南京市高淳區(qū)城市水網防洪及雨洪資源利用模擬研究

徐 馳，董慶華，張宏雅，張浮平

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430010；2.長江科學院，武漢 430015)

0 引 言

隨著我國社會經濟地快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，人口、產業(yè)、財富向城市快速集中，城市應對洪水災害的防御能力需要不斷提高。據統(tǒng)計，我國大約有2/3的城市不同程度的遭受洪水災害[1, 2]，其中大部分都坐落在長三角和珠三角等強降雨地區(qū)。根據要求，我國一等城市的防洪標準重現期為200年，但部分城市目前的防洪標準重現期僅有50年一遇～100年一遇(例如南京)，其防洪標準還需要進一步提升。同時，由于降雨的年內分配不均，我國的800多座城市中有將近一半處于缺水的狀態(tài)，其生產生活供水保證率還需要進一步提高[3, 4]。

近些年，我國城市面臨的資源型缺水和水質型缺水問題越來越凸顯，水資源保障、防洪減災、水生態(tài)修復、水景觀等城市涉水需求逐漸加大。城市河湖水網連通是城市除水患、興水利、惠民生的重要舉措，其防洪和水資源利用效益對提高城市防洪標準，保障城市社會經濟發(fā)展有重要作用。提高水網防洪安全和水資源利用效益的重要舉措之一是利用城市中的河湖水網調蓄汛期雨洪資源，化害為益，在枯期保障供水安全。這種方法由城市雨水利用、城市排水和防洪中衍生出來，即為城市雨洪資源利用，國外也稱城市雨洪管理。目前，科學利用水網中的閘門、泵站等控制建筑物調節(jié)雨洪資源是發(fā)揮水網綜合效益的關鍵[5]。MIKE系列模型結構清晰、界面友好、考慮涉水要素全面，在河口、河流、河湖水網模型構建方面應用廣泛[6-8]，非常適合研究我國南部水網密布地區(qū)的水動力情況，其FLOOD模塊可將一維河道和二維湖泊有機整合，在模擬過程中充分重現河湖串聯(lián)水網地區(qū)湖泊水力邊界受河流動態(tài)變化的影響，是研究河湖水網的重要工具[9]。南京市高淳區(qū)水系發(fā)達，境內固城湖是最重要的水源地，周邊修建有以水碧橋閘、楊家灣閘為代表的一批水利工程，具有得天獨厚的水網構建模式研究基礎。

本次研究以南京市高淳區(qū)為研究對象，通過MIKE FLOOD模型分析河湖水網的防洪及雨洪資源利用效益，提出一種汛期滿足地區(qū)防洪安全，枯期保障供水安全的高淳區(qū)水網調度運行模式。

1 研究區(qū)概況

高淳區(qū)位于南京市最南端(北緯31°13′～31°26′、東經118°41′～119°12′)，北臨溧水，東界溧陽，南部和西部與安徽郎溪、宣州、當涂三縣(市)接壤[10]。高淳南北相距29 km，東西最大相距49 km，總面積802 km2，其中陸地面積566.5 km2，占70.65%，水域面積235.5 km2，占29.35%。

高淳區(qū)多年平均氣溫16.2 ℃，多年平均降水量達1 194.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為861.9 mm。多年平均風速為2.8 m/s，多年平均相對濕度77.9%。降水量在時空上分布不均勻，汛期(5-9月)降水量占全年降水量的60%，其中夏季降水量平均占全年40%，且大部分集中于梅雨季節(jié)的6月中旬至7月中旬；冬季(12-2月)最少，占全年的14%。

高淳區(qū)以茅東閘為界，分屬水陽江和太湖兩個水系。水陽江水系境內有兩個湖泊，即固城湖、石臼湖；有水碧橋河、官溪河、石固河、胥河四條主要河流將兩個湖泊相連。本次研究的城市河湖水網構建模式以固城湖、水碧橋河、官溪河、石固河、胥河為研究重點，石臼湖和水陽江作為邊界條件[11](圖1)。

圖1 高淳區(qū)重點河流、湖泊組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of key rivers and lakes of Gaochun District

2 模型建立

2.1 MIKE模型介紹

數值模擬是研究河湖水網的基礎，其核心問題是河網數學模型的建立及求解，模型求解的控制方程為圣維南方程。本次模擬使用在生產實踐中屢經檢驗的丹麥MIKE系列模型。該系列模型可劃分為三個維度，分別是基于一維非連續(xù)流方程的MIKE 11一維非連續(xù)流模型，基于二維淺水方程的MIKE 21二維漫流模型，一、二維耦合的MIKE FLOOD模型。其中MIKE 11常應用于模擬洪水風險分析和風險圖繪制，分洪道、水工建筑物和調蓄池的設計，實時洪水預報等；MIKE 21能夠較好地模擬湖泊、河口、海灣等二維自由表面流的流體狀態(tài)；MIKE FLOOD 模型將一維與二維模型耦合，能發(fā)揮各自的計算優(yōu)勢，在模擬過程中充分重現河湖串聯(lián)水網地區(qū)湖泊水力邊界受河流動態(tài)變化的影響，更精確地模擬河湖水網的水流特征[12, 13]。

2.2 模型建立步驟

(1)模型概化。研究以高淳區(qū)最主要的水源固城湖為核心，以周邊水碧橋河、官溪河、石固河、胥河四條最重要的河流為對象，概化出高淳水網模型。概化過程充分依據收集到的河道斷面數據、湖泊水下地形數據，河流水系等實測地理信息數據，并使用ArcGIS地理信息系統(tǒng)交互處理，對地理信息數據的一致性進行處理，最終生成可供MIKE軟件識別的文件[14]。

(2)設定邊界條件和主要參數。根據實測數據，設定固城湖的初始水位為9.5 m；水碧橋河、官溪河、石固河、胥河與固城湖相連，在模型中設定為標準連接；降雨、蒸發(fā)、風場等邊界條件基于實測數據設定。模型中糙率取0.03，河床阻力取0.32 m1/3/s，最大迭代次數取20，水體密度設為常數，渦黏系數取0.28，其他重要參數求解見圖2。

水陽江和石臼湖作為模型的外邊界條件，其中水陽江根據調查實際情況分別設置為上游流量、下游水位邊界，石臼湖做簡化處理，設置為8 m的固定水位邊界。

(3)模型原理。一維水動力模型方程組為：

(1)

式中：x為笛卡爾坐標系坐標；g為重力加速度；t為時間；A為過水斷面面積；R為水力半徑；C為謝才系數；Q為流量；q為旁側入流量；h為水位;a為動量分布系數。上式中第一個方程為質量守恒方程，第二個方程為動量守恒方程[8, 15, 16]。

圖2 MIKE 模型主要參數的設定Fig.2 Setting the main parameters of the MIKE model

二維非恒定淺水運動方程組為：

(2)

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標系坐標；h為水深；η為水位；u、v分別為x、y方向上的速度分量；g為重力加速度；ρ為水的密度;C為謝才系數；τxx、τyy、τxy分別有效剪應力分量；S為源項；Ω為科氏力系數；f(V)是風摩擦力系數；V、Vx、Vy分別為風速及風速分量；Pa為大氣壓[17]。

(4)設定控制建筑物及調度規(guī)則。根據實際情況及研究需求，本次研究設定的控制建筑物包括4個閘門和兩個泵站，其中4個閘門為水碧橋閘、楊家灣閘、蛇山閘、茅東閘；兩個泵站為楊家灣泵站、蛇山泵站。本次研究為閘門和泵站設定了三組調度規(guī)則(見表1)，其中蛇山閘和茅東閘在調度規(guī)則中均處于關閉狀態(tài)。

(5)模型使用資料。本次模擬使用了高淳區(qū)高淳站2016年實測的降雨、蒸發(fā)、風場等水文氣象數據。由于缺乏長系列水文氣象數據，因此研究以2016年為基礎，并將系列較長、數據可靠的國家氣象信息中心南京站1980-2009三十年長系列降雨數據作為補充數據。在長度達20年后(1999年后)，南京站降雨數據的累積均值與多年平均值的相對誤差已穩(wěn)定在3%以內，差積曲線包含了完整的豐、平、枯周期，以上分析說明數據可靠。

表1 控制建筑物調度規(guī)則設定Tab.1 Setting regulation rules of control structure

經分析，2016年的實測降雨量為1 273.9 mm，以此為基礎，確定模型中豐(5%)、平(50%)、枯(95%)的降雨量分別為1 819.8、1 049.9和722.5 mm?？紤]到水陽江汛期時間比固城湖早，天然水網和分洪水網模擬時間為7月1日至8月25日；雨洪資源利用水網僅針對固城湖，其模擬時間為汛期一個月，即從7月26日至8月25日。根據調研，固城湖堤防50年一遇防洪標準對應的水位是13 m。根據經驗，汛期模擬期間降雨-徑流系數取0.7。

本次研究中豐水年水網的調度模擬是研究重點，平水年和枯水年水網的模擬僅作對比分析使用。

(6)模型構建。為對比分析河湖水網的防洪及雨洪資源利用效益，本次研究在設定閘門和泵站的調度規(guī)則基礎上，建立了4個汛期的河湖水網模型，分別賦予高淳河湖水網為天然水網，分洪水網和雨洪資源利用水網三類功能特性(表2)。其中天然水網模型是不采取任何調度措施，維持水網的自然連通性模型(模型一)。分洪水網模型是根據現實中高淳水網汛期的調度規(guī)則建立的模型，該模型在保障高淳區(qū)防洪安全的前提下，水網在汛期有幫助水陽江分洪的功能(模型二)。雨洪資源利用模型是假設的模型，目的是發(fā)揮高淳水網作為“城市水庫”的功能，以固城湖匯水區(qū)為研究對象，在保障防洪安全的前提下，合理蓄積洪水資源保證枯期供水安全(模型三和模型四)。該水網不考慮幫助水陽江分洪的效益。

表2 高淳水網模型信息統(tǒng)計表Tab.2 Statistics table of model information of water network in Gaochun

3 結果與分析

3.1 天然水網模擬分析

模擬開始時間是7月1日，此時恰遇水陽江汛期開始，固城湖水位受外江(水陽江)水位影響，水位短期內顯著上升，于7月6日升至13.35 m，已經超過了地區(qū)50年一遇防洪標準水位，之后內湖水位由外江水位和本地降雨控制，開始緩慢下降(圖3)。豐水年、平水年、枯水年的模擬結果相差不大，因為固城湖水位基本由水陽江水位控制。天然水網的模擬表明固城湖水位完全由水陽江水位控制，若沒有閘門控制，高淳區(qū)極易遭受洪水災害。

圖3 天然水網的水位過程模擬結果Fig.3 Simulation results of water level process in natural water network

3.2 分洪水網模擬分析

該水網模擬了實際過程中固城湖幫助水陽江的分洪過程[18]。在模擬初始時刻，水陽江水位設定為9.5 m，楊家灣閘保持開始狀態(tài)，水陽江與固城湖連通，此時水陽江流域洪水過境，江水位迅速提升并以最大570 m3/s的流量流入固城湖水網。固城湖水位迅速抬高，一日后水位即高于12 m，楊家灣閘立即關閉防止固城湖水位進一步升高。

7月3日，水陽江水位高于12.5 m，固城湖水位為10.9 m(小于12 m)時，根據調度規(guī)則，固城湖需要承擔部分水陽江的防洪任務，此時水碧橋閘開啟承擔分洪任務，過閘流量最大達到112 m3/s。至7月8日，固城湖已幫助分洪水量共3 472 萬m3，水位上漲至12 m，此時水碧橋閘關閉，防止高淳區(qū)遭受洪災(圖4)。

圖4 水陽江、固城湖的模擬水位變化Fig.4 Simulated water level change of Shuiyang river and Gucheng Lake

7月20日以后，水陽江水位降至12 m以下，楊家灣閘重新開啟，維持水陽江和固城湖的連通性。至模擬結束時，固城湖水量較大，水位高于水陽江，水網通過官溪河向外排水21 340 萬m3。

3.3 雨洪資源利用水網模擬分析

(1)模型三。雨洪資源利用水網是為了研究雨洪資源利用的效益，在不考慮水網幫助水陽江的分洪效益的前提下，通過閘門、泵站等控制固城湖的水位，在保障防洪安全的前提下，最大限度利用雨洪資源保障枯期供水安全[19]。本研究考慮了模型三和模型四(表2)兩個雨洪資源利用水網，其中模型三是僅有兩個泵站，模型四還考慮了閘門。

根據模擬，在枯水年(5%)和平水年(50%)，固城湖不斷屯蓄雨水，最終水位分別10.72 m和11.45 m，未達到11.5 m(圖5)，兩個泵站沒有達到開啟條件，固城湖是高淳區(qū)的蓄水池，汛期蓄水供枯期供水使用。

在豐水年(5%)，固城湖水位在8月12日達到11.5 m，官溪河泵站、石固河泵站開始以20 m3/s流量分別向水陽江和石臼湖排水。水位開始緩慢下降，至8月18日，水位降至11.05 m；至8月25日，水位維持在12.5 m。模擬時間段固城湖湖區(qū)降雨和周邊匯集雨水量共計14 031.0 萬m3，通過固城湖囤蓄量共9 307.8 萬m3，通過泵站抽排水量共4 723.2 萬m3，雨洪資源利用率達到66.3%。

但是，模擬期間固城湖遭遇20年一遇暴雨(8月19日)，降雨量達到182.96 mm，水位在8月20日達到12.98 m，接近50年一遇防洪水位，高淳區(qū)防洪安全受到嚴重威脅。模擬結果說明僅依靠楊家灣泵站、蛇山泵站20 m3/s的抽排能力已經不能滿足防洪的需求。這種方案在實際調度中不可接受，可考慮結合已建的閘門輔助泄洪。

圖5 模型三固城湖的水位變化過程模擬結果Fig.5 Simulation results of water level change process in Gucheng lake of model Ⅲ

(2)模型四。在加入水碧橋閘、楊家灣閘輔助泄洪的功能后，8月19日至20日期間，楊家灣閘最大分洪流量達到300 m3/s，水碧橋閘最大分洪流量達到150 m3/s。固城湖水位在8月20日可控制在12.68 m，地區(qū)防洪安全得到保障。通過模擬，汛期一個月固城湖匯集雨水量共計14 031.0 萬m3，通過固城湖囤蓄量共7 150 萬m3，通過泵站抽排水量4 721.0 萬m3，通過閘門外排水量2 160.0 萬m3，雨洪資源利用率達到51.0%[20]。

同時，模擬結束時(8月25日)固城湖水位為11.66 m，比分洪水網模型(模型二)中相同時刻的水位(水位為9.82 m)高1.84 m，固城湖可利用水資源量增加約4 400 萬m3，雨洪資源利用成效顯著(圖6)。

圖6 模型三和模型四固城湖的水位變化過程模擬結果對比圖Fig.6 Comparison diagram of simulation results of water level change process in Gucheng lake in model Ⅲ and model Ⅳ

4 結 論

固城湖是高淳區(qū)最重要的水源地，與水陽江、石臼湖、官溪河、石固河、水碧橋河、胥河等組成連通水網，是地區(qū)社會經濟發(fā)展的重要水源支撐。但是，和長三角、珠三角部分城市一樣，高淳區(qū)面臨汛期防洪壓力，枯期供水壓力。一個科學的解決途徑是在水網中合理布置控制建筑物、制定適合的調度規(guī)則，充分挖掘水網在防洪中的重要作用，免受水害威脅，更可以充分利用雨洪資源，在防洪安全的前提下，化害為益，屯蓄汛期洪水保障枯期供水安全。

通過模擬可知，遇到豐水年，在天然水網狀態(tài)下，受水陽江過境洪水影響，高淳區(qū)水位升至13.35 m，超過50年一遇防洪標準水位(13 m)，地區(qū)防洪形勢嚴峻；通過在水網地區(qū)設定閘門、泵站等控制建筑物調控天然水量后，可將固城湖水位控制在13 m以內，顯著提高地區(qū)防洪安全[21]。相對而言，分洪水網僅具有防洪效益沒有考慮水資源利用，而雨洪資源利用水網則能在保障防洪安全的前提下，囤蓄雨洪資源量約4 400 萬m3，供枯水月份使用，是本研究的推薦方案。研究建議在水網密度的我國東南沿海、部分中部地區(qū)進一步加強城市水網的雨洪資源利用，在保障地區(qū)防洪安全的前提下，提高雨洪資源利用效益，提高地區(qū)水安全。

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