吳淞江瓜涇口樞紐規(guī)模論證分析

金美華，吳心藝，夏 熙，朱 林

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇蘇州 215103）

吳淞江（江蘇段）整治工程是太湖流域綜合治理骨干工程之一。根據(jù)《太湖流域防洪規(guī)劃》［1］《太湖流域綜合規(guī)劃》［2］和《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》［3］等流域規(guī)劃以及《太湖流域吳淞江工程總體方案報(bào)告》［4］等相關(guān)要求，工程主要任務(wù)為增加太湖洪水出路、提高流域防洪能力、增強(qiáng)陽澄淀泖區(qū)防洪排澇能力及改善生態(tài)、水資源、水環(huán)境和航運(yùn)條件。

瓜涇口樞紐是吳淞江的重要節(jié)點(diǎn)工程，現(xiàn)狀由1 座2 m×16 m 雙孔節(jié)制閘和1 座12 m 船閘組成，閘底高程-0.5 m，節(jié)制閘設(shè)計(jì)過流能力為96 m3/s。根據(jù)《太湖流域綜合治理總體規(guī)劃方案》［5］（以下簡(jiǎn)稱《總體規(guī)劃方案》）瓜涇口節(jié)制閘規(guī)模為凈寬60 m、底高程-2.5 m?，F(xiàn)狀過流能力遠(yuǎn)不能達(dá)到規(guī)劃要求，因此需要對(duì)瓜涇口樞紐規(guī)模進(jìn)行論證分析，以應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下水情工情需要，必要時(shí)擴(kuò)建工程。

1 論證分析采用的技術(shù)手段

1.1 計(jì)算模型

為保證與《太湖流域吳淞江工程總體方案報(bào)告》一致，瓜涇口樞紐采用太湖流域數(shù)學(xué)模型［6］進(jìn)行規(guī)劃工程方案的計(jì)算分析，采用四點(diǎn)隱式線性差分格式，對(duì)圣維南方程組進(jìn)行數(shù)值求解。

（1）降雨徑流模型

根據(jù)降雨、蒸發(fā)和下墊面情況針對(duì)流域不同分區(qū)的產(chǎn)水特點(diǎn)，推算分區(qū)產(chǎn)水量及流域設(shè)計(jì)洪水過程。模型按水面、建設(shè)用地、水田和旱地4種下墊面類型分別進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，對(duì)浙西山區(qū)采用新安江三水源模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，平原區(qū)匯流計(jì)算又分為圩內(nèi)與圩外2 種情況分別進(jìn)行，其中圩內(nèi)匯流考慮排澇模數(shù)，而圩外使用匯流曲線，圩區(qū)產(chǎn)生的凈雨需要依靠排澇動(dòng)力排出，同時(shí)采用綜合單位線法并考慮塘壩、水庫的調(diào)蓄作用。

（2）河網(wǎng)水量模型

采用一維非恒定流動(dòng)的基本方程組—圣維南方程組來模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)。以降雨徑流模型計(jì)算得到的山區(qū)流量、圩內(nèi)外凈雨深結(jié)合典型年實(shí)測(cè)潮位邊界，在平原河網(wǎng)和水利工程調(diào)度概化的基礎(chǔ)上采用圣維南方程組模擬一維河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)情況。

（3）河網(wǎng)、湖泊及主要建筑物模擬

根據(jù)太湖流域平原河網(wǎng)的特點(diǎn)，將流域內(nèi)影響水流運(yùn)動(dòng)的因素分別以零維模型（湖、蕩、圩等零維調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)）、一維模型（一維河道）和聯(lián)系要素（堰、閘、泵控制建筑物等）3 類模型要素進(jìn)行模擬，在天然河網(wǎng)、湖泊的基礎(chǔ)上進(jìn)行合并、概化。

1.2 設(shè)計(jì)暴雨

為與《太湖流域吳淞江工程總體方案報(bào)告》一致，直接采用《太湖流域防洪規(guī)劃》中確定的計(jì)算年型及計(jì)算雨量，各分區(qū)最大30 d、60 d和90 d的50~100年一遇暴雨頻率計(jì)算成果見表1。

表1 太湖流域及各水利分區(qū)暴雨頻率計(jì)算成果 單位：mm

依據(jù)典型暴雨選擇原則即歷史特大暴雨類型、時(shí)空分布特征的代表性、水文氣象條件相似性和資料充分性，對(duì)流域性的典型暴雨進(jìn)行分析，選擇1954年、1991年和1999年最大90d降雨過程作為設(shè)計(jì)暴雨典型。

針對(duì)不同典型年降雨的時(shí)程分布及暴雨中心位置，在確定暴雨空間分布方案中，最大30 d、60 d、90 d降水量分別采用同倍比或流域與暴雨中心區(qū)同頻率、其余區(qū)相應(yīng)放大的方式確定了4 種設(shè)計(jì)暴雨（“54實(shí)況”、“91上游”、“91北部”和“99南部”），分別計(jì)算50 年一遇和100 年一遇的設(shè)計(jì)雨量并推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水。

根據(jù)4 種雨型及流域各分區(qū)最大30 d、60 d 和90 d 的100 年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程，按時(shí)段雨量分區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，太湖流域50年一遇、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨面雨量成果見表2~3。

表2 太湖流域50年一遇設(shè)計(jì)暴雨面雨量 單位：mm

《太湖流域防洪規(guī)劃》4 種雨型中，基本反映了流域性洪水的地區(qū)組成特點(diǎn)，不同組合雨型反映了流域暴雨時(shí)空分布的不利情況，其中1991 年型和1999年型更為典型?！?9南部”降雨中心基本保持了1999年實(shí)況降雨特性，暴雨中心位于與太湖排水密切相關(guān)的下游地區(qū)，對(duì)太湖防洪最不利，屬暴雨時(shí)空分布最為不利情況。分析采用100 年一遇“99 南部”設(shè)計(jì)暴雨，滿足《太湖流域防洪規(guī)劃》確定的“99南部”設(shè)計(jì)暴雨條件下的吳淞江整治工程任務(wù)設(shè)計(jì)工況。

表3 太湖流域100年一遇設(shè)計(jì)暴雨面雨量 單位：mm

1.3 計(jì)算工況

吳淞江瓜涇口樞紐規(guī)模論證采用單因子分析，在《總體規(guī)劃方案》確定的計(jì)算工況基礎(chǔ)上，吳淞江整治工程以《總體規(guī)劃方案》推薦的河道拓浚規(guī)模、兩岸口門控制為基礎(chǔ)。

1.4 邊界條件

流域一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的計(jì)算范圍為整個(gè)太湖流域，模型北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)沿江（沿杭州灣）潮位及西側(cè)山區(qū)徑流入流分別為模型的計(jì)算邊界。沿江（沿杭州灣）選取設(shè)計(jì)降雨典型年（1999年型），采用對(duì)應(yīng)年型（1999年型）的實(shí)況潮位過程，將之換算成單位潮位過程，以鎮(zhèn)江站為起點(diǎn)，沿流域邊界量算各潮位站相對(duì)距離，用拉格朗日三點(diǎn)插值得各河口整點(diǎn)潮位，再插值求得瞬時(shí)潮位，以其水位過程進(jìn)行模擬。由降雨產(chǎn)匯流模型計(jì)算得到山區(qū)徑流過程，以旁側(cè)入流進(jìn)行模擬。

1.5 建筑物調(diào)度運(yùn)行辦法

吳淞江瓜涇口樞紐按照太湖、陳墓水位分級(jí)調(diào)度，并與蘊(yùn)西閘聯(lián)合調(diào)度。當(dāng)蘊(yùn)西閘因嘉定水位高于3.46 m關(guān)閉擋洪時(shí)，瓜涇口樞紐相應(yīng)關(guān)閉。具體調(diào)度原則見表4。當(dāng)嘉定水位低于3.46 m 時(shí)開閘，蘊(yùn)西樞紐調(diào)度方案保證太湖洪水或上游地區(qū)洪澇水安全東出黃浦江。兩岸口門控制建筑物當(dāng)太湖非行洪期間敞開運(yùn)行；太湖行洪期間，當(dāng)支河側(cè)水位高于吳淞江水位時(shí)閘門敞開，允許地區(qū)洪澇水排吳淞江；當(dāng)吳淞江水位高于支河側(cè)水位時(shí)關(guān)閘擋洪。

表4 瓜涇口樞紐防洪調(diào)度原則 單位：m

模型計(jì)算結(jié)果：遭遇“99 南部”100 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，造峰期內(nèi)（6 月7 日—7 月6 日）瓜涇口承泄太湖洪水、及至蘇滬邊界水量應(yīng)分別達(dá)到3.1億m3、5.6億m3。

2 模型計(jì)算結(jié)論及瓜涇口樞紐擴(kuò)建必要性

通過太湖流域一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，遇“99 南部”100 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，造峰期內(nèi)（6 月7 日至7 月6 日）瓜涇口承泄太湖洪水、及至蘇滬邊界水量應(yīng)分別達(dá)到3.1億m3、5.6億m3。

當(dāng)瓜涇口樞紐維持現(xiàn)狀，即按照《太湖流域防洪規(guī)劃》確定的瓜涇口閘防洪運(yùn)用條件運(yùn)行，遇流域“99 南部”100 年一遇洪水，判斷吳淞江整治工程流域防洪任務(wù)的可達(dá)性。

由表5可見，現(xiàn)狀規(guī)模下造峰期內(nèi)吳淞江出湖、及至蘇滬邊界水量分別為1.7 億m3、5.4 億m3，行洪排水能力不足。此外，現(xiàn)狀瓜涇口閘設(shè)計(jì)流量?jī)H為96 m3/s，遠(yuǎn)達(dá)不到吳淞江整治工程設(shè)計(jì)流量（410 m3/s）要求，承泄太湖洪水能力不足。

表5 瓜涇口節(jié)制閘現(xiàn)狀行洪排水能力計(jì)算成果（“99南部”100年一遇洪水）

瓜涇口樞紐是吳淞江的重要節(jié)點(diǎn)工程，作為太湖第三條行洪通道，與望亭立交樞紐、太浦河樞紐共同作為太湖泄洪的重要出口，以保障未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的流域防洪安全。同時(shí)瓜涇口樞紐還承擔(dān)著水資源及航運(yùn)功能。為滿足流域防洪任務(wù)，實(shí)現(xiàn)吳淞江整治工程任務(wù)要求，需擴(kuò)建吳淞江瓜涇口樞紐。

3 瓜涇口樞紐規(guī)模論證

1.1 論證思路及方案設(shè)計(jì)

瓜涇口樞紐規(guī)模論證以分析河道拓浚規(guī)模、兩岸口門控制方案為前提，根據(jù)吳淞江整治工程任務(wù)要求和瓜涇口樞紐功能，節(jié)制閘規(guī)模以滿足流域防洪任務(wù)為前提，綜合考慮工程行洪能力、征地拆遷及投資等因素，進(jìn)行方案比選。

（1）布置原則

瓜涇口樞紐西側(cè)為太湖，工程布置應(yīng)避免占用太湖水域，盡可能不占或少占用生態(tài)紅線范圍；東側(cè)為瓜涇港橋，船閘及引航道布置應(yīng)考慮船舶進(jìn)、出安全需要；工程總布置與閘下河道平順銜接，并使連接段河道盡可能避讓兩岸重要企事業(yè)單位及重要設(shè)施，避免造成停工停產(chǎn)停運(yùn)，引起巨大損失。樞紐閘下河道北岸為重點(diǎn)企業(yè)亨通集團(tuán)，布置時(shí)應(yīng)避免連接段河道侵占亨通集團(tuán)廠區(qū)或主要生產(chǎn)車間；南岸為吳江城區(qū)污水處理廠，日處理能力達(dá)8.5 萬m3，一旦停止運(yùn)行，對(duì)社會(huì)影響程度較大，連接段河道需緊沿污水處理廠北側(cè)布置。

（2）閘址方案

閘址布置安排3個(gè)規(guī)模方案分別如下：《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模：節(jié)制閘凈寬60 m、底高程-2.5 m，樞紐南岸新建擋墻墻身基本位于原樞紐擋墻位置（北移10 m），樞紐北側(cè)在老瓜涇口樞紐基礎(chǔ)上繼續(xù)向北外擴(kuò)。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，樞紐于老閘位布置，對(duì)閘下約250 m連接段河道北岸岸坡結(jié)構(gòu)調(diào)整為鋼筋混凝土“T”型地連墻。方案一：節(jié)制閘凈寬48 m、底高程-3.0 m，在老瓜涇口樞紐閘位基礎(chǔ)上向吳淞江側(cè)平移35 m后進(jìn)行布置，使導(dǎo)流墩外邊緣與老樞紐導(dǎo)流墩外邊緣齊平。方案二：節(jié)制閘凈寬60 m、底高程-3.0 m，與“《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)?！钡墓?jié)制閘凈寬一致，均為60 m，即平面尺寸相同，僅底高程不同，為-3.0 m。

（3）總體布置

《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模：節(jié)制閘采用整體鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘孔尺寸12 m×5 m，配升臥式平板鋼閘門。每孔1 塊底板，閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20 m，底板頂面高程-2.50 m。閘墩太湖側(cè)頂高程7.0 m、吳淞江側(cè)頂高程6.0 m。節(jié)制閘太湖側(cè)設(shè)有15 m 長(zhǎng)鋼筋混凝土護(hù)底，外接35 m 素混凝土護(hù)底；吳淞江側(cè)設(shè)有15 m長(zhǎng)消力池，消力池后接190 m素混凝土護(hù)底和5 m 寬拋石防沖槽。船閘上、下閘首凈寬均為12.0 m，采用鋼筋混凝土塢式平底板結(jié)構(gòu)，閘底板頂面高程為-2.50 m，均采用升臥式平板鋼閘門。上、下閘首閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度分別為20 m、15 m。閘室采用整體鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，凈寬為16 m，閘室總長(zhǎng)135 m，共分9 節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)15 m（首末2 節(jié)凈寬由16 m 過渡至12 m），閘室底板頂面高程為-2.50 m。節(jié)制閘和船閘間上下游側(cè)均設(shè)置導(dǎo)流墩，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，太湖側(cè)長(zhǎng)50.0 m，吳淞江側(cè)長(zhǎng)55 m，頂高程均為6.0 m。

方案一：節(jié)制閘采用整體鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬16 m，共3 孔，總凈寬48 m，配升臥式平板鋼閘門。每孔1 塊底板，閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20 m，底板頂面高程-3.00 m。閘墩太湖側(cè)頂高程7.0 m、吳淞江側(cè)頂高程6.0 m。節(jié)制閘太湖側(cè)設(shè)有15 m 長(zhǎng)鋼筋混凝土護(hù)底，外接35 m 素混凝土護(hù)底；吳淞江側(cè)設(shè)有15 m長(zhǎng)消力池，消力池后接190 m素混凝土護(hù)底和5 m 寬拋石防沖槽。船閘除上、下閘首底板頂面高程為-3.00 m 外，其余均與《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模一致。

方案二：本方案與《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模相比，各建筑物底板面高程由-2.50 m降低至-3.00 m，其他高程及平面尺寸與《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模一致。

3.2 方案比選

（1）流域任務(wù)可達(dá)性

采用太湖流域一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，在擬定的計(jì)算工況下，瓜涇口節(jié)制閘分別采用批復(fù)的《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模以及方案一、方案二時(shí)，造峰期吳淞江出湖、至蘇滬邊界水量分析成果見表6。在3種方案中，均能夠滿足流域防洪任務(wù)要求，遇流域“99南部”100 年一遇降雨時(shí)承泄太湖出湖的最大流量即為設(shè)計(jì)流量410 m3/s。

表6 瓜涇口節(jié)制閘不同規(guī)模方案下流域防洪任務(wù)可達(dá)性成果（“99南部”100年一遇洪水）

（2）節(jié)制閘過流能力

采用《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模時(shí)，承泄太湖洪峰流量（410 m3/s）時(shí)所需過閘落差約6 cm，分別采用方案一、方案二時(shí)，相應(yīng)過閘落差分別為7 cm、5 cm。可見，采用規(guī)模“方案二”時(shí)，所需過閘落差最小。詳見圖1。

圖1 瓜涇口節(jié)制閘不同規(guī)模方案下承泄太湖洪峰水面比降

綜合水利計(jì)算分析成果，采用上述不同規(guī)模方案均能滿足流域防洪任務(wù)要求，對(duì)比太湖造峰期水位及節(jié)制閘泄流過程，不同規(guī)模方案之間基本沒有差異；但從節(jié)制閘實(shí)時(shí)流量與過閘落差看，相同過閘落差情況下方案二泄流能力明顯要大于方案一及《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模，相同泄流流量情況下方案二所需過閘落差也相對(duì)較小。見圖2。

圖2 太湖洪峰期瓜涇口樞紐節(jié)制閘不同規(guī)模情況下泄洪流量與過閘落差對(duì)比

（3）征地拆遷

《總體規(guī)劃方案》初擬規(guī)模與“方案二”水工建筑物將占用部分建設(shè)用地，在太湖濕地國家級(jí)生態(tài)紅線范圍內(nèi)，但工程建成后該區(qū)域仍為水面，不涉及征占用太湖水域或新增建設(shè)用地，因此不會(huì)對(duì)其主導(dǎo)生態(tài)功能產(chǎn)生不良影響，方案具備可行性。

征地拆遷影響范圍主要由節(jié)制閘凈寬規(guī)模決定，60 m 節(jié)制閘方案因其規(guī)模擴(kuò)大，在平面上將向北側(cè)繼續(xù)外擴(kuò)，需占用部分億光集團(tuán)土地，但不涉及房屋建筑，僅增加永久征地約4 326 m2。見表7。

表7 瓜涇口樞紐不同規(guī)模方案征地拆遷實(shí)物對(duì)比

（4）工程投資

瓜涇口樞紐不同規(guī)模方案下，征地拆遷部分的投資基本相當(dāng)，投資差別主要產(chǎn)生于工程建設(shè)部分。見表8。

表8 瓜涇口樞紐不同規(guī)模方案工程投資對(duì)比 單位：萬元

（5）結(jié)論

根據(jù)以上4 個(gè)方面即流域防洪任務(wù)可達(dá)性、節(jié)制閘過流能力、征地拆遷和工程投資的綜合比選，吳淞江瓜涇口樞紐規(guī)模論證分析結(jié)果見表9。

表9 瓜涇口樞紐不同規(guī)模方案綜合比選

首先在《總體規(guī)劃方案》規(guī)劃條件下，“方案一”和“方案二”均能滿足流域防洪任務(wù)要求。其次節(jié)制閘60 m 凈寬方案不會(huì)對(duì)國家級(jí)生態(tài)紅線的主導(dǎo)生態(tài)功能產(chǎn)生不良影響，方案具備可行性。再次，當(dāng)行泄太湖洪水時(shí)，“方案二”所需過閘水頭差最小，考慮到方案間的投資增量有限，且樞紐工程投資占吳淞江（江蘇段）整治工程總投資比重較小，為加強(qiáng)太湖流域防洪安全保障能力，以更好應(yīng)對(duì)太湖超標(biāo)洪水，在滿足《太湖流域防洪規(guī)劃》確定的工程任務(wù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為工程泄洪預(yù)留余地，推薦瓜涇口樞紐采用“方案二”。

4 結(jié) 語

瓜涇口樞紐規(guī)模維持現(xiàn)狀將無法實(shí)現(xiàn)《太湖流域防洪規(guī)劃》提出的吳淞江出湖3.1億m3、至蘇滬邊界5.6 億m3的流域防洪任務(wù)要求，因此擴(kuò)建瓜涇口樞紐是必要的。

論證采用太湖流域數(shù)學(xué)模型，考慮100 年一遇“99 南部”設(shè)計(jì)暴雨，進(jìn)行單因子分析計(jì)算，經(jīng)綜合比選，瓜涇口樞紐規(guī)模最終認(rèn)定為節(jié)制閘凈寬60 m、底高程-3.0 m，設(shè)計(jì)流量為410 m3/s，相應(yīng)閘上（太湖側(cè)）水位4.25 m，閘下（河道側(cè)）水位4.20 m，船閘135 m×12 m×3 m為等外級(jí)船閘。