鐘桂輝,劉曙光,婁 廈,張梟鳴,魏乾坤
(同濟大學土木工程學院,上海 200092)
太湖流域位于長江三角洲的南翼,屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū),三面臨江濱海,一面環(huán)山,總面積約3.69萬km2,是我國城市化發(fā)展水平最高、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一,也是洪澇災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一[1-3]。為有效保障流域防洪安全,提升洪澇綜合治理能力,目前已經(jīng)形成了太湖調(diào)蓄,洪水北排長江、東出黃浦江、南排杭州灣的流域防洪工程布局。但近年來, 隨著城鎮(zhèn)化進程的迅猛推進,太湖流域內(nèi)城市和圩區(qū)規(guī)模迅速擴大,人類活動對水情的影響越來越劇烈,洪澇災(zāi)害風險越來越大[4-8]。一方面,城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展使得降雨分布更加集中,強降雨事件增多[9- 10],另外一方面,城鎮(zhèn)化土地利用空間格局的劇烈調(diào)整,使得不透水面積迅速增大,徑流系數(shù)、徑流量和洪峰流量增大,導致河網(wǎng)水位暴漲[11-12],洪澇災(zāi)害波及的對象更多,造成的損失更大。為了防洪減災(zāi),重點區(qū)域和主要城市不斷提高其自保能力,大量開展城市防洪工程和圩區(qū)建設(shè),盡管防洪工程提高了城市和若干低洼地區(qū)的保護標準,但也切斷了河道湖蕩通聯(lián)性,削弱了流域洪澇調(diào)蓄能力,加大了流域骨干河道及圩外河道防洪壓力[13-15],導致流域、區(qū)域和城市的洪澇關(guān)系及洪澇調(diào)蓄格局發(fā)生變化,影響了流域區(qū)域及城市的防洪治澇協(xié)調(diào)性。
貫穿整個太湖流域的江南運河,是京杭運河7大段之一,其北起鎮(zhèn)江,南至杭州,是太湖流域內(nèi)最長的河流,也是流域內(nèi)唯一一條跨越多個水利區(qū)域的南北向洪澇調(diào)節(jié)河道[16]。江南運河流經(jīng)常州、無錫、蘇州,截至2015年底,這3座城市中心城區(qū)防洪包圍圈已經(jīng)全部建成,中心城區(qū)防洪標準提升至200年一遇,有力保障了城區(qū)防洪安全,但也改變了與江南運河水量的交換,加重了江南運河的防洪壓力[17]。據(jù)統(tǒng)計,江南運河沿線蘇錫常三大城市防洪工程及沿線圩區(qū)外排泵站向江南運河排水流量總規(guī)模為1 047.96 m3/s,其中城市大包圍直接排入運河流量729 m3/s。強降雨期間,蘇錫常等城市的集中排澇使得江南運河水位陡漲,單日漲幅甚至超過1.5 m,江南運河防洪安全問題日益凸顯,沿線區(qū)域的防洪除澇壓力日益增大[17-18],如2017年6月10日,太湖流域北部地區(qū)普降暴雨或大暴雨,江南運河蘇錫常段一度全線超保證水位,江南運河無錫站、望亭(大)站水位分別達5.32 m和5.07 m。本文建立專門的水文水動力河網(wǎng)模型,研究蘇錫常向江南運河集中排澇對運河防洪安全的影響及區(qū)域洪澇轉(zhuǎn)移規(guī)律,旨在為流域區(qū)域防洪及調(diào)度提供技術(shù)支撐。
江南運河北起江蘇鎮(zhèn)江的長江諫壁口門,繞太湖東岸到達江蘇蘇州,南至江浙交界的鴨子壩,全長約 213 km,途經(jīng)常州、無錫、蘇州、嘉興和杭州等城市,是流域整個河網(wǎng)中一條橫貫?zāi)媳钡目v向骨干河道(圖1),起著水量調(diào)節(jié)和承轉(zhuǎn)的作用,直接影響沿線區(qū)域及城市的防洪排澇安全??紤]太湖流域的水利分區(qū)及江南運河水文站點分布,本文研究范圍界定為從江南運河的鐘樓閘到平望水文站段,全長150 km,包括武澄錫虞區(qū)、太湖區(qū)和陽澄淀泖區(qū)3個水利分區(qū),總面積9 051 km2(圖1)。
圖1 區(qū)域概況
研究區(qū)域河網(wǎng)密布,水系發(fā)達。根據(jù)水體流向,水系大體可分為入江河道、入望虞河河道、入湖河道和內(nèi)部調(diào)節(jié)河道4類。研究區(qū)地勢低平,洼地、湖蕩稠密,北、東、南三邊受長江口及杭州灣泥沙淤積的影響,形成沿江及沿海高地。區(qū)域多年平均降水量約1 100 mm,受梅雨、短歷時暴雨及臺風雨影響,洪澇災(zāi)害頻繁而嚴重,歷時上曾發(fā)生1954年、1991年、1999年和2016年4場流域性大洪水。為了防洪減災(zāi),區(qū)域外圍設(shè)有長江堤防控制線、環(huán)太湖大堤控制線、武澄錫虞西控制線、望虞河東岸控制線和太浦河北岸控制線。區(qū)域內(nèi)部設(shè)有運河(望虞河-澹臺湖段)東岸控制線,常州、無錫、蘇州城市大包圍,并在低洼地區(qū)建有大小聯(lián)圩近800個,圩區(qū)面積約占研究區(qū)域總面積的50%。
本文選擇丹麥水動力研究所開發(fā)的MIKE11HD水動力模型和NAM水文模型,基于豐富翔實的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)及防洪工程調(diào)度資料,建立水文水動力模型,并利用歷史實測數(shù)據(jù)進行率定和驗證,研究蘇錫常排澇對江南運河產(chǎn)生的洪澇轉(zhuǎn)移特征。
MIKE11HD一維水動力模型是一個垂向均質(zhì)的水力學模型,具有計算穩(wěn)定、精度高和可靠性強等特點,模型可以靈活方便地模擬復雜河網(wǎng)水流、模擬閘門水泵等各類水工建筑物的運營調(diào)度,尤其適合應(yīng)用于水工建筑物多、控制調(diào)度復雜的情況[19]。其控制方程是圣維南方程組:
(1)
(2)
式中:x為距離;t為時間;A為過水斷面面積;Q為流量;h為水位;q為旁側(cè)入流量;n為河床糙率系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度。MIKE11水動力方程的離散采用6點隱式(Abbott)差分格式求解。
嵌入于MIKE11 HD 模型中的NAM模型是一個集總式、概念性降雨徑流模型,其將每個子流域視為一個單元,基于水文循環(huán)的物理結(jié)構(gòu)和半經(jīng)驗方程,通過有限的數(shù)據(jù)(如降雨、蒸發(fā)、溫度等)輸入,模擬水文循環(huán)的不同土壤狀態(tài),并連續(xù)計算積雪儲水層、地表儲水層、土壤或植物根區(qū)儲水層和地下水儲水層4個不同且相互影響的儲水層含水量來模擬產(chǎn)匯流過程[20]。
使用的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)、防洪排澇工程參數(shù)及調(diào)度數(shù)據(jù)等。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中的河流水系、DEM高程、道路交通及土地利用等取自2013年全要素矢量地圖,比尺為1∶10 000,通過ArcGIS進行提取與處理,并對水文數(shù)據(jù)進行了檢驗和校正,水文數(shù)據(jù)為歷史實測數(shù)據(jù),包括研究區(qū)水文站點的降水資料、 典型年主要測站的水位資料。骨干河道的斷面為實測數(shù)據(jù),測量間距為2 km, 對斷面變化較大及轉(zhuǎn)折點處進行了加密。其他河道斷面為全國水利普查數(shù)據(jù)。防洪排澇工程參數(shù)及調(diào)度資料來自當?shù)厮畡?wù)部門。
2.2.1邊界設(shè)置
考慮武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)及太湖區(qū)為太湖流域的獨立水利分區(qū),四周有五大控制線,因此用水文站點加口門作為模型的邊界。主要的邊界有長江沿線口門(31個)、環(huán)太湖沿線口門(20個)、武澄錫虞西控制線口門(7個)、太浦河北岸沿線口門(8個)及平望水文站、黃渡水文站和泖甸水位站。邊界水位為實測水位(潮位)或?qū)崪y水位(潮位)的插值,將初始水位設(shè)為河道多年平均高水位。
2.2.2產(chǎn)匯流集水區(qū)的劃分
建立NAM模型,首先要劃分集水區(qū)。綜合考慮圩區(qū)、非圩區(qū)、城市大包圍產(chǎn)匯流的不同,并考慮大型湖泊、阻水建筑物和地形的影響,共劃分集水區(qū) 123個??紤]降雨的空間差異,運用泰森多邊形法對區(qū)域內(nèi)18個雨量站進行了集水區(qū)降水空間劃分。
2.2.3河網(wǎng)的概化
研究區(qū)域內(nèi)河流湖泊密布,在保留河網(wǎng)和湖泊功能和精度的基礎(chǔ)上,對部分河網(wǎng)進行概化,共概化河道398條,其中圩外河道281條,圩內(nèi)河道117條(圖2)。
圖2 模型概化
2.2.4水工建筑物的處理
區(qū)域內(nèi)水工建筑物主要有水閘和泵站??紤]到邊界河道、望虞河東岸、澹臺湖以上(非城區(qū)包圍)沿運河東岸、城市大包圍等水工建筑物對區(qū)域水量交換的影響較大,按實際水工建筑物的位置、參數(shù)及調(diào)度進行處理。對圩區(qū)內(nèi)的水閘和泵站,在保證圩區(qū)排澇總量不變的基礎(chǔ)上,根據(jù)圩區(qū)規(guī)模、圩區(qū)排澇能力和圩區(qū)實際泵站分布進行概化處理,包含泵站162個、水閘147個(圖2)。
2.2.5水文水動力模型的耦合
根據(jù)集水區(qū)的劃分情況,在 MIKE 11 水動力模塊中建立集水區(qū)與河道的連接,分別將圩區(qū)、非圩區(qū)、湖泊、城區(qū)等集水區(qū)與相連通的河道進行連接,實現(xiàn)水文水動力模型的耦合。
研究區(qū)域?qū)儆谄皆泳W(wǎng)地區(qū),難以依靠流量資料單獨率定 NAM 水文模型。本文選用枯水期實測資料對一維水動力模型的河道糙率進行率定,再選用豐水期實測資料對水文水動力耦合模型進行率定。選取2012年9月25日至10月20日降雨較少期的實測資料對河道糙率進行率定,河道糙率確定在0.020~0.025之間;選取2009年7月1日至8月15日豐水期實測資料對NAM模型進行率定,地表儲水層最大含水量約為 20 mm,土壤層最大含水量約為 200 mm,坡面流系數(shù)為0.2~0.7。
選取2013年10月16日至11月15日枯水期和2013 年9月5日至10月15日豐水期的實測資料分別對河道糙率及水文水動力模型進行了驗證。9月5日至10月15日降雨期間青陽、洛社、楓橋和湘城 4個驗證站水位的計算值與實測值見圖3,均方根誤差RMSE見表1。經(jīng)驗證,模型計算誤差基本控制在10 cm以內(nèi),其中最大均方根誤差為0.091 1,表明模型精度良好。
圖3 2013年各測站水位計算值與實測值對比
表1 模型誤差分析結(jié)果
1991年和1999年太湖流域發(fā)生了流域性特大暴雨,導致了流域性特大洪澇災(zāi)害,其典型暴雨過程通常用于太湖流域的各項規(guī)劃和設(shè)計中。本文選擇的降雨方案為“91北部”50年一遇(A類),“91北部”100年一遇最大39d設(shè)計暴雨及其過程(B類),以及“99 南部”50年一遇(C類),“99 南部”100年一遇最大30d設(shè)計暴雨及其過程(D類)4種。
選取9個關(guān)注點(圖4),分別代表江南運河沿線水位(關(guān)注點1、2、3)、江南運河沿線附近區(qū)域水位(關(guān)注點4、5、6),蘇錫常城區(qū)水位(關(guān)注點7、8、9),來分析不同降水量級和不同排澇方案下江南運河水位的變化情況,以及蘇錫常城市和運河沿線區(qū)域?qū)\河水位變化的響應(yīng)程度。
圖4 河道關(guān)注點分布
根據(jù)《江南運河聯(lián)合洪澇調(diào)度方案》以及《城鎮(zhèn)化快速發(fā)展背景下太湖流域防洪關(guān)鍵問題研究》中有關(guān)“流域、區(qū)域和城市調(diào)度方式和工程布局協(xié)調(diào)性研究計算方案”[21]的研究成果,蘇錫常城區(qū)排澇分現(xiàn)狀調(diào)度方案(1類)、不設(shè)防調(diào)度方案(2類)、優(yōu)化調(diào)度方案(3類)3種,具體調(diào)度方案見表2。與降雨方案對應(yīng),計算方案共12種(表3)。
表2 城市大包圍調(diào)度方案設(shè)置
基于率定驗證好的水文水動力模型,按照表3的計算方案分別進行計算,并重點關(guān)注江南運河水位的變化情況,從而分析蘇錫常城市集中排澇對江南運河水位的影響。計算結(jié)果表明:江南運河的水位隨降水量的增大而上升,隨著蘇錫常城市排澇量的增大而上升。以無錫下游運河上的關(guān)注點2的水位為例(圖 5),可以看出:
圖5 4類方案下無錫下游關(guān)注點運河水位過程線
表3 計算方案
a. 江南運河的水位與降雨的總量和降雨時程呈正相關(guān)關(guān)系,隨著降雨的增加或減少,河道水位相應(yīng)上漲或下降,并隨著降雨峰值的出現(xiàn),水位也出現(xiàn)峰值,水位峰值出現(xiàn)的時間滯后于降雨峰值出現(xiàn)的時間約25 h。降雨頻率越大,江南運河水位越高。100年一遇降雨頻率下的江南運河水位全部高于50年一遇降雨頻率下的江南運河水位。
b. 降雨總量對江南運河水位影響較大,“91北部”雨型時,由于前期降雨總量較大,江南運河出現(xiàn)明顯的洪峰,但“99南部”雨型時,因前期降雨總量不大,江南運河水位上漲不明顯。 隨著降雨總量的增加,加之運河水位退水較慢,出現(xiàn)較高水位的洪峰,且隨著降雨頻率的增加而增加。
c. 相同降雨不同調(diào)度方案下的江南運河水位由高到低的順序為:現(xiàn)狀調(diào)度方案、優(yōu)化調(diào)度方案、不設(shè)防方案。說明現(xiàn)狀調(diào)度方案情況下,蘇錫常城市集中排澇抬高了江南運河水位,增大了運河水位洪水風險。
d. 若讓城市適當承受部分內(nèi)澇風險,即城市起排水位適當抬高0.17~0.30 m,則能有效降低江南運河水位。以A類方案(“91北部”50年一遇最大39 d降雨)為例,優(yōu)化調(diào)度(A3)方案下關(guān)注點1、 2、 3在第1次漲落過程中洪峰水位分別為4.42 m、3.96 m和3.80 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案(A1)洪峰水位分別低0.03 m、0.03 m和0.00 m。在第2次漲落過程中,A3方案下關(guān)注點1、 2、 3洪峰水位分別為4.73 m、4.41 m和3.91 m,比A1方案下對應(yīng)水位分別降低0.08 m,0.03 m,0.01 m。說明在現(xiàn)狀調(diào)度方案下,城市洪水水位較低,降低了城市洪水風險,但是江南運河水位明顯上升,即城市洪水的風險轉(zhuǎn)移到了流域及區(qū)域。
為剖析不同方案下江南運河沿程水位變化,將各類方案下運河水位縱斷面洪峰水位提取成圖。以A類方案組為例(圖6),可以看出:與不設(shè)防方案(A2)相比,設(shè)防方案(A1和A3)會導致運河水位明顯上漲。現(xiàn)狀調(diào)度方案下運河縱斷面上的洪峰水位整體高于優(yōu)化調(diào)度方案下的縱斷面洪峰水位,高出值約0.00~0.12 m。
圖6 A類方案江南運河縱斷面洪峰水位
不同調(diào)度方案下江南運河常州至無錫河段的洪峰水位受蘇錫常城市大包圍的影響最為顯著,無錫至蘇州的洪峰水位受到的影響次之,蘇州下游河段的洪峰水位受到的影響較小。與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案能夠適當降低江南運河干流的洪峰水位,降低江南運河的洪水風險。
蘇錫常城市集中排澇提高了江南運河的水位,但也有效降低城市內(nèi)部河道水位,從而降低城市洪澇風險。目前,城市正在加大內(nèi)部治澇工程、管網(wǎng)排水工程、重要基礎(chǔ)設(shè)施自保工程和擴大蓄滯水空間的建設(shè)。了解不同調(diào)度方案下的城市內(nèi)部洪澇特征,可以為治理城市內(nèi)澇、協(xié)調(diào)城市與區(qū)域的防洪關(guān)系提供理論依據(jù)。
經(jīng)計算分析得出:A類方案下,若城區(qū)不設(shè)防,常州、無錫和蘇州城區(qū)第1次洪峰水位分別達到4.49 m,4.20 m和3.80 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案分別高0.28 m,0.64 m,1.1 m,比優(yōu)化調(diào)度方案分別高出0.22 m,0.44 m,0.86 m。第2次洪峰不設(shè)防水位達到4.59 m,4.54 m,4.02 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案高出0.35 m,0.86 m,0.87 m,比優(yōu)化調(diào)度方案高出0.30 m,0.75 m,0.84 m。相應(yīng)地,B類方案、C類方案和D類方案下都有相似規(guī)律(圖7),即不設(shè)方案下常州、無錫及蘇州城區(qū)的水位明顯高于現(xiàn)狀調(diào)度方案水位,且洪峰水位高于各城區(qū)警戒水位,而現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案的水位明顯降低,基本低于各城區(qū)警戒水位。說明城區(qū)大包圍有效降低了各城區(qū)洪水水位,保證了城區(qū)安全。
圖7 不同方案下無錫城區(qū)內(nèi)部河道水位過程
與不設(shè)防方案相比,設(shè)防方案由于城市澇水外排,城區(qū)內(nèi)部河道洪峰水位明顯降低,城區(qū)內(nèi)部內(nèi)澇風險降低。與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案使得常州水位提高0.1~0.2 m,無錫水位提高0.1~0.3 m,蘇州水位提高0.1~0.3 m,但都在城市洪澇風險可接受范圍,說明在不大幅增加城市洪澇風險的前提下,可以適當減少城市的排澇量,從而降低江南運河水位,協(xié)調(diào)城市與區(qū)域的防洪關(guān)系。
河道關(guān)注點4、5、6分別位于江南運河常州、無錫和蘇州之間的運河沿線附近區(qū)域,其水位變化分別與關(guān)注點1、2、3的水位變化趨勢類似,即洪水漲落過程中現(xiàn)狀調(diào)度方案的水位最高,優(yōu)化調(diào)度方案次之,現(xiàn)狀調(diào)度方案最低,但排澇對運河沿線附近區(qū)域河道水位的影響程度較對運河干流的影響偏小,即蘇錫常集中排澇能明顯提高江南運河水位,沿線附近區(qū)域水位盡管有所抬升,但影響不大。
對于常州城區(qū) ,根據(jù)流場結(jié)果(圖8、圖9)可知,現(xiàn)狀調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度對常州大包圍及其附近區(qū)域的流場影響不大,現(xiàn)狀調(diào)度方案下京杭運河的流量更大,但其他主要行洪河道的流向和流量變化不大?,F(xiàn)狀調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度條件下常州大包圍其他主要行洪河道在洪峰過境期間的平均水位差見表4。與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案下,常州運包圍除京杭運河外的其他主要行洪河道的洪峰水位出現(xiàn)一定程度的升高,升高的幅度在0.05~0.15 m。
表4 不同調(diào)度條件下常州大包圍其他行洪河道洪峰水位差值平均值 m
圖8 現(xiàn)狀方案(A1)常州大包圍及附近區(qū)域流場示意圖
圖9 優(yōu)化調(diào)度(A3)方案常州大包圍及附近區(qū)域流場示意圖
現(xiàn)狀調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度對無錫大包圍、蘇州城區(qū)大包圍及其附近區(qū)域的流場影響也不大,現(xiàn)狀調(diào)度方案下京杭運河的流量更大,但不同調(diào)度方案下其他主要行洪河道的流向和流量變化不大。與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案使得無錫運東大包圍除京杭運河外的其他主要行洪河道的洪峰水位出現(xiàn)一定程度的升高,升高的幅度在0.03~0.24 m之間,蘇州城區(qū)大包圍的其他主要行洪河道的洪峰水位升高幅度在0.04 m以內(nèi)。這是因為優(yōu)化調(diào)度降低了大包圍向京杭運河排澇的水量,大包圍內(nèi)的積水更多地通過其他河道的泵站抽排排出。優(yōu)化調(diào)度方案會導致原先排入京杭運河的澇水減少,排入其他行洪河道的澇水增多,使原先京杭運河的洪水風險向其他主要的行洪河道轉(zhuǎn)移。
a. 江南運河的水位與降雨的總量和降雨時程呈正相關(guān)關(guān)系,隨著降雨的增加或減少,河道水位相應(yīng)上漲或下降,并隨著降雨峰值的出現(xiàn),匯流時間約25 h。降雨頻率越大,江南運河水位越高。
b. 為降低江南運河的防洪壓力,根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)度方案及有關(guān)研究成果,設(shè)立蘇錫常城市排澇的優(yōu)化調(diào)度方案,即常州起排水位 4.87 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案抬高17 cm;無錫起排水位4.30 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案抬高30 cm;蘇州起排水位3.17 m,比現(xiàn)狀調(diào)度方案抬高17 cm。比較后發(fā)現(xiàn),與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案能有效降低江南運河及沿線區(qū)域水位,遇到“91北部”100年一遇的降雨頻率時,江南運河部分區(qū)域洪峰水位能降低5~10 cm,遇“99南部”100年一遇的降雨頻率時,江南水位部分水位降低大于10 cm。
c. 優(yōu)化調(diào)度方案降低江南運河水位的同時,城區(qū)內(nèi)部河道洪峰水位有所上漲,常州上漲0.1~0.2 m,無錫上漲0.1~0.3 m,蘇州上漲0.1~0.3 m,但內(nèi)部水位仍低于除澇水位。表明若適當降低蘇錫常城市排澇量,讓城市內(nèi)部承擔部分洪澇風險,能有效降低江南運河水位,城市洪澇風險仍然可控。
d. 相較于蘇州下游的江南運河水位,蘇州上游的江南運河水位漲水時更易大幅度超過警戒水位,且退水時水位居高不下,對運河堤防的壓力較大。相較于常州,無錫和蘇州城區(qū)漲水時大幅度超城區(qū)內(nèi)部最高控制水位,城區(qū)防洪壓力較大。
建議在提高無錫和蘇州城區(qū)防洪排澇能力的同時,提高蘇州上游運河堤防的防洪能力,并優(yōu)化蘇錫常城區(qū)大包圍的調(diào)度規(guī)則,適當減少排入江南運河的水量。另外,建議對蘇州上游的運河沿線區(qū)域設(shè)置閘門在汛期時進行控制或者加強沿線區(qū)域河道的堤防建設(shè),并建立按運河上重要水位站的特征水位值來設(shè)置城區(qū)沿運河水工建筑物。