7%和34.5%，两者合计79.2%。出流河道主要为长纤塘(37.6%)、嘉善塘(37.9%)和平湖塘(24.5%)，如图5所示。

图5 嘉兴城区河网主要进出河道平均净出入 流量统计(2010年—2019年)Fig.5 Statistics of Net Inflow and Outflow of the Main River Channels in Jiaxing Urban Area(2010—2019)

模拟结果显示，年均和月均来流量变化较大，其中2013年及之前来流量较大，年均来流量为105.9～120.2 m3/s，而2014年及之后均在83.9 m3/s以下，如表1和图6所示。2010年—2019年，最枯月的平均来流量为50.1 m3/s，90%保证率枯水月的平均来流量为59.3 m3/s，如图7所示。

图7 2010年—2019年各月平均来流量排频Fig.7 Frequency of Average Monthly Inflow of Encirclement during 2010 to 2019

图6 2010年—2019年各月平均来流量分布Fig.6 Average Monthly Inflow during 2010 to 2019

表1 2010年—2019年各年、各月平均来流量统计 (单位：m3/s)

图8为2010年—2019年大包围圈内部8条主要河道的总平均出入流量统计。由图8可知：杭州塘为单向入流；由于新塍塘闸常关闭，新塍塘无出入流量；苏州塘基本为单向入流，但偶有出流；平湖塘、长纤塘、嘉善塘和平湖塘均为单向流出；长水塘和海盐塘的进出流量均较小，且双向流动现象明显。2010年—2019年，大包围圈内部河道的平均流量为28.3 m3/s，平均出流量为19.1 m3/s。出流量小于入流量的原因是部分水流通过其他河道进入了环郊河。大包围圈内部河道的最枯月平均入流量为14.5 m3/s，90%保证率枯水月的平均入流量为18.3 m3/s，如图9所示。

图9 2010年—2019年大包围圈内部河道各月 平均入流量排频Fig.9 Frequency of Average Monthly Inflow of Encirclement during 2010 to 2019

图8 2010年—2019年大包围圈内8条主要河道的 平均出入流量统计Fig.8 Average Inflow and Outflow of 8 Main Rivers of Encirclement during 2010 to 2019

模拟结果表明，由于流程短、阻力小，大量外部来水未进入大包围圈内部河道，而是通过环郊河“短路”绕过嘉兴城区，进入长纤塘、嘉善塘和平湖塘，流向东北。大包围圈内部河道的流量仅占大包围圈外来流量的32.1%。

4 结论与建议

应用MIKE 11构建嘉兴城区河网水动力模型，利用2010年—2019年大包围圈周边实测水位资料对模型进行率定，并进行水文特征分析，得到主要结论与建议如下。

(1)嘉兴城区水系总体为从北、西、西南向东北方向流动。来流河道主要为苏州塘和杭州塘，出流河道主要为长纤塘、嘉善塘和平湖塘。

(2)嘉兴城区近10年平均来流量为88.2 m3/s，出流量为93.3 m3/s；平均净来流量为69.6 m3/s，平均净出流量为74.7 m3/s，其中的差值5.1 m3/s为城区降雨径流贡献。

(3)嘉兴城区年均和月均来流量变化较大，其中2013年及之前来流量较大，年均来流量为105.9～120.2 m3/s，而2014年及之后均在83.9 m3/s以下。最枯月的平均来流量为50.1 m3/s，90%保证率枯水月的平均来流量为59.3 m3/s。

(4)大包围圈内部河道的平均流量为28.3 m3/s，平均出流量为19.1 m3/s，大包围圈内部河道的流量仅占大包围圈外来流量的32.1%。这表明大量外部来水未进入大包围圈内部河道，而是通过环郊河“短路”流出嘉兴城区，进入长纤塘、嘉善塘和平湖塘，流向东北。大包围圈内部河道的最枯月平均入流量为14.5 m3/s，90%保证率枯水月的平均入流量为18.3 m3/s。

(5)针对目前进入大包围圈内的来水大量通过环郊河流出城区，建议嘉兴城区提高环郊河的行洪能力，以更好地降低洪涝风险。

(6)建议在城区河道设置水文站，实时监测各河道水位、流量等水文要素，更直接掌握嘉兴河网的水文特征。