巢湖流域水文模型及水文成果

田 娟

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

巢湖流域位于安徽省中部，屬于長(zhǎng)江下游左岸水系，為全國(guó)五大淡水湖之一，流域總面積為13544.7km2，其中巢湖閘上面積9185.6km2，閘下面積4359.1km2。巢湖流域地形復(fù)雜，中上游為山丘區(qū)，下游為圩區(qū)，其中山丘區(qū)9697.7km2，占流域面積71.6%；圩區(qū)3040.8km2，占流域面積22.4%；湖泊806km2，占流域面積6.0%。

巢湖流域面積大，水文計(jì)算內(nèi)容較多，在歷年的流域防洪規(guī)劃中，只計(jì)算了典型年的洪水，根據(jù)長(zhǎng)江水位的高低，綜合確定了典型年的重現(xiàn)期。隨著大水年的增加和計(jì)算手段的革新，本文依托MIKE11 NAM模型，搭建巢湖流域的水文模型，并進(jìn)行了長(zhǎng)系列計(jì)算，對(duì)長(zhǎng)系列計(jì)算成果進(jìn)行p-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn)，最終確定了各頻率年的巢湖閘上入湖洪峰流量、閘上及閘下洪量，供防洪方案調(diào)洪計(jì)算時(shí)使用，以確定一定頻率年的工程規(guī)模。

1 巢湖流域水文模型搭建

巢湖流域山丘區(qū)水文分區(qū)在1∶1萬(wàn)數(shù)字高程圖(DEM)上進(jìn)行劃分，并進(jìn)行各分區(qū)的面積量算。

1.1 巢湖流域水文分區(qū)

(1)巢湖閘上分區(qū)。巢湖閘上面積9185.6km2，分區(qū)按照山丘區(qū)、圩區(qū)進(jìn)行劃分，巢湖閘上山丘區(qū)共劃分為33個(gè)子流域，閘上萬(wàn)畝以上大圩共26個(gè)，劃分為26個(gè)分區(qū)；萬(wàn)畝以下圩區(qū)有158個(gè)，數(shù)量多，但面積小，根據(jù)位置分片概化，一條河道上的中小圩概化成一個(gè)，合計(jì)8個(gè)；巢湖湖區(qū)劃分為一個(gè)分區(qū)，巢湖閘上分區(qū)共計(jì)68個(gè)。巢湖閘上山丘區(qū)子流域分區(qū)見(jiàn)表1。

(2)巢湖閘下分區(qū)。巢湖閘下流域總面積4359.1km2，分區(qū)按照山丘區(qū)、圩區(qū)進(jìn)行劃分，巢湖閘下山丘區(qū)共劃分為23個(gè)子流域，閘下萬(wàn)畝以上大圩共28個(gè)，劃分為28個(gè)分區(qū)；萬(wàn)畝以下圩區(qū)有162個(gè)，數(shù)量多，但面積小，根據(jù)位置分片概化，一條河道上的中小圩概化成一個(gè)，合計(jì)7個(gè)；巢湖閘下分區(qū)共計(jì)58個(gè)。巢湖閘下山丘區(qū)子流域分區(qū)見(jiàn)表2。

巢湖流域水文分區(qū)共計(jì)126個(gè)。巢湖流域水文分區(qū)如圖1所示。

圖1 巢湖流域水文分區(qū)位置圖

1.2 一維河道概化

模型中構(gòu)建一維河道的目的是方便各分區(qū)洪水匯流，最終得到各河道出口的洪水過(guò)程。

表1 巢湖閘上山丘區(qū)子流域劃分基本情況表

表2 巢湖閘下山丘區(qū)子流域劃分基本情況表

(1)巢湖閘上。為將沿河圩口和山丘區(qū)子流域的水匯入河道中，在巢湖閘上搭建的一維河道包括南淝河、豐樂(lè)河、杭埠河及白石天河共4條河道，將派河、柘皋河等面積不大的河道概化為一個(gè)區(qū)間，不需要搭建一維河道，洪水直接連接巢湖，這些河道的圩口也主要分布于河道下游，相關(guān)的中小圩直接連接巢湖。

(2)巢湖閘下。為將沿河圩口和山丘區(qū)子流域的水匯入河道中，在巢湖閘下搭建的一維河道包括清溪河、裕溪河、牛屯河、西河、花渡河、永安河、兆河及縣河等8條河道。

巢湖流域水文模型概化如圖2所示。

圖2 巢湖流域水文模型概化圖

1.3 邊界條件

巢湖流域水文模型主要計(jì)算巢湖閘上洪水過(guò)程，不涉及洪水調(diào)算，故不需要調(diào)度各閘站，主要利用的邊界條件為降雨過(guò)程及各個(gè)圩區(qū)泵站的排澇能力。

(1)雨量站選用情況。巢湖流域內(nèi)現(xiàn)有雨量站132處，根據(jù)雨量站的分布情況，每個(gè)分區(qū)選用1～4個(gè)雨量站進(jìn)行計(jì)算。

(2)圩區(qū)排澇能力。圩區(qū)外排流量主要由排澇站排水能力決定，在1991年大水后，防洪體系進(jìn)一步提升，隨著防洪排澇工程的建設(shè)，流域防洪排澇能力不斷提高，排水模數(shù)取值0.7m3/s/km2。

(3)模型計(jì)算參數(shù)。NAM模型中的參數(shù)根據(jù)《巢湖流域防洪治理規(guī)劃》水文水動(dòng)力專(zhuān)題報(bào)告中的方法確定，河道一維水動(dòng)力模型中的糙率取值0.03。

2 主要洪水成果

巢湖流域現(xiàn)有雨量站132個(gè)，由于各個(gè)站點(diǎn)建站的時(shí)間不一致，有的站雖然建站早，但降雨觀測(cè)不連續(xù)，考慮到資料的完整性及連續(xù)性，本次洪水計(jì)算采用建裕溪閘后的系列年，即1968—2020年共計(jì)53年。

通過(guò)巢湖流域洪水模型可計(jì)算出各個(gè)支流及與湖區(qū)直接連接分區(qū)的洪水過(guò)程，將所有支流及與湖區(qū)連接的分區(qū)洪水逐日疊加即得到巢湖閘上洪水過(guò)程。

2.1 巢湖閘上入湖洪峰成果

對(duì)巢湖閘上歷年入湖洪峰流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)P-Ш頻率曲線(xiàn)適線(xiàn)(如圖3所示)，變差系數(shù)Cv=1.06，Cs/Cv=3.0，頻率分析成果見(jiàn)表3。

表3 巢湖閘上洪峰流量排頻成果表

圖3 巢湖閘上洪峰流量頻率曲線(xiàn)

2.2 巢湖閘上洪量分析

巢湖閘上洪量選取3、7、30、90d四個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段，其中最大30d洪量一般決定巢湖最高湖水位，最大3、7和90d為控制洪水過(guò)程。巢湖閘上最大3、7及30d洪量出現(xiàn)在1991年，分別為17.4億、28.8億和51.6億m3，最大90d洪量出現(xiàn)在2020年，為75.1億m3。對(duì)各時(shí)段洪量進(jìn)行P-Ш頻率分析，成果見(jiàn)表4，頻率曲線(xiàn)如圖4所示。

表4 巢湖閘上洪量分析成果表 單位：億m3

圖4 巢湖閘上3、7、30和90d洪量頻率曲線(xiàn)

2.3 巢湖閘下洪量分析

巢湖閘下洪量選取3、7、30、90d四個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段計(jì)算。巢湖閘下最大3和7d洪量出現(xiàn)在2016年，為12.9億和22.1億m3，最大30、90d洪量出現(xiàn)在1991年，分別為31.5億和40.9億m3。對(duì)各時(shí)段洪量進(jìn)行P-Ш頻率分析，成果見(jiàn)表5，頻率曲線(xiàn)如圖5所示。

表5 巢湖閘下洪量分析成果表 單位：億m3

圖5 巢湖閘下3、7、30和90d洪量頻率曲線(xiàn)

2.4 巢湖流域洪量頻率分析

通過(guò)重復(fù)上述演算洪水過(guò)程，選取巢湖流域3、7、30、90d 4個(gè)時(shí)段分析洪量。巢湖流域最大3和7d洪量出現(xiàn)在1969年，為27.8億和47.8億m3，最大30、90d洪量出現(xiàn)在1991年，分別為82.9億和114.6億m3。對(duì)各時(shí)段洪量進(jìn)行P-Ш頻率分析，成果見(jiàn)表6，頻率曲線(xiàn)如圖6所示。

表6 巢湖流域洪量分析成果表 單位：億m3

圖6 巢湖流域3、7、30和90d洪量頻率曲線(xiàn)

3 巢湖閘上設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

將巢湖閘上各分塊洪水過(guò)程累加即得到巢湖入湖洪水過(guò)程，根據(jù)閘上最大1d入湖流量排頻成果以及閘上最大3、7、30、90d洪量排頻成果，對(duì)要進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的典型年閘上來(lái)水過(guò)程進(jìn)行同頻率縮放，得到不同重現(xiàn)期(200、100、50及20a一遇)閘上來(lái)水過(guò)程，2020、2016、1991及1969年大水年各頻率入湖過(guò)程如圖7—10所示。

圖7 2020年型入湖設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

圖8 2016年型入湖設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

圖9 1991年型入湖設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

圖10 1969年型入湖設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)長(zhǎng)系列洪水計(jì)算，得到各支流的長(zhǎng)系列洪水過(guò)程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析得到流域各頻率洪峰/洪量成果。將巢湖閘上各分塊洪水過(guò)程累加即得到巢湖閘上入湖洪水過(guò)程，根據(jù)閘上最大1d入湖流量排頻成果以及閘上最大3、7、30、90d洪量排頻成果，可對(duì)要進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的典型年閘上來(lái)水過(guò)程進(jìn)行同頻率縮放，得到不同重現(xiàn)期(200、100、50及20a一遇)閘上來(lái)水過(guò)程，該典型年各頻率的洪水過(guò)程是流域各方案調(diào)洪演算的基礎(chǔ)，結(jié)合方案擬定及調(diào)算，可確定各頻率年的工程規(guī)模。