曹宇航，袁文秀，李衛(wèi)東，欒 慕，周 宏，劉 俊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.江蘇水利工程規(guī)劃辦公室，南京 210029)

近年來(lái)，氣候變化異常，極端降雨天氣頻發(fā)，城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的偏低導(dǎo)致內(nèi)澇問(wèn)題加劇，特別是人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、河道湖泊密布、地勢(shì)低洼易澇的平原感潮河網(wǎng)城市[1]。此類區(qū)域受季風(fēng)活動(dòng)和潮汐作用影響顯著，防洪排澇形勢(shì)極為嚴(yán)峻。同時(shí)近年來(lái)城市化的快速發(fā)展使城市不透水面積比增大，徑流系數(shù)提高，洪量增加，洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前，洪峰過(guò)程變得尖瘦，平原感潮河網(wǎng)地區(qū)城市的防洪現(xiàn)狀措施早已不堪重負(fù)，進(jìn)行新的城市防洪規(guī)劃迫在眉睫。為了加強(qiáng)城市防洪治澇工作，防御、減輕洪澇災(zāi)害，本文將結(jié)合區(qū)域防洪的特征，選用合理的方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，對(duì)研究區(qū)域的防洪規(guī)劃提出意見。

1 研究方法

平原感潮河網(wǎng)城市防洪的關(guān)鍵在于控制市區(qū)境內(nèi)主要河道的水位。對(duì)研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)以及可控水工建筑物通過(guò)MIKE11模型進(jìn)行概化。計(jì)算河道現(xiàn)狀工況及規(guī)劃工況在100年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下的水位。對(duì)比實(shí)施規(guī)劃前后區(qū)域內(nèi)主要河道的水位變化，分析實(shí)施規(guī)劃方案帶來(lái)的防洪效果。

丹麥DHI公司開發(fā)的是目前世界上領(lǐng)先，經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證最多的，被水資源研究人員廣泛認(rèn)同的優(yōu)秀軟件。MIKE11模型是模擬一維水流和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證,被證明適用于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算[2]。本次研究涉及降雨徑流模塊NAM和水動(dòng)力模塊HD。

在NAM模塊中，通過(guò)植物土壤根區(qū)儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層等4個(gè)相互影響的儲(chǔ)水層的水量模擬產(chǎn)匯流過(guò)程[3]。NAM模塊中的參數(shù)可先根據(jù)區(qū)域自然特征選取初值，然后根據(jù)計(jì)算需要和率定結(jié)果調(diào)整參數(shù)。

水動(dòng)力模塊中用一維非恒定流Saint-Venant方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)[4]。質(zhì)量守恒方程見公式(1)，動(dòng)量守恒方程見公式(2)。

(2)

式中：x、t分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q為過(guò)流流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度。

本次研究中將降雨徑流模塊的計(jì)算結(jié)果作為水動(dòng)力模塊的流量輸入條件。在水動(dòng)力模塊中，對(duì)研究區(qū)域主要河道進(jìn)行概化，結(jié)合工程的實(shí)際情況，對(duì)閘、泵站等可控水工建筑物設(shè)置合理的調(diào)度規(guī)則，模型便可通過(guò)不同的調(diào)度方案和優(yōu)先級(jí)自動(dòng)控制調(diào)整水工建筑物的運(yùn)行[5]。最終實(shí)現(xiàn)降雨徑流模塊和水動(dòng)力模塊的耦合，極大地提高了模型對(duì)實(shí)際工程的模擬能力。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域概況

海門市位于江蘇省的東南部，東瀕黃海，南倚長(zhǎng)江，素有“江海門戶”之稱。海門市屬于感潮平原河網(wǎng)地區(qū)，水系發(fā)達(dá)、地勢(shì)平坦、水文條件復(fù)雜，根據(jù)以往規(guī)劃將海門市劃分為5個(gè)片區(qū)(見圖1)。本文主要研究通啟西片。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of research area

海門城區(qū)河道基本和流域性河道相連。城區(qū)地勢(shì)較高，排水比較順暢，內(nèi)澇情況不嚴(yán)重。研究區(qū)域內(nèi)包含新江海河、滸通河、海門河、通啟運(yùn)河等主要河道，研究區(qū)域水系圖見圖2。

圖2 研究區(qū)域水系圖Fig.2 Generalized graph of research area

2.2 河網(wǎng)概化

本次概化以新江海河、通啟運(yùn)河、海門河為干流，其他河道為支流形式匯入干流。對(duì)研究范圍的河道進(jìn)行了細(xì)化，對(duì)雨水防澇中的城市內(nèi)河進(jìn)行了加密。人工河道斷面概化為棱柱形，天然河道斷面根據(jù)一定的原則概化為棱柱形。河道概化的基本原則為：主要河道不要合并；次要的起輸水作用的小河道，可以把幾條河道合并成一條概化河道；基本上不起輸水作用的河道作為陸域面上的調(diào)蓄水面處理[6]。

涉及水工建筑物新江海河閘、立新閘、海門港閘、日新閘、青龍港閘、大洪新閘。均采用MIKE11中的可控水工建筑物概化?，F(xiàn)狀工況下，河網(wǎng)共概化河道30條，河道節(jié)點(diǎn)共87個(gè)，入江閘站共8座，河道與水工建筑物概化見圖3。

圖3 河道與可控水工建筑物概化圖Fig.3 Generalized graph of rivers and controllable hydraulic structures

區(qū)域產(chǎn)流模塊：平原河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜,同時(shí)由于人為干預(yù)以及河網(wǎng)概化等因素的影響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]。本次研究在綜合考慮河道的流向、所在地的地形特點(diǎn)以及區(qū)域下墊面情況等條件下，以各主干河道為基本邊界，根據(jù)排水方向進(jìn)行集水區(qū)域的劃分見圖4，劃分為17個(gè)分區(qū)。

圖4 集水區(qū)域劃分圖Fig.4 Division of catchment areas

2.3 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

為保證降雨資料具有足夠的時(shí)間長(zhǎng)度，采用海門市鄰近的南通港閘水文站1963-2012年的降雨資料，并找出每年的最大1日、3日、7日降雨量，依此為基礎(chǔ)進(jìn)行排頻計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。利用皮爾遜-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，使得三線互相配合、結(jié)果合理，進(jìn)而得出30年一遇、50年一遇、100年一遇各不同時(shí)段的降雨量見表2。按照“峰高量大峰偏后”的原則，選取1991年6月10日至16日的降雨過(guò)程作為典型暴雨。采用同頻率法進(jìn)行縮放，得出30年一遇、50年一遇、100年一遇的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，見圖5。

表1 不同時(shí)段雨量均值及Cv、Cs值Tab.1 Average rainfall and Cv Cs in different periods

表2 各時(shí)段設(shè)計(jì)雨量 mm

圖5 設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程Fig.5 Design rainstorm process

2.4 水文邊界分析

感潮河網(wǎng)地區(qū)沿江河道洪水要素受到區(qū)域暴雨與長(zhǎng)江潮位共同影響，必須考慮區(qū)域暴雨與長(zhǎng)江潮位的頻率組合[8]。海門市沿江潮位主要受海潮影響，受上游洪水、區(qū)域暴雨影響相對(duì)較小，長(zhǎng)江潮位與區(qū)域暴雨相關(guān)關(guān)系較差，且沿江有水閘控制，長(zhǎng)江潮位對(duì)內(nèi)河水位影響較小，區(qū)域暴雨成為洪水的主要控制因素。因此，當(dāng)區(qū)域發(fā)生設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，長(zhǎng)江潮位需人為確定配合頻率。如果配合頻率取值過(guò)大，則計(jì)算出的防洪水位過(guò)高，造成浪費(fèi)；配合頻率取值過(guò)小，則計(jì)算結(jié)果偏不安全，降雨潮位組合見圖6。

圖6 降雨潮位組合Fig.6 Rainfall and tidemark combination

根據(jù)天生港、青龍港、三條港的歷年實(shí)測(cè)潮位資料，進(jìn)行頻率計(jì)算，得到2年一遇的高潮位，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得出兩年一遇的潮型見圖7。采用2年一遇潮位過(guò)程，用MIKE模型的NAM模塊計(jì)算本次設(shè)計(jì)暴雨的產(chǎn)流過(guò)程，洪峰時(shí)刻對(duì)應(yīng)當(dāng)天的最高潮位時(shí)刻，以此方式組合對(duì)防洪偏不利，計(jì)算結(jié)果偏安全。通啟運(yùn)河上游100年一遇流量過(guò)程線，以及通啟運(yùn)河、海門河100年一遇下游水位過(guò)程線作為水文邊界。

圖7 2年一遇潮型Fig.7 Once Type of tide in two years

2.5 不同工況計(jì)算結(jié)果及分析

進(jìn)行防洪規(guī)劃后在現(xiàn)狀河網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上在中心城區(qū)增加了新建的閘站和排澇泵站等水工建筑物，實(shí)施方案見表3。

表3 規(guī)劃工況與實(shí)施方案Tab.3 Planning conditions and implementation plan

研究區(qū)域在現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況A情況下遭遇100年一遇降雨時(shí)主要河道水位計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況A100年一遇計(jì)算水位Tab.4 Hundred years water level of current situation conditions and planning conditions A

水位對(duì)比分析：在規(guī)劃工況A改、擴(kuò)、新建沿江閘站工程措施下，區(qū)域排水能力加大，并阻止長(zhǎng)江高潮位的頂托倒灌，河道100年一遇設(shè)計(jì)水位均有所降低，除新江海河、通啟運(yùn)河等區(qū)域骨干河道外，其余河道降幅為4～6 cm。新江海河水位未有顯著降低是因?yàn)槠渲饕薪由嫌未蠓秶暮樗瑪U(kuò)建沿江閘站雖加大了排水能力，但對(duì)新江海河的大規(guī)模洪水并無(wú)太大影響。通啟運(yùn)河水位未顯著降低，主要是因?yàn)槠潆x長(zhǎng)江較遠(yuǎn)，不管是自排長(zhǎng)江還是通過(guò)其他河道排入長(zhǎng)江，排水通道都較長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能洪水排出，因而規(guī)劃的工程對(duì)其影響不明顯。

研究區(qū)域在現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況B情況下遭遇100一遇降雨時(shí)主要河道水位計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況B100年一遇計(jì)算水位Tab.5 Hundred years water level of Current Situation conditions and planning conditions B

水位對(duì)比分析：在規(guī)劃工況B下，除新江海河外，河道100年一遇設(shè)計(jì)水位與現(xiàn)狀比較均有較大降幅：因在通啟運(yùn)河、海門河與新江海河交界處規(guī)劃新建了節(jié)制閘，新江海河的洪水無(wú)法向通啟運(yùn)河、海門河排除，因此新江海河水位上升38 cm；通啟運(yùn)河因新建了閘站阻擋了上游來(lái)水，沿江改、擴(kuò)、新建了主要閘站，與現(xiàn)狀相比，水位降幅較大，為20 cm；海門河也因修建了節(jié)制閘及沿江改、擴(kuò)、新建了主要閘站，水位下降了18 cm；因通啟運(yùn)河、海門河等骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動(dòng)及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降，降幅為10～16 cm。

研究區(qū)域在規(guī)劃工況A與規(guī)劃工況B情況下遭遇100年一遇降雨時(shí)主要河道水位計(jì)算結(jié)果見表6。

水位對(duì)比分析：在規(guī)劃工況B下，除新江海河外，河道100年一遇設(shè)計(jì)水位與工況A比較又有所降低：因在通啟運(yùn)河、海門河與新江海河交界處規(guī)劃新建了節(jié)制閘，新江海河的洪水無(wú)法向通啟運(yùn)河、海門河排除，因此新江海河水位上升40 cm；通啟運(yùn)河因新建了閘站阻擋了上游來(lái)水，與工況A相比，水位降幅較大，為17 cm；海門河也因修建了節(jié)制閘水位下降了13 cm；因通啟運(yùn)河、海門河等骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動(dòng)及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降，降幅為4～10 cm。

表6 規(guī)劃工況A與規(guī)劃工況B100年一遇計(jì)算水位Tab.6 Hundred years water level of planning conditions A and planning conditions B

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用了MIKE11模型的水動(dòng)力HD和降雨徑流NAM模塊對(duì)研究區(qū)域水系的河網(wǎng)匯流和洪水過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，在對(duì)比了現(xiàn)狀工況水位與規(guī)劃工況水位以及分析了規(guī)劃實(shí)施效果后得到主要結(jié)論如下。

(1) 感潮河網(wǎng)地區(qū)沿江河道洪水要素受到區(qū)域暴雨與長(zhǎng)江潮位共同影響，必須考慮區(qū)域暴雨與長(zhǎng)江潮位的頻率組合。當(dāng)區(qū)域發(fā)生設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，長(zhǎng)江潮位需人為確定配合頻率。合理選擇組合頻率，能在避免浪費(fèi)的同時(shí)使規(guī)劃結(jié)果安全可靠。

(2) 改、擴(kuò)、新建沿江閘站工程措施下，區(qū)域排水能力加大，并阻止長(zhǎng)江高潮位的頂托倒灌，河道100年一遇設(shè)計(jì)水位均有所降低。骨干河道新建了閘站阻擋了上游來(lái)水，沿江改、擴(kuò)、新建了主要閘站。骨干河道水位降低，減少了洪水向其余河道的流動(dòng)及頂托作用，因此，其余河道水位也有較大下降。

(3) 海門市是江海平原區(qū)洪水入江的主要通道。治理江海平原區(qū)域洪水主要工程是完善海門市骨干河網(wǎng)，在長(zhǎng)江低潮期排出江海平原區(qū)上游洪水，降低河道水位以保障城市安全。對(duì)于低于設(shè)計(jì)洪水位的建成區(qū)，通過(guò)規(guī)劃建設(shè)骨干河道沿線控制工程，建立防洪分片，按高低分片排除洪水。對(duì)于一些不能自排的低洼區(qū)，可以建立聯(lián)圩抵御洪水。

(4) 本文計(jì)算的成果較為合理可靠，表明MIKE11模型在平原感潮河網(wǎng)城市防洪規(guī)劃中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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