太湖流域超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度效益評估

徐天奕 何爽

摘要：太湖流域水利工程眾多、調(diào)度復(fù)雜，科學(xué)評估水利工程洪水調(diào)度減災(zāi)效益對流域制定工程方案、預(yù)案具有重要意義。采用太湖流域洪澇淹沒仿真模型及太湖流域洪災(zāi)損失評估模型，可模擬不同情景下的流域河網(wǎng)水位、水量及洪水淹沒情況，并根據(jù)洪水淹沒特征分布，評估不同水工程調(diào)度后的洪災(zāi)損失。以太湖流域發(fā)生2020年超標(biāo)洪水為背景，分別模擬了采用常規(guī)調(diào)度方案和應(yīng)急調(diào)度方案兩種情景下太湖流域洪澇災(zāi)害情況，評估了采用超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案在2020年洪水防御中發(fā)揮的減災(zāi)效益。結(jié)果表明：采用超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案在發(fā)揮水利工程減災(zāi)效益方面作用明顯，尤其是可提高太浦河、望虞河兩條太湖主要泄洪河道的排水能力，可降低太湖水位0.31 m，縮短高水位持續(xù)時間1～22 d，減少淹沒面積180.1 km2，減少流域直接經(jīng)濟(jì)損失約16.2億元。研究成果可為太湖流域洪水調(diào)度方案、預(yù)案制定工作提供參考。

關(guān)鍵詞：超標(biāo)洪水； 洪水調(diào)度； 減災(zāi)效益； 水文水動力學(xué)模型； 太湖流域

中圖法分類號： TV877

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.010

0引 言

太湖流域位于長江三角洲核心區(qū)域，是中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口最密集、城市最集中的地區(qū)之一［1］。由于特殊的氣候及地形地貌特征，該地區(qū)極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，一旦發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)大洪水，會造成嚴(yán)重的災(zāi)害損失及社會影響［2］。由于太湖流域防洪排澇工程密集且互饋作用復(fù)雜，太湖洪水過程受水利工程調(diào)控影響明顯［3］。目前，太湖洪水主要的泄洪通道行洪與區(qū)域排澇矛盾突出，尤其是遭遇流域性特大暴雨時，如果優(yōu)先考慮下游區(qū)域排澇，則會導(dǎo)致骨干泄洪通道的排洪能力受到制約，導(dǎo)致太湖水位居高不下，威脅太湖周邊區(qū)域的安全；如果優(yōu)先考慮太湖泄洪，限制下游區(qū)域排澇，可能導(dǎo)致下游平原河網(wǎng)地區(qū)積澇。因此，合理分析洪澇災(zāi)害可能造成的損失，充分協(xié)調(diào)太湖流域工程體系的防洪能力，通過科學(xué)手段評估防洪調(diào)度的減災(zāi)效益，是合理制定最佳防洪調(diào)度方案的重要基礎(chǔ)。梅青等［4］從太湖流域調(diào)度的理念、目標(biāo)及任務(wù)等方面定性分析了流域水利工程調(diào)度及未來調(diào)度工作面臨的新形勢。朱威［5］、金科［6］等回顧總結(jié)了近年來太湖流域洪水調(diào)度實踐中的經(jīng)驗及不足。目前，針對流域防洪工程體系聯(lián)合調(diào)度研究多是基于實測的水位流量資料進(jìn)行分析，或是對單一工程、單一控制線的調(diào)度進(jìn)行研究分析［7-8］，而對于流域骨干工程聯(lián)合調(diào)度的防洪減災(zāi)效益模擬研究不充分，對于流域防洪調(diào)度方案預(yù)案的制定數(shù)據(jù)支撐不足。

近年來，太湖流域建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，圩區(qū)大規(guī)模整治和合并，流域下墊面發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)匯流特征發(fā)生明顯改變，太湖及區(qū)域汛期洪水位明顯升高，使得流域泄洪與區(qū)域排澇矛盾更為突出［9-10］。能否準(zhǔn)確反映城鎮(zhèn)化背景下流域與區(qū)域防洪排澇之間的關(guān)系將直接影響評估可靠性。本文通過構(gòu)建太湖流域洪澇淹沒仿真模型及洪災(zāi)損失評估模型，以太湖流域2020年發(fā)生的大洪水為背景，分別模擬不同調(diào)度方案情景下的流域主要代表站水位、骨干工程排水量、流域受淹范圍及洪災(zāi)損失，定量分析流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急調(diào)度方案對降低太湖及河網(wǎng)水位、減少淹澇災(zāi)害損失方面的效益，以期為流域水利工程防御洪水方案、預(yù)案制定工作提供參考。

1研究區(qū)域概況

太湖流域水系是以太湖為中心的網(wǎng)狀水系，由于上游山丘區(qū)坡陡流急，水勢兇猛，上游洪水快速匯入太湖，太湖水位“漲得快”。太湖洪水需要通過下游河網(wǎng)排江入海，而下游地區(qū)大中城市密集分布，地勢低平，河道比降小，水流速度慢，加之受潮汐影響排泄不暢，河湖水位“退得慢”，洪澇滯蓄時間長。盡管太湖與區(qū)域河網(wǎng)洪水過程具有非同步性，但太湖高水位對上游洪水下泄、下游洪澇水外排都有直接或者間接影響。

經(jīng)過幾十年的治理，太湖流域形成以治太骨干工程為主體，上游水庫、周邊江堤海塘和平原區(qū)各類圩閘等工程組成的流域防洪工程體系，以及北向長江引排、東出黃浦江供排、南排杭州灣并充分利用太湖調(diào)蓄的流域防洪調(diào)控體系，洪水調(diào)蓄及外排能力逐步提高［11-12］。流域防洪工程體系見圖1。在流域防洪排澇工程體系中，太浦河、望虞河是太湖洪水外排的主要通道，也需兼排兩岸地區(qū)澇水，常常發(fā)生太湖行洪與地區(qū)排澇之間的矛盾［13-14］。為統(tǒng)籌流域行洪與兩岸地區(qū)排澇，現(xiàn)狀太浦閘、望亭水利樞紐泄洪調(diào)度均按太湖水位和下游干流控制站水位分級調(diào)度，下游干流控制站水位較高時兩樞紐需關(guān)閘。此外，東太湖在歷史上曾是太湖洪水主要泄洪水道，目前東太湖下游區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，超標(biāo)準(zhǔn)行洪可能會對其產(chǎn)生較大影響［15-16］。

2研究方法

2.1太湖流域洪澇淹沒仿真模型

采用太湖流域洪澇淹沒仿真模型進(jìn)行洪水模擬，該模型主要分為降雨徑流模塊、水動力模塊以及洪水淹澇模塊。

2.1.1降雨徑流模擬

針對太湖流域平原區(qū)土地利用特點，將下墊面劃分為水面、水田、旱地、建設(shè)用地等類型，分別進(jìn)行產(chǎn)流計算：

（1） 水面產(chǎn)流。

水面產(chǎn)流量根據(jù)水量平衡方程由降雨扣除水面蒸發(fā)得到。

（2） 水田產(chǎn)流。

水田產(chǎn)流過程按作物生長期的需水、水稻田適宜水深、耐淹水深及水稻灌排模式得出。在無雨日，需從河道提水灌溉以抵消水田蒸散發(fā)量，保持水田的平均適宜水深；在有雨日，當(dāng)水田超過耐淹水深時以排澇能力為上限排水。

（3） 旱地產(chǎn)流。

旱地產(chǎn)流采用三層蒸發(fā)一水源新安江蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行計算［17］。

（4） 城鎮(zhèn)產(chǎn)流。

城鎮(zhèn)下墊面分為透水和不透水2類面積進(jìn)行產(chǎn)流計算。透水面積主要是城鎮(zhèn)綠化帶，根據(jù)霍頓下滲公式采用三層蒸發(fā)一水源新安江蓄滿產(chǎn)流模型；不透水面積包括道路、廣場、屋頂?shù)?，產(chǎn)流即等于有效降雨。

總產(chǎn)流量為各類下墊面產(chǎn)流量之和。降雨徑流模塊計算結(jié)果為水動力計算模塊提供河道側(cè)向入流。

2.1.2水動力學(xué)模擬

采用圣維南方程組模擬太湖流域一維河網(wǎng)非恒定流水流運動情況：

為了模擬水閘、泵站、涵洞等水利工程的控制運行方式，建立了“聯(lián)系”來耦合各模擬區(qū)域。“聯(lián)系”的過流流量采用堰流公式模擬。在閘門開啟的情況下，過閘流量按寬頂堰公式計算。

2.1.3洪澇淹沒模擬

洪水淹澇模擬考慮了洪水漫溢導(dǎo)致的淹水，以及圩區(qū)因排澇動力不足等原因?qū)е碌膬?nèi)澇積水。

（1） 河道漫堤模擬。當(dāng)河道計算水位超過河堤高程，模型將通過堰流公式來計算側(cè)向漫流，用以模擬洪水從河道漫流進(jìn)入河網(wǎng)多邊形內(nèi)部的過程。對漫溢水量根據(jù)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行展布來確定淹沒水深及范圍。

（2） 圩內(nèi)淹澇模擬。根據(jù)流域1∶10 000 DEM高程數(shù)據(jù)設(shè)置每個單一圩的水位-面積曲線。當(dāng)降雨經(jīng)產(chǎn)流計算匯入單一圩時，如果排水不暢蓄積在圩內(nèi)，則根據(jù)該圩的水位-面積曲線推求對應(yīng)的淹沒水深及范圍［18］。

2.2太湖流域洪水災(zāi)害損失評估模型

將洪澇淹沒仿真模型模擬的區(qū)域洪水淹沒特征分布與社會經(jīng)濟(jì)特征分布進(jìn)行空間地理關(guān)系拓?fù)浏B加，可獲取洪水影響范圍內(nèi)不同淹沒水深下社會經(jīng)濟(jì)不同財產(chǎn)類型的價值及分布。采用淹沒水深-損失率關(guān)系法評估洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失［19-20］。直接經(jīng)濟(jì)損失可以分為以下幾類資產(chǎn)進(jìn)行估算。

2.3數(shù)據(jù)來源

概化使用的河道斷面、防洪排澇工程數(shù)據(jù)來自太湖流域管理局以及太湖流域內(nèi)各地水務(wù)部門，其中河道斷面數(shù)據(jù)為2016～2020年，防洪排澇工程數(shù)據(jù)更新至2020年。下墊面資料主要為2015～2016年高分一號遙感衛(wèi)片解譯成果。典型年主要測站的降雨、水位、蒸發(fā)均來自流域內(nèi)各省市的水文年鑒，降雨為2016年和2020年6月1日至7月31日的日均降雨數(shù)據(jù)，水位為2016年和2020年6月1日至7月31日的日均水位數(shù)據(jù)，蒸發(fā)為2016年和2020年6月1日至7月31日的日均蒸發(fā)數(shù)據(jù)。

2.4模型概化

2.4.1下墊面信息化處理

將流域下墊面解譯矢量成果轉(zhuǎn)化為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù)引入模型，各種土地利用屬性歸納為水面、水田、旱地、建設(shè)用地4種類型。將下墊面柵格數(shù)據(jù)與500 m×500 m的模型網(wǎng)格計算單元疊加生成平原區(qū)分配信息，得到各個網(wǎng)格計算單元內(nèi)4類下墊面信息。

2.4.2河網(wǎng)概化

全流域共概化河道1 793條，總長15 058.63 km，河道斷面10 112個，1 km2面積以上的圩外湖泊117個。概化流域沿江、沿杭州灣外邊界、環(huán)太湖、沿流域重點河道等主要控制線及重點圩區(qū)閘泵工程共863座。模型的河網(wǎng)概化見圖2。

2.5模型驗證

為了驗證所建立水文水動力模型的合理性，選擇2016年和2020年梅雨作為典型年對模型進(jìn)行驗證。太湖及地區(qū)代表站計算最高水位與實測比較見圖3和圖4。由圖可知，計算水位與實測水位過程擬合程度良好，尤其是模擬的太湖最高水位與實測最高水位基本一致，各區(qū)域代表站最高水位誤差基本在±0.05 m以內(nèi)。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，2020年僅蘇州市吳江區(qū)約2 667 hm2（4萬畝）農(nóng)田及長興約667 hm2（1萬畝）農(nóng)田受淹，其他地區(qū)無明顯災(zāi)情。由于2020年受災(zāi)較少，不適合驗證，因此選擇流域近年來發(fā)生的2016年大洪水對災(zāi)害損失模型進(jìn)行驗證，2016年的災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計值與模擬值的對比見表1。由表可見，模擬的淹沒面積、洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)總損失值與調(diào)查值較為接近，誤差在合理范圍內(nèi)，因此認(rèn)為災(zāi)害損失評估模型可用于模擬太湖流域的洪災(zāi)情況。

3超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度減災(zāi)效益分析

3.1情景設(shè)計

2020年太湖流域最大30～60 d各時段降水量位列歷史第2位，最大60 d降雨重現(xiàn)期約為50 a一遇。太湖最高水位4.79 m，與1991年并列為有實測資料以來第2高水位［21］。因此，本次研究以2020年梅雨作為背景分析流域超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度減災(zāi)效益。

為分析2020年超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度減災(zāi)效益，設(shè)定了常規(guī)調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度兩組調(diào)度方案情景進(jìn)行對比。常規(guī)調(diào)度為流域現(xiàn)行的《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案（國汛〔2011〕17號）》。常規(guī)調(diào)度優(yōu)先考慮下游地區(qū)防洪安全，當(dāng)下游站點水位較高時，限制太浦河、望虞河等主要出湖通道下泄，通過太湖超蓄來減輕下游防洪壓力，但太湖超蓄有可能造成環(huán)湖大堤工程風(fēng)險。

超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度的設(shè)計思路為盡量減少上游地區(qū)入湖水量，并加大太湖出湖水量。應(yīng)急調(diào)度方案適時加大太浦河、望虞河外排太湖洪水力度，在不加重下游地區(qū)災(zāi)情的基礎(chǔ)上加快太湖洪水下泄，減輕環(huán)湖大堤和太湖上游地區(qū)防洪壓力；適時啟用東太湖口門行洪，增加太湖洪水外排出路，分擔(dān)太浦河、望虞河泄洪壓力；加大東苕溪導(dǎo)流東岸各閘分洪，減少浙西區(qū)入湖水量，減輕太湖調(diào)蓄壓力；此外，充分發(fā)揮沿江、沿?？陂T外排能力，沿江、沿海泵、閘全力排水，加快流域洪水外排。兩組調(diào)度方案對比見表2。

3.2結(jié)果分析

3.2.1降低太湖及地區(qū)河網(wǎng)水位效果分析

模擬的兩種調(diào)度情景下太湖及區(qū)域代表站水位情況見表3。由表可知，若采用常規(guī)調(diào)度方案，太湖最高水位將達(dá)到5.10 m，較采用應(yīng)急調(diào)度方案的最高水位抬升約0.31 m，超過太湖保證水位0.45 m；太湖水位超保天數(shù)將達(dá)到23 d，較采用應(yīng)急調(diào)度方案的情景增加15 d。采用常規(guī)調(diào)度方案情景下太湖水位將于8月17日降至4.20 m以下，較采用應(yīng)急調(diào)度方案推遲12 d，太湖水位至8月28日可降至警戒水位3.80 m以下。而采用應(yīng)急調(diào)度方案，太湖水位于8月14日即可降至3.80 m以下，超警持續(xù)時間大幅度縮減，縮短14 d。

從區(qū)域主要代表站水位來看，如采用常規(guī)調(diào)度方案，除嘉興、平望、琳橋3個代表站外，其他地區(qū)代表站水位將普遍抬升0.10～0.65 m，尤其是上游的坊前站和常州（三）站。地區(qū)高水位持續(xù)時間也將明顯延長，各分區(qū)主要代表站超保天數(shù)在1～33 d，較采用應(yīng)急調(diào)度方案超保天數(shù)多1～22 d。

3.2.2太湖排洪效果分析

模擬的兩種調(diào)度情景下骨干工程排水情況見表4。從工程排水模擬成果來看，超標(biāo)洪水期間（7月17～25日），應(yīng)急調(diào)度方案情景下，太浦閘、望亭水利樞紐、東太湖口門及東導(dǎo)流東岸口門加大力度泄水，對減緩太湖水位上漲速度發(fā)揮了較大作用。其中，太浦閘、望亭水利樞紐較采用常規(guī)調(diào)度方案排水量分別增加了0.96億m3和1.29億m3，對太湖水位降低效果的貢獻(xiàn)率約為72%，是太湖洪水最主要的排水出路。東太湖口門也可增加出湖水量1.56億m3，東苕溪導(dǎo)流東岸口門可減少入湖水量1.60億m3，兩項超標(biāo)調(diào)度措施可進(jìn)一步降低太湖水位。此外，望虞河?xùn)|岸謝橋以下口門多分流0.2億m3，可幫助降低望虞河干流水位，減輕下游排水壓力，有利于望虞河排泄太湖洪水。

3.2.3流域減災(zāi)效益分析

模擬的淹沒范圍如圖5所示。據(jù)模擬分析，采用應(yīng)急調(diào)度方案，流域基本未發(fā)生淹沒情況。若采用常規(guī)調(diào)度方案，由于太湖最高水位將達(dá)到5.10 m，對上游湖西區(qū)和浙西區(qū)造成頂托，流域上游將出現(xiàn)一定范圍的淹沒，模型計算淹沒面積約180.10 km2，大部分區(qū)域淹沒水深在0.50 m以下。

根據(jù)模擬的常規(guī)調(diào)度方案情景下的淹沒范圍和淹沒水深，利用洪水災(zāi)害損失評估模型，按照2020年社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，估算造成的直接經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)到16.2億元，約占當(dāng)年GDP的1.8%。受影響人口約67萬人（見表5）。

3.3討 論

（1） 超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案可根據(jù)流域降雨分布情況做適當(dāng)調(diào)整。若遇降雨中心集中在下游陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)，如1999年實況降雨，太浦河行洪與兩岸地區(qū)排澇矛盾將更為突出，在太浦閘實際調(diào)度中還應(yīng)考慮兩岸地區(qū)嘉興、陳墓等代表站水位情況適當(dāng)壓減流量或暫時關(guān)閘停止泄洪。

（2） 近20 a來，太湖流域內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市防洪大包圍和圩區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大，減少了原有圩外調(diào)蓄水面，降低了流域整體調(diào)蓄能力，圩區(qū)集中排澇也增加了圩外骨干河道的防洪壓力。因此，當(dāng)流域遇超標(biāo)洪水時，在加大骨干工程排泄洪水基礎(chǔ)上，對流域內(nèi)的圩區(qū)調(diào)度提出要求，農(nóng)業(yè)圩或調(diào)蓄能力較高的圩區(qū)可采取限排或停排措施，可進(jìn)一步發(fā)揮河網(wǎng)調(diào)蓄能力。

（3） 水利工程是調(diào)度的重要基礎(chǔ)。望虞河和太浦河是目前流域僅有的兩條太湖洪水外排骨干河道，但對比上游匯流情況，兩河排水能力明顯不足。2020年汛期漲水期，太湖上游最大入湖流量接近3 000 m3/s，而望虞河望亭水利樞紐和太浦河太浦閘最大泄洪流量合計僅為1 000 m3/s左右，太湖洪水外排能力明顯不足。因此，亟需加快推進(jìn)流域工程體系建設(shè)完善，提高工程調(diào)控能力。

4結(jié)論及建議

4.1結(jié) 論

（1） 經(jīng)典型年驗證，構(gòu)建的太湖流域洪澇淹沒仿真模型和洪災(zāi)損失評估模型可模擬不同情景下的流域河網(wǎng)水位、水量及洪水淹沒情況，評估不同水工程調(diào)度后的洪災(zāi)損失。

（2） 以2020年降雨為典型，實施超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案，可顯著降低太湖及河網(wǎng)水位，與采用常規(guī)調(diào)度方案的情況相比，太湖最高水位可降低0.31 m，超保天數(shù)減少15 d，地區(qū)主要代表站水位可降低0.10～065 m，主要代表站超保天數(shù)可減少1～22 d。

（3） 超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案較好地發(fā)揮了流域骨干工程排水效果，尤其是可提高太浦河、望虞河兩條太湖主要泄洪河道的排水能力，可增加太湖排泄洪量約2.30億m3，對太湖水位降低貢獻(xiàn)率約為72%。

（4） 超標(biāo)洪水調(diào)度減災(zāi)效益明顯。據(jù)分析，若采用常規(guī)調(diào)度方案，將導(dǎo)致上游湖西區(qū)和浙西區(qū)約18010 km2受淹，直接經(jīng)濟(jì)損失約16.2億元，受影響人口約6.70萬人。若采用應(yīng)急調(diào)度方案，流域基本不發(fā)生淹沒情況。

4.2建 議

（1） 加大洪水外排，推進(jìn)流域治理骨干工程建設(shè)。防洪工程是水旱災(zāi)害防御的基礎(chǔ)。太湖流域整體防洪能力偏低，太湖洪水僅有望虞河和太浦河兩條外排河道，洪水出路嚴(yán)重不足。針對流域防洪存在的突出問題，迫切需要加強流域和區(qū)域水利工程建設(shè)，加快推進(jìn)環(huán)湖大堤后續(xù)、望虞河拓浚、太浦河后續(xù)、吳淞江行洪工程等4項治太骨干工程前期工作，擴(kuò)大太湖洪水外排出路。同時，謀劃新的太湖洪水出路。

（2） 強化科學(xué)調(diào)度，及時完善流域預(yù)案方案。近年來太湖流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅猛，水利工程建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，各級水利工程的調(diào)度需求也隨之發(fā)生較大變化，流域的水利工程調(diào)度涉及流域、區(qū)域、城市和圩區(qū)多個層級。要建立完善流域、區(qū)域、城市水利工程協(xié)同調(diào)度機制，妥善解決流域與區(qū)域、城市防洪排澇問題。

（3） 推進(jìn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力建設(shè)。加快數(shù)字孿生流域項目建設(shè)，不斷優(yōu)化防洪和多目標(biāo)統(tǒng)籌調(diào)度等業(yè)務(wù)功能，為流域防洪和多目標(biāo)統(tǒng)籌調(diào)度提供更加堅強有力的基礎(chǔ)支撐。

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（編輯：謝玲嫻）