周 宏，劉 俊，劉 鑫，丁明梅，李 朋(.河海大學水文水資源學院，南京 0098；. 河海大學環(huán)境學院，南京 0098)

1 工程概況

2007年5月底，太湖藍藻大面積暴發(fā)造成無錫市供水危機，引起了國內(nèi)外各方面的高度關(guān)注。根據(jù)國務(wù)院要求，有關(guān)部門編制了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》，方案中提出為了治理太湖水環(huán)境，有效增加流域引江濟太進入太湖水量，改善太湖水環(huán)境，需實施擴大引江濟太調(diào)水工程，在此基礎(chǔ)之上需實施望虞河西岸控制工程[1]。然而，在望虞河引長江水入太湖期間，西岸支河缺乏有效控制，與望虞河的水流交換頻繁。由于望虞河西岸地區(qū)的水質(zhì)較差，對引江濟太期間入湖水質(zhì)產(chǎn)生影響。為了進一步增加望虞河入湖水量和水質(zhì)，改善流域水環(huán)境，增加流域泄洪和供水能力，對望虞河西岸實施有效控制，引水期間望虞河西岸滯留河道改由走馬塘排長江。

按設(shè)計，在引水期，西控工程的運行按“五年一遇以下暴雨”(即小水)和“五年一遇以上暴雨”(即大水)兩種運行模式，小水時閘門關(guān)閉，望虞河西岸的圩區(qū)改向走馬塘排澇。大水時，閘門打開，按未進行西控前的原有方式進行泄洪排澇。非引水期，按未西控時的方式進行泄洪排澇。

2 研究方法

望虞河西岸地區(qū)屬武澄錫虞區(qū)，為平原河網(wǎng)感潮地帶，區(qū)域排澇標準為五年一遇。西控工程實施后，在遇到五年一遇以下的暴雨時，走馬塘與望虞河之間的澇水要反向通過走馬塘排入長江，走馬塘的水位抬高，導(dǎo)致望虞河西岸與走馬塘之間地區(qū)的水位同步升高，部分沒有設(shè)圩的半高地地區(qū)受淹風險增加。為研究望虞河西控工程對望虞河西岸與走馬塘之間無錫地區(qū)的影響，需通過排澇水文計算模擬五年一遇暴雨情況下西岸封閉時，河網(wǎng)節(jié)點的水位、流量過程、洪水位、高水位持續(xù)時間及半高地淹沒狀況與五年一遇暴雨情況下西岸未封閉時進行比較，得出望虞河西控工程對無錫的排澇產(chǎn)生的影響。

為準確進行計算，本次研究采用丹麥水利研究所(DHI)研制的MIKE 11中的降雨徑流模塊(NAM)和水動力模塊(HD)耦合模型進行排澇水文計算。MIKE 11模型系統(tǒng)是一個經(jīng)過大量工程實踐驗證的模型，適用于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計算，是模擬一維水流和水質(zhì)的國際化工程軟件[2]。本次研究將NAM的計算結(jié)果作為水動力模型的流量輸入條件，并添加可控水工建筑物，實現(xiàn)降雨徑流模型(NAM)與水動力學模型(HD)的耦合及水閘、泵站的調(diào)度模擬。

在MIKE 11中，NAM模型通過連續(xù)計算積雪儲水層、地表儲水層、土壤和植物根區(qū)儲水層和地下儲水層4個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產(chǎn)匯流過程。它表示了陸面的水文循環(huán)過程，以及4 種儲水層中不同的土壤狀態(tài)和水分的運動途徑[3]。作為一個集總式模型[4]，NAM 模型各個參數(shù)和變量取流域的平均值，其初始值先根據(jù)流域的自然特征初定，然后利用歷史水文資料進行率定。

水動力計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程公式如下。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

可控水工建筑物是指模擬過程中按照各種預(yù)設(shè)的調(diào)度規(guī)則，模型可自動判斷調(diào)整運行方式(如閘門開啟度、過閘流量等)的一類建筑物，包括水閘、橡膠壩、水泵等。MIKE11 的可控建筑物模塊提供了極豐富的閘門操作設(shè)計，有迭代、表格、全開等9 種計算模式，可設(shè)置不同的調(diào)度方案及其優(yōu)先級，細化調(diào)度目標和調(diào)度時機，極大地豐富和提高了MIKE 11對各類實際工程情況的模擬能力[5]。而且，該模塊中設(shè)計參數(shù)的設(shè)置直觀而簡單，調(diào)度方式的設(shè)置手段也非常豐富，使MIKE 11能非常靈活方便地模擬各種防洪和水資源調(diào)度方案。

3 模型構(gòu)建

因走馬塘以西部分排水方向不變，并且有運東大包圍工程，強排能力較強。但走馬塘與望虞河之間區(qū)域地處長江與京杭大運河的中間地帶，泄洪和調(diào)排水距離都相對較遠，當“小水年”時排水方向改變，由原來的“西水東流”變?yōu)槟嫦蚺畔蜃唏R塘，這部分區(qū)域河流流向?qū)⒏淖儯魉賹⒋蟠蠼档?，甚至滯流，河流自凈能力也將下降。再加上望虞河西岸地區(qū)的未設(shè)防半高地較多，增加了無錫部分地區(qū)的河道水位及排澇壓力。因此，西控工程對望虞河以西與走馬塘之間這部分區(qū)域的負面影響最大，從而確定這部分區(qū)域為本次研究的重點區(qū)域，具體水系圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域水系圖Fig.1 Generalized graph of research area

3.1 河網(wǎng)概化

本次計算范圍屬平原河網(wǎng)區(qū)，區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯，連結(jié)成網(wǎng)。在河網(wǎng)內(nèi)部還有眾多湖泊以及水閘、泵站、涵洞等水工建筑物。如果將所有的河道都概化在模型中，那么必將費時費力，并且有些河道調(diào)蓄作用很小或者基本不起輸水作用，概化與否對水位流量的影響結(jié)果很小。因此，在河網(wǎng)概化的過程中以骨干河道為基礎(chǔ)，以基本反映天然河網(wǎng)的水力特性為基本原則進行合理的河道和湖泊概化，使概化后的計算河網(wǎng)能盡可能真實地反映天然河網(wǎng)的水力情況[6]。

因此本次概化以望虞河、錫澄運河-京杭大運河、沈瀆港-走馬塘、白屈港、十一圩港、東橫河、南橫套、張家港河、九里河、伯瀆港為干流，其他河道為支流形式匯入干流。對研究范圍的河道進行了細化，評價區(qū)域加密至村級河道。計算范圍內(nèi)的其他區(qū)域的河道只概化規(guī)模較大的河道，對于調(diào)蓄作用較小的河道結(jié)合水面率的要求作為陸域面上的調(diào)蓄水面；湖泊概化為調(diào)蓄節(jié)點，對于只有景觀作用而無調(diào)蓄做的湖泊類似于小河道滿足水面率要求。河網(wǎng)共概化河道137條，河道節(jié)點共901個，河道概化見圖2。

圖2 河道概化圖Fig.2 Generalized graph of rivers

3.2 集水區(qū)域的劃分

平原河網(wǎng)錯綜復(fù)雜，數(shù)目眾多，同時由于人為干預(yù)(水利分片治理、行政區(qū)劃的范圍等)以及河網(wǎng)概化等因素的影響，直接用DEM數(shù)據(jù)提取時誤差較大，使得降雨徑流在集水區(qū)域內(nèi)部之間的分配變得比較困難[7]。本次研究以各主干河道為基本邊界，綜合考慮河流的流向、地形特點以及最新下墊面資料等條件，根據(jù)排水方向進行集水區(qū)域的劃分，同時綜合考慮水系的完整性、邊界條件的穩(wěn)定性以及周圍區(qū)域?qū)ρ芯繀^(qū)域洪澇水位的影響等因素，選定基本邊界為北至長江、南至太湖、西至錫澄運河-京杭大運河、東至望虞河，集水區(qū)域的劃分見圖3。

圖3 集水區(qū)域的劃分Fig.3 Division of catchment areas

3.3 水工建筑物概化

平原河網(wǎng)地區(qū)水動力模擬過程中，不可避免地要涉及堰、閘、泵等水工建筑物。在這些建筑物處，圣維南方程組已經(jīng)不再適用，必須根據(jù)水工建筑物的水力學特征作特殊處理。在MIKE11模型中水工建筑物的設(shè)置一般非常的直觀，直接輸入設(shè)計參數(shù)即可，同時也可以自定義其他各種水工建筑物。在本次研究中主要涉及可控水工建筑物的設(shè)置，每個可控建筑物都可能有多種調(diào)度方式，比如一座閘可以用于防洪、也可用于水污染控制調(diào)度等等，那么在這些調(diào)度方式中存在一個優(yōu)先度的問題，在MIKE11中，這些調(diào)度方案的優(yōu)先度是通過設(shè)定的Priority值來實現(xiàn)的，值越小優(yōu)先度越高。

本次概化將主要的水工建筑物進行了概化，包括望虞河西岸的水閘、泵站，無錫運東大包圍的水閘、泵站以及長江沿岸的水閘、泵站等，可控建筑物的概化見圖4。

圖4 可控水工建筑物概化Fig.4 Generalized graph of controllable hydraulic structures

3.4 參數(shù)率定

為了保證模型參數(shù)的精確，本次率定選用武澄錫虞區(qū)2012年8月1日至8月25日的實測降雨過程，其中最大1日126.1 mm，最大3日141.2 mm，最大7日149.9 mm，最大15日234.5 mm；邊界水位選取長江實測潮位、太湖實測水位等邊界資料；參數(shù)的率定選取計算范圍內(nèi)有實測水位數(shù)據(jù)的水文站，甘露站、青旸站、陳墅站。率定結(jié)果見圖5。

圖5 各測站率定結(jié)果Fig.5 Results of parameter calibration

由圖5可知，模型計算的各測站率定值與實測值趨勢一致，能較好吻合，計算誤差不大，能較好地反映實際情況，可見參數(shù)率定合理，模型計算可靠，可以用于后面的5年一遇排澇水位的計算。

3.5 遭遇5年一遇暴雨時排澇水位計算

選用武澄錫虞區(qū)12個雨量測站1951-2013年共63年逐日降雨量資料。采用年最大值法點繪選最大1、3、7、15、30日雨量頻率曲線，根據(jù)最大7日雨量得出5年一遇設(shè)計暴雨，與1975年實測值相近。因此采用1975年6月20日至6月26日實測降雨過程分別作為五年一遇典型暴雨過程，然后根據(jù)同頻率縮放得到逐時設(shè)計暴雨過程，詳見表1。

表1 區(qū)域5年一遇設(shè)計暴雨過程 mmTab.1 Regional design rainstorm process

將各計算結(jié)果輸入模型，設(shè)定邊界及水工建筑物調(diào)度規(guī)則，進行模型計算。

4 計算成果分析

4.1 水位變化

5年一遇暴雨情況下西控工程封閉與否各支河口門最高水位對比情況表見表2。

表2 各支河入望虞河口門水位變化情況 mTab.2 Water level change of branch rivers into the Wangyu River

在遭遇5年一遇暴雨情況下，無西控工程時，望虞河西岸支流河口最高水位在3.99～4.05 m；當西岸控制工程實施之后，最高水位上升至4.15～4.22 m，4條主要支流最高水位抬升幅度由北向南分別為14、15、16、23 cm。

結(jié)果表明，在望虞河西岸控制期間，走馬塘成為西岸地區(qū)的主要排水通道，走馬塘與望虞河之間的河道水流流向變?yōu)橛蓶|向西、由南向北，造成望虞河支流河口水位升幅最高，且位置偏南的河道排水路線長，水位升幅最大。

對于望虞河以西走馬塘以東區(qū)域，西控實施前，5年一遇暴雨情況下，各主要河道最高水位為3.97～4.05 m；西岸封閉之后各主要河道最高水位上升為4.18～4.23 m，并具有由北向南遞增的趨勢。最高水位抬升約15～24 cm，而且具有由北向南，由西向東升高的趨勢。

另外西控封閉之后河道高水位持續(xù)時間增加，4.0 m以上水位持續(xù)時間在2.5～3 d，較長的高水位持續(xù)時間對錫山各地區(qū)防洪壓力增大，圩區(qū)的圩堤、不設(shè)防的半高地、低洼地區(qū)都有一定風險。

走馬塘以東地區(qū)在望虞河西控未封閉時、封閉后最高水位等值線圖及區(qū)域水位抬升幅度等值線圖見圖6。

圖6 等值線圖Fig.6 Contour maps

4.2 受淹情況

根據(jù)無錫市歷史洪澇資料統(tǒng)計，沿河易淹區(qū)主要位于錫山區(qū)，在錫北運河及其支流大塘河、張繆舍河、八士港沿線和羊尖塘沿線。5年一遇設(shè)計降雨條件下，西控工程實施后，最高水位的升高及高水位持續(xù)時間的增加，使得不設(shè)防的低洼區(qū)及半高低受淹情況增多，根據(jù)錫山區(qū)半高地和低洼片受淹情況統(tǒng)計，得出在西控工程實施后，5年一遇暴雨情況下，錫山區(qū)不設(shè)防區(qū)和半高地受淹情況統(tǒng)計，其中受淹農(nóng)田面積為2.67 hm2；受淹企業(yè)共5家，總計面積3 400 m2。

5 結(jié) 論

通過MIKE 11模型對望虞河西岸與走馬塘之間河網(wǎng)進行概化，將NAM模型與HD模塊進行耦合，加進水工建筑物模塊并對調(diào)度方式進行模擬計算，得出主要結(jié)論如下。

(1)對于錫山區(qū)不設(shè)防的半高地，在西控實施前，在5年一遇暴雨情況下基本不受淹。西控工程實施后，由于澇水位升高，導(dǎo)致受淹地區(qū)增加。

(2)西控工程實施之后，切斷了望虞河以西區(qū)域向望虞河的5年一遇以下暴雨的排水，望虞河與走馬塘之間河道水流反向，呈自東南向西北流向。望虞河西岸最高水位普遍抬升，望虞河與走馬塘之間的區(qū)域水位抬升在15～24 cm，走馬塘以西河口水位升高也在10 cm以上。受影響區(qū)域內(nèi)高水位持續(xù)時間增長，超過4 m的高水位持續(xù)時間增加2～3 d。

(3)5年一遇區(qū)域最高水位為4.23 m，相當于該區(qū)域10年一遇設(shè)計水位。西控工程封閉之后，對現(xiàn)狀條件下已經(jīng)達到10年一遇標準的地區(qū)不會造成影響，對于望虞河西岸現(xiàn)狀防洪標準未達到10年一遇標準的地區(qū)，會造成洪水淹沒潛在影響。

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