佟保根，王曉君

（徐州市銅山區水務局，江蘇  徐州   221100）

摘  要：本文在NAM模型的基礎上耦合一、二維水動力學模型，構建了銅山城區水文水動力耦合河道洪水預報模型。利用NAM模型模擬計算重點防洪河道上游斷面的流量過程作為水動力學模型的邊界條件，進行河道洪水演進計算，滾動預報河道重點防洪斷面的水位與流量過程，實現河道洪水和可能的地表洪水演進實時分析和預報，結合多場次歷史洪水資料進行率定和驗證，結果表明模型可對銅山城區洪水進行較好模擬，對支撐“降水-產流-匯流-演進”全過程推演、提升銅山城區防洪“四預”能力具有重要現實意義。

關鍵詞：銅山城區；洪水預報；NAM模型；水動力模型

1               概述

我國地處季風氣候區，暴雨洪水集中，城區洪澇問題突出^[1]，充分利用洪水預報技術預判風險、規避風險，實現減少人員傷亡、遏制經濟損失一直是城市防洪減災研究的重點^[2]。水利部李國英部長強調，要遵循“降雨-產流-匯流-演進”規律，加強“流域-干流-支流-斷面”水文監測，滾動更新洪水預報^[3]。當前廣泛應用的城市雨洪預報方法可分為水文學方法、水動力學方法以及水文水動力學方法^[4]。其中，水文水動力學方法兼顧了產匯流水文原理和洪水演進水力學特征，近年來受到了眾多學者的關注^[5]。孫嘉輝等^[6]將降雨徑流模型（NAM）與一維水動力模型耦合后構建了青獅潭流域洪水預報模型，模擬結果表明該模型可應用于青獅潭流域洪水預報。薛嬌等^[7]采用基于緊密耦合的模型耦合方式，初步構建了珠江三角洲水文水動力耦合模型，對珠江三角洲的水流運動過程及其典型示范區產匯流過程進行了模擬，模擬結果證明該模型可為珠江三角洲洪水預報提供支撐。鄧成等^[8]基于暴雨洪水管理模型（SWMM）和二維水動力模型LISFLOOD-FP構建了深圳市典型區域水文水動力耦合模型，對典型暴雨下研究區的內澇時空演進過程進行較好地模擬。高英等^[9]采用水文學與水動力學松耦合的建模方式，針對賈魯河流域山丘區、平原區的城市地區和農村地區分別構建洪水預報模型，對降雨、產流、坡面匯流以及防洪保護區分洪、河道內水閘調度、河道洪水演進和淹沒變化的全過程進行了模擬，精度較高。

銅山城區山丘眾多，大小山有28座，占城區面積的1/6以上，多為饅頭山，分散孤立，山腳下缺少攔山截水溝和滯蓄地，一旦發生洪水，則無任何緩沖、滯蓄的余地，滾坡而下，直泄城區，容易造成重災，開展銅山城區洪水預報技術研究對防洪減災具有重要意義。考慮到銅山城區水文地理特征及資料情況，本文采用模型輸入要求適中的降雨徑流NAM模型、一維河網水動力模型以及二維地表水動力模型構建銅山城區水文水動力耦合模型，分析該模型在銅山城區洪水模擬和預報中的可用性，以期為城市洪水防御決策提供技術支撐。

2               模型原理

2.1         降雨徑流NAM模型

降雨徑流NAM模型由丹麥理工大學水力動力工程學院的Nielsen和Hansen首次提出^[10]。NAM模型基于水文循環的物理結構，同時又結合了-些經驗、半經驗公式，通過連續計算4個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產匯流過程。模型的各個參數和變量代表的是流域平均值（表 1），模型參數和變量的初始值可以根據流域的自然特征初定，然后利用歷史水文資料進行率定。NAM模型的徑流形成過程圖1所示^[6]。

圖1 NAM模型的徑流形成過程

2.2        一維河網水動力模型

一維河網水動力模型利用一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流的水流狀態，采用四點加權Preissmann固定網格隱式差分格式離散方程，求解時采用迭代法。一維水動力模型沿河道網格布置有交錯法（即水位、流量點交叉布置）和水位、流量同一網格布置法。本文采用水位、流量同一網格布置法。

2.3        二維地表水動力模型

根據研究區域特點，采用高性能格式建立適合復雜計算域和任意地形的二維水動力模型，模型計算采用無結構網格有限體積法，。基于二維水動力模型構建流域淹沒分析模型，分析潰口淹沒以及流速流向的變化，對發生漫堤、潰口或分洪河段的相關區域，計算淹沒區域范圍、洪水演進過程。

3               模型構建與驗證

3.1        模型構建

銅山城區內奎河有4條主要支流包括楚河、玉泉河、焦山河和東風河。本次一維水動力模型概化的河網范圍包括銅山城區的楚河、龍泉河、嬌山湖、焦山河、鐵路東溝、玉泉河、東風河（攔山河）、奎河8個干支流河段，建模范圍水系分布及水文分區如圖 2所示。采用NAM模型計算河道上游斷面流量過程或區間流量過程，為反映區間較大支流、排澇泵站及雨水管道對防洪對象的影響，進行奎河洪水預報模型建設時需要考慮以上四條主要支流的流量和沿線泵站及雨水管道，作為集中入流匯入，其余小的支流作為旁側入流形式匯入相應的主河道區段內。

圖 2 建模范圍水系及水文分區

二維地表水動力模型構建考慮重要城集鎮區域，主要包含以下工作：

（1）網格劃分，綜合考慮二維建模范圍邊界（外邊界）、內部線型阻水建筑物（高速公路、鐵路）、河道堤防等，劃分二維網格。為了精確模擬洪水，網格平均尺寸整體控制在100m左右，重點關注區域和河道近岸區域進行加密處理，平均尺寸控制在10m左右。

（2）參數設置，二維模型參數設置主要包括地表糙率，將根據下墊面類型（草地、林地、裸土等）進行分類設置。二維地表水動力模型采用精細化建模方式，充分利用高精度地形數據，采用m級甚至亞m級的結構或非結構網格。

為實現河道漫堤、潰堤洪水的模擬，需要將一維河網水動力模型和二維地表水動力模型進行雙向耦合。本文采用側向連接（潰口、堤防、泛洪區等）方式耦合一維河網水動力模型和二維地表水動力模型，對于結構物（閘、泵、水庫放流等）則采用結構物隱式鏈接，并精細化的考慮分洪口門調度啟用規則。在未發生潰堤或漫堤時，進行一維河網水動力模型計算；當發生潰堤或漫堤后，開始進行一二維水動力耦合模型計算，通過一維河網水動力模型計算將聯解界面處的水位傳遞給二維模型，進而根據二維模型計算得到潰口處的流量，再傳遞回給一維數學模型，水位流量的傳遞通過迭代控制誤差。一二維水動力耦合模型聯解示意圖如圖 3所示。

3.2        模型率定與驗證

采用優化算法自動率定和人工調參相結合的方式對模型參數進行率定，結果如表 2所示。

表 2 模型主要參數率定結果

選取2023年9月15日~17日的典型洪水過程，對銅山區水文水動力耦合模型進行了驗證，對各主要斷面3天預測模擬值與實測數據進行了對比，以奎河站為例，對比結果見圖4，奎河站水位確定性系數為0.21，基本滿足模型精度要求。

圖 4 奎河站一二維水動力耦合模型模擬值與實測值對比

4               結論

本文嘗試在NAM模型的基礎上耦合一、二維水動力學模型，構建了銅山城區水文水動力耦合河道洪水預報模型，并選取典型洪水資料對模型模擬結果進行了率定和驗證。結果表明，該模型可為強化銅山城區洪水預報、提升區域水災害防御能力提供算法支撐。

參考文獻：

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[10] 佘有貴.NAM模型在珠江流域初步應用實踐[J].人民珠江,2005,(03):34-37.

作者簡介：佟保根（1966—）正高級工程師，碩士研究生，從事防汛抗旱水利水務科技網絡安全信息化工作。E-mail:t8388@126.com  電話：13815308388