蘇南運(yùn)河沿線防汛排澇 聯(lián)合調(diào)度研究

朱建英， 李淮東， 劉國慶， 周春飛， 陶娜麒， 范子武

(1.江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心， 江蘇 南京 210029；2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處， 江蘇 蘇州 215128； 3.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029)

1 概 述

蘇南運(yùn)河地處長江三角洲地區(qū)，涉及江蘇省鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州等4市。蘇南運(yùn)河自北向南穿越太湖流域腹地，沿途與太湖平原河網(wǎng)諸水系交匯，是太湖流域整個(gè)河網(wǎng)中一條縱貫?zāi)媳钡墓歉珊拥?，涉及湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、太湖區(qū)、杭嘉湖(蘇)及浦西等水利分區(qū)，起著水量調(diào)節(jié)和承轉(zhuǎn)作用[1]，直接影響沿線流域、區(qū)域及城市防洪排澇安全。在流域、區(qū)域遭遇洪澇災(zāi)害時(shí)，通過蘇南運(yùn)河排泄腹部地區(qū)洪澇水。蘇南運(yùn)河兩岸堤防是沿線地區(qū)尤其是低洼地的重要防洪屏障，也是蘇州、無錫和常州市城市防洪的外圍屏障。2015、2016、2017年連續(xù)3年蘇南運(yùn)河沿線及區(qū)域出現(xiàn)超歷史洪水位，反映了當(dāng)時(shí)蘇南運(yùn)河沿線存在區(qū)域防洪、城市防洪排澇、圩區(qū)排澇之間需要協(xié)調(diào)的問題。因此，本文系統(tǒng)分析工情變化、圩區(qū)泵站限排、骨干工程運(yùn)行、水位預(yù)降等措施對(duì)蘇南運(yùn)河洪水的影響，提出洪澇聯(lián)合調(diào)度建議，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際防汛工作具有重要意義。

2 洪澇聯(lián)合調(diào)度研究

2.1 調(diào)度模型

蘇南運(yùn)河沿線流域、區(qū)域、城市防汛排澇聯(lián)合調(diào)度模型構(gòu)建范圍，西至太湖流域邊界，東臨黃浦江，北瀕長江，南以太湖大堤為界，屬于江蘇省太湖地區(qū)，涉及江蘇省鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州4市以及上海市、浙江省和安徽省部分區(qū)域，總面積約2.16萬km2。洪澇調(diào)度模型[2]由山丘區(qū)、高城鎮(zhèn)化地區(qū)水文模型、平原河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力、二維洪澇及其耦合模型以及水利工程復(fù)雜調(diào)度模型組成，模型庫包括了模型網(wǎng)絡(luò)庫(河道、圩區(qū)、水利工程拓?fù)潢P(guān)系等)、模型事件庫(邊值條件)、模型邏輯庫(調(diào)度規(guī)則)。

水文模型[3]產(chǎn)水量是根據(jù)太湖地區(qū)四大類用地類型即旱地、水田、水面以及建設(shè)用地分布，采用不同產(chǎn)流模型分布式計(jì)算得到；匯水模擬是根據(jù)地形、圩區(qū)、城市排澇排水規(guī)劃等資料，以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、泰森多邊形法來劃分匯水單元。每個(gè)匯水單元的不同土地類型產(chǎn)匯流過程進(jìn)行疊加，得到匯流單元流量過程線，再通過匯流路徑分配到相關(guān)河段。

一維河道(河網(wǎng))模型采用水動(dòng)力學(xué)有限差分法直接求解St.Vennant方程組的數(shù)值解，上、下游邊界的控制條件采用水位、流量過程控制。

二維模型采用水力學(xué)有限體積法求解淺水方程組的數(shù)值解，基于地面高程模型，綜合考慮道路、建筑物等的阻擋作用，通過設(shè)置不同類型地塊糙率值、下滲值等，關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格局部加密等實(shí)現(xiàn)地面積水退水過程的模擬。

一二維耦合模型中一維河網(wǎng)模型與二維洪泛區(qū)模型是通過“溢流單元”的連接條件來實(shí)現(xiàn)模型耦合，選定側(cè)堰流公式實(shí)現(xiàn)潰口上下游水流信息的交互。

模型網(wǎng)絡(luò)庫包含河道斷面及河網(wǎng)連接、圩區(qū)以及水閘、泵站和涵洞等水工建筑物，模型事件庫為模型邊值條件，主要由初始條件和邊界條件組成。初始條件主要考慮水庫水位、不同二級(jí)圩區(qū)內(nèi)部控制水位以及與樞紐工程連接的骨干河網(wǎng)水位，模型邊界條件采用長江沿線潮位和太湖水位控制，降雨邊界條件根據(jù)雨量站點(diǎn)空間分布劃分為若干降雨單元，也是邊界條件之一。模型邏輯庫包括水閘、泵站、涵洞、水庫的調(diào)度規(guī)則，其中邏輯控制包括依據(jù)關(guān)注點(diǎn)水位、工程內(nèi)外水位差、運(yùn)行狀態(tài)以及綜合條件判定等。

構(gòu)建聯(lián)合調(diào)度模型后，利用2015年6月15日至6月21日實(shí)況洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，利用2016年7月1日至7月10日實(shí)況洪水進(jìn)行驗(yàn)證，其中，選取的26個(gè)率定驗(yàn)證站點(diǎn)中，NSE系數(shù)大于0.7的占比超過88%，表示模式質(zhì)量好；可決系數(shù)R2基本接近0.9，計(jì)算水位曲線形狀與實(shí)測(cè)水位序列匹配較好，因此模型是可信且精度較好。

2.2 調(diào)度方式模擬結(jié)果

應(yīng)用蘇南運(yùn)河洪澇聯(lián)合調(diào)度模型，選取運(yùn)河沿線丹陽、九里鋪、常州(三)、洛社、無錫(大)、望亭(大)、蘇州(楓橋)等7個(gè)代表站點(diǎn)，基于2016年工況以及遭遇2016年實(shí)況洪水[4]或疊加區(qū)域50年一遇24 h降雨，分析代表站點(diǎn)在不同工情、不同調(diào)度方式下的水位變化，研究入江通道工情變化、城市防洪大包圍工程及圩區(qū)排澇泵站運(yùn)行、鐘樓防洪控制工程運(yùn)行、蠡河樞紐排水、河道水位預(yù)降等調(diào)度措施對(duì)蘇南運(yùn)河防洪的影響。

2.2.1 工情變化對(duì)比分析

本文考慮5組計(jì)算方案來研究工情變化對(duì)蘇南運(yùn)河沿線洪水的影響，其中計(jì)算方案A1為2016年實(shí)況工情，A2為新溝河延伸工程投入運(yùn)行，A3為新孟河延伸拓浚工程投入運(yùn)行，A4為望虞河西擴(kuò)投入運(yùn)行，A5為3個(gè)新工程都投入運(yùn)行。不同計(jì)算方案代表站點(diǎn)最高水位統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 不同計(jì)算方案代表站點(diǎn)最高水位統(tǒng)計(jì)

根據(jù)5個(gè)方案對(duì)應(yīng)的蘇南運(yùn)河代表站計(jì)算水位過程，比較水位峰值差、均值差，如圖1所示。

圖1 不同規(guī)劃工程運(yùn)行對(duì)運(yùn)河特征水位影響

由表1、圖1可知，新孟河延伸拓浚、新溝河延伸拓浚、望虞河西擴(kuò)等工程的運(yùn)用，都會(huì)降低蘇南運(yùn)河最高洪水位，其中，新孟河延伸拓竣工程可降低運(yùn)河常州以上洪水位0.25～0.35 m，并且降低湖西區(qū)金壇、洮湖、滆湖水位0.16～0.22 m，減輕以上地區(qū)防洪壓力；新溝河延伸拓竣工程可降低運(yùn)河洛社至無錫段水位0.07～0.16 m，從而降低無錫市防洪壓力；望虞河擴(kuò)大工程可降低運(yùn)河無錫至蘇州段水位0.11～0.03 m，其對(duì)流域防洪效益更為明顯。3個(gè)工程如果都投入運(yùn)行，將進(jìn)一步降低蘇南運(yùn)河沿線最高水位，洛社以上段效果最為明顯。

2.2.2 工程限排影響分析

(1)城市防洪大包圍樞紐工程

基于2016年實(shí)況洪水及工情下，疊加蘇、錫、常區(qū)域50年一遇24 h降雨，分析3個(gè)城市防洪大包圍工程泵站按照能力的50%、80%、100%控制運(yùn)行。計(jì)算結(jié)果表明，增加外排流量，能有效降低大包圍內(nèi)河水位，但相應(yīng)抬高蘇南運(yùn)河峰值水位，影響主要集中在洛社至蘇州(楓橋)段，影響值約0.04～0.07 m；大包圍適當(dāng)控制運(yùn)行是可行的，基于大包圍內(nèi)外洪水風(fēng)險(xiǎn)均衡，統(tǒng)籌內(nèi)部控制水位、運(yùn)河高水位，適時(shí)錯(cuò)峰運(yùn)行，盡量減輕大包圍運(yùn)行對(duì)蘇南運(yùn)河洪水的影響。

對(duì)蘇錫常大包圍單獨(dú)運(yùn)行與聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)城市防洪大包圍工程排水對(duì)蘇南運(yùn)河洪水位的影響范圍主要集中在城市所在河段，疊加效應(yīng)不明顯。

(2)圩區(qū)泵站

考慮太湖地區(qū)遭遇50年一遇降雨，圩區(qū)泵站排澇按照不限排、限排20%、50%、80%方案共4組，研究工程限排對(duì)蘇南運(yùn)河沿線洪水的影響。

圩區(qū)泵站排澇限排對(duì)降低蘇南運(yùn)河沿線水位影響較明顯，在遭遇50年一遇降雨時(shí)，與圩區(qū)不限排相比，圩區(qū)限排20%、50%、80%時(shí)，運(yùn)河沿線各站點(diǎn)水位降低分別為2 cm、2～10 cm、5～21 cm，其中常州至無錫段效果最為顯著。

2.2.3 蘇南運(yùn)河控制工程運(yùn)行影響分析

主要考慮鐘樓閘防洪控制工程和蠡河樞紐。在2016年汛期，前者運(yùn)行超7 d，充分發(fā)揮了防洪減災(zāi)效益，為減輕常州、無錫、蘇州的城市防洪壓力作出了重要貢獻(xiàn)；后者多次開閘排泄蘇南運(yùn)河洪水入望虞河，一定程度上緩解了蘇南運(yùn)河沿線的防洪壓力。

考慮2016年實(shí)況調(diào)度和鐘樓閘提前12 h、24 h啟用，延后12 h、24 h啟用，蠡河樞紐按無錫(大)水位大于3.9 m調(diào)度等計(jì)算方案共6組，研究兩控制工程運(yùn)行對(duì)蘇南運(yùn)河沿線洪水的影響。

(1)鐘樓閘控制工程運(yùn)行有利于統(tǒng)籌蘇南運(yùn)河上下游防洪壓力。以2016年7月上旬鐘樓閘控制運(yùn)行為基準(zhǔn)，經(jīng)分析，如提前或更早提前12 h、24 h關(guān)閉鐘樓閘，會(huì)增加上游丹陽、九里鋪、常州(三)峰值水位，下游無錫(大)、望亭(大)峰值水位會(huì)降低，延后關(guān)閉效果相反。2016年7月上旬鐘樓閘運(yùn)行時(shí)機(jī)是比較合適的，對(duì)均衡上下游洪水風(fēng)險(xiǎn)，緩解其下游地區(qū)防洪壓力起到重要作用。

(2)蠡河樞紐排水運(yùn)行有利于降低無錫至蘇州段洪水位。影響主要集中在望亭(大)上下游段，影響范圍上游至無錫洛社，下游可達(dá)瓜涇口，其中無錫段洪水降低效果明顯。顯然，以后在流域洪水不遭遇的情況下，適當(dāng)增加蠡河樞紐的工程規(guī)模更能有效緩解運(yùn)河防洪壓力，蠡河樞紐分洪運(yùn)用，要統(tǒng)籌流域防洪和區(qū)域防洪排澇的關(guān)系。望虞河為太湖主要行洪通道之一，也是沿線地區(qū)排澇河道，其水位受望亭立交泄洪、武澄錫虞區(qū)域澇水以及沿江樞紐運(yùn)行影響，蠡河樞紐緊挨望亭立交，因此其分洪效果受到望亭立交泄洪以及下游水位影響，需要抓住流域防洪壓力相對(duì)不大的機(jī)遇，提前搶排蘇南運(yùn)河洪水。

2.2.4 水位預(yù)降措施影響分析

基于2016年實(shí)況以及假設(shè)區(qū)域水位整體預(yù)降0.10 m、0.20 m，研究水位預(yù)降對(duì)蘇南運(yùn)河沿線洪水位的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在蘇南運(yùn)河沿線水位均預(yù)降0.10 m、0.20 m的情況下，可降低沿線站點(diǎn)洪峰水位0.01～0.03 m、0.02～0.06 m，水位預(yù)降措施對(duì)降低常州段、蘇州段洪峰水位更顯著。在長江水位較高致使沿江涵閘難以自排的情況下，可提前采用泵排的方式進(jìn)行水位預(yù)降。

3 結(jié)論與建議

本文利用所建立的蘇南運(yùn)河洪澇聯(lián)合調(diào)度模型，分析研究了新溝河、新孟河、望虞河等大型水利工程運(yùn)行，城市防洪大包圍及圩區(qū)排澇工程限排，鐘樓防洪控制工程及蠡河樞紐運(yùn)用，河道水位預(yù)降等調(diào)度措施對(duì)蘇南運(yùn)河沿線最高洪水位的影響，為蘇南運(yùn)河沿線洪澇聯(lián)合調(diào)度決策提供了科學(xué)依據(jù)。研究成果反映了即將建成的新孟河延伸拓浚，目前已經(jīng)竣工的新溝河延伸拓浚，將要建設(shè)的望虞河西擴(kuò)等骨干工程以及蠡河樞紐工程對(duì)蘇南運(yùn)河沿線洪水位的降低情況，說明蘇南運(yùn)河沿線分段治理、分段緩解洪水壓力的治水思路是科學(xué)合理的，對(duì)城市防洪大包圍工程、圩區(qū)排澇泵站運(yùn)行，要統(tǒng)籌考慮蘇南運(yùn)河防洪與大包圍內(nèi)、圩區(qū)排澇的關(guān)系。

為進(jìn)一步加大蘇南運(yùn)河沿線防洪排澇能力，建議加強(qiáng)區(qū)域水環(huán)境治理，以降低直湖港閘等入湖工程啟排水位，進(jìn)一步緩解所在區(qū)域運(yùn)河段洪水壓力；加大蠡河樞紐工程規(guī)模，發(fā)揮區(qū)域骨干工程緩解蘇南運(yùn)河洪水壓力的作用；在各區(qū)域遭遇洪水以及流域洪水發(fā)生時(shí)，充分發(fā)揮湖西區(qū)上游大中型水庫的調(diào)蓄能力，實(shí)現(xiàn)削峰錯(cuò)峰，減輕下游防洪壓力。