佟保根，王晓君

（徐州市铜山区水务局，江苏  徐州   221100）

摘  要：本文在NAM模型的基础上耦合一、二维水动力学模型，构建了铜山城区水文水动力耦合河道洪水预报模型。利用NAM模型模拟计算重点防洪河道上游断面的流量过程作为水动力学模型的边界条件，进行河道洪水演进计算，滚动预报河道重点防洪断面的水位与流量过程，实现河道洪水和可能的地表洪水演进实时分析和预报，结合多场次历史洪水资料进行率定和验证，结果表明模型可对铜山城区洪水进行较好模拟，对支撑“降水-产流-汇流-演进”全过程推演、提升铜山城区防洪“四预”能力具有重要现实意义。

关键词：铜山城区；洪水预报；NAM模型；水动力模型

1               概述

我国地处季风气候区，暴雨洪水集中，城区洪涝问题突出^[1]，充分利用洪水预报技术预判风险、规避风险，实现减少人员伤亡、遏制经济损失一直是城市防洪减灾研究的重点^[2]。水利部李国英部长强调，要遵循“降雨-产流-汇流-演进”规律，加强“流域-干流-支流-断面”水文监测，滚动更新洪水预报^[3]。当前广泛应用的城市雨洪预报方法可分为水文学方法、水动力学方法以及水文水动力学方法^[4]。其中，水文水动力学方法兼顾了产汇流水文原理和洪水演进水力学特征，近年来受到了众多学者的关注^[5]。孙嘉辉等^[6]将降雨径流模型（NAM）与一维水动力模型耦合后构建了青狮潭流域洪水预报模型，模拟结果表明该模型可应用于青狮潭流域洪水预报。薛娇等^[7]采用基于紧密耦合的模型耦合方式，初步构建了珠江三角洲水文水动力耦合模型，对珠江三角洲的水流运动过程及其典型示范区产汇流过程进行了模拟，模拟结果证明该模型可为珠江三角洲洪水预报提供支撑。邓成等^[8]基于暴雨洪水管理模型（SWMM）和二维水动力模型LISFLOOD-FP构建了深圳市典型区域水文水动力耦合模型，对典型暴雨下研究区的内涝时空演进过程进行较好地模拟。高英等^[9]采用水文学与水动力学松耦合的建模方式，针对贾鲁河流域山丘区、平原区的城市地区和农村地区分别构建洪水预报模型，对降雨、产流、坡面汇流以及防洪保护区分洪、河道内水闸调度、河道洪水演进和淹没变化的全过程进行了模拟，精度较高。

铜山城区山丘众多，大小山有28座，占城区面积的1/6以上，多为馒头山，分散孤立，山脚下缺少拦山截水沟和滞蓄地，一旦发生洪水，则无任何缓冲、滞蓄的余地，滚坡而下，直泄城区，容易造成重灾，开展铜山城区洪水预报技术研究对防洪减灾具有重要意义。考虑到铜山城区水文地理特征及资料情况，本文采用模型输入要求适中的降雨径流NAM模型、一维河网水动力模型以及二维地表水动力模型构建铜山城区水文水动力耦合模型，分析该模型在铜山城区洪水模拟和预报中的可用性，以期为城市洪水防御决策提供技术支撑。

2               模型原理

2.1         降雨径流NAM模型

降雨径流NAM模型由丹麦理工大学水力动力工程学院的Nielsen和Hansen首次提出^[10]。NAM模型基于水文循环的物理结构，同时又结合了-些经验、半经验公式，通过连续计算4个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程。模型的各个参数和变量代表的是流域平均值（表 1），模型参数和变量的初始值可以根据流域的自然特征初定，然后利用历史水文资料进行率定。NAM模型的径流形成过程图1所示^[6]。

图1 NAM模型的径流形成过程

2.2        一维河网水动力模型

一维河网水动力模型利用一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流的水流状态，采用四点加权Preissmann固定网格隐式差分格式离散方程，求解时采用迭代法。一维水动力模型沿河道网格布置有交错法（即水位、流量点交叉布置）和水位、流量同一网格布置法。本文采用水位、流量同一网格布置法。

2.3        二维地表水动力模型

根据研究区域特点，采用高性能格式建立适合复杂计算域和任意地形的二维水动力模型，模型计算采用无结构网格有限体积法，。基于二维水动力模型构建流域淹没分析模型，分析溃口淹没以及流速流向的变化，对发生漫堤、溃口或分洪河段的相关区域，计算淹没区域范围、洪水演进过程。

3               模型构建与验证

3.1        模型构建

铜山城区内奎河有4条主要支流包括楚河、玉泉河、焦山河和东风河。本次一维水动力模型概化的河网范围包括铜山城区的楚河、龙泉河、娇山湖、焦山河、铁路东沟、玉泉河、东风河（拦山河）、奎河8个干支流河段，建模范围水系分布及水文分区如图 2所示。采用NAM模型计算河道上游断面流量过程或区间流量过程，为反映区间较大支流、排涝泵站及雨水管道对防洪对象的影响，进行奎河洪水预报模型建设时需要考虑以上四条主要支流的流量和沿线泵站及雨水管道，作为集中入流汇入，其余小的支流作为旁侧入流形式汇入相应的主河道区段内。

图 2 建模范围水系及水文分区

二维地表水动力模型构建考虑重要城集镇区域，主要包含以下工作：

（1）网格划分，综合考虑二维建模范围边界（外边界）、内部线型阻水建筑物（高速公路、铁路）、河道堤防等，划分二维网格。为了精确模拟洪水，网格平均尺寸整体控制在100m左右，重点关注区域和河道近岸区域进行加密处理，平均尺寸控制在10m左右。

（2）参数设置，二维模型参数设置主要包括地表糙率，将根据下垫面类型（草地、林地、裸土等）进行分类设置。二维地表水动力模型采用精细化建模方式，充分利用高精度地形数据，采用m级甚至亚m级的结构或非结构网格。

为实现河道漫堤、溃堤洪水的模拟，需要将一维河网水动力模型和二维地表水动力模型进行双向耦合。本文采用侧向连接（溃口、堤防、泛洪区等）方式耦合一维河网水动力模型和二维地表水动力模型，对于结构物（闸、泵、水库放流等）则采用结构物隐式链接，并精细化的考虑分洪口门调度启用规则。在未发生溃堤或漫堤时，进行一维河网水动力模型计算；当发生溃堤或漫堤后，开始进行一二维水动力耦合模型计算，通过一维河网水动力模型计算将联解界面处的水位传递给二维模型，进而根据二维模型计算得到溃口处的流量，再传递回给一维数学模型，水位流量的传递通过迭代控制误差。一二维水动力耦合模型联解示意图如图 3所示。

3.2        模型率定与验证

采用优化算法自动率定和人工调参相结合的方式对模型参数进行率定，结果如表 2所示。

表 2 模型主要参数率定结果

选取2023年9月15日~17日的典型洪水过程，对铜山区水文水动力耦合模型进行了验证，对各主要断面3天预测模拟值与实测数据进行了对比，以奎河站为例，对比结果见图4，奎河站水位确定性系数为0.21，基本满足模型精度要求。

图 4 奎河站一二维水动力耦合模型模拟值与实测值对比

4               结论

本文尝试在NAM模型的基础上耦合一、二维水动力学模型，构建了铜山城区水文水动力耦合河道洪水预报模型，并选取典型洪水资料对模型模拟结果进行了率定和验证。结果表明，该模型可为强化铜山城区洪水预报、提升区域水灾害防御能力提供算法支撑。

参考文献：

[1]   张建云,王银堂,贺瑞敏,等.中国城市洪涝问题及成因分析[J].水科学进展,2016,27(04):485-491.

[2]   曹雪健,许金玉,戚友存.“三道防线”建设赋能城市洪水预报：内在机理和技术路径[J/OL].水利发展研究:1-5.

[3]   李国英.在水旱灾害防御工作视频会议上的讲话[J].中国防汛抗旱,2021,31(03):4-5.

[4]   黄国如,陈文杰,喻海军.城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估[J].水科学进展,2021,32(03):334-344.

[5]   宋利祥,徐宗学.城市暴雨内涝水文水动力耦合模型研究进展[J].北京师范大学学报(自然科学版),2019,55(05):581-587.

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[10] 佘有贵.NAM模型在珠江流域初步应用实践[J].人民珠江,2005,(03):34-37.

作者简介：佟保根（1966—）正高级工程师，硕士研究生，从事防汛抗旱水利水务科技网络安全信息化工作。E-mail:t8388@126.com  电话：13815308388