徐天奕，劉克強(qiáng)，單玉書，何 爽

(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

杭嘉湖區(qū)地處太湖流域南部平原河網(wǎng)區(qū)域，是太湖流域的重要組成部分[1]。近年來，隨著杭嘉湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程快速，下墊面較《太湖流域防洪規(guī)劃》編制時(shí)采用的土地利用條件變化顯著[2]。近年來，杭嘉湖區(qū)開展了圩區(qū)整治工程建設(shè)，圩區(qū)面積增加導(dǎo)致圩外水面率的降低，降低了河網(wǎng)洪水調(diào)蓄能力，加大了區(qū)域防洪壓力[3]。為此，有必要深入研究杭嘉湖區(qū)的防洪形勢，構(gòu)建適合杭嘉湖區(qū)的水文水動(dòng)力學(xué)模型，模擬分析土地利用變化對杭嘉湖區(qū)洪澇特性影響，制定滿足杭嘉湖區(qū)防洪要求治理方案，保障地區(qū)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水文水動(dòng)力學(xué)模型

1.1 降雨徑流模型

本次杭嘉湖研究區(qū)面積為7 436.1 km2，下墊面分為旱地、水面、水田、建設(shè)用地4大類。針對4類下墊面特征，采用不同的產(chǎn)流機(jī)制模擬杭嘉湖區(qū)降雨徑流。

(1)水域產(chǎn)流。水域產(chǎn)流量根據(jù)水量平衡方程由降雨扣除水面蒸發(fā)可得。

(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。為減小水田在生長期集中引水或排水導(dǎo)致計(jì)算水位波動(dòng)，采用平均適宜水深和排澇能力上限。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(shí)以排澇能力為上限排水。

(3)旱地及非耕地產(chǎn)流。杭嘉湖地區(qū)雨量豐沛，屬典型的濕潤地區(qū)，降雨形成徑流的條件主要是降雨量超過土壤缺水量而產(chǎn)生徑流量，這種降雨徑流的特點(diǎn)適合采用蓄滿產(chǎn)流模型來計(jì)算降雨產(chǎn)生的徑流。因此，本次研究旱地及非耕地產(chǎn)流采用三層蒸發(fā)三水源新安江蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行計(jì)算[4]。

(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(jì)算。透水面積主要是城鎮(zhèn)綠化帶，根據(jù)霍頓下滲公式[5]采用超滲產(chǎn)流模式計(jì)算[6]；不透水面積包括道路、廣場、屋頂?shù)?，產(chǎn)流即等于有效降雨。

1.2 平原河網(wǎng)水流模擬

平原河網(wǎng)水流模擬采用太湖流域河網(wǎng)水動(dòng)力模型Hohy2[7]，Hohy2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(yùn)動(dòng)情況，并經(jīng)過專家認(rèn)可是太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)最佳的水文水動(dòng)力模型。Hohy2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類要素進(jìn)行模擬。

本次研究在太湖流域河網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，對杭嘉湖區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行了局部加密。河道斷面依據(jù)近年來的河道實(shí)測資料根據(jù)高水位時(shí)過流能力相近的原則概化為棱柱形。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，總計(jì)概化杭嘉湖區(qū)河段數(shù)764個(gè)，河道總長3 089.7 km，入杭州灣閘站9座。河網(wǎng)概化見圖1。

圖1 河網(wǎng)概化Fig.1 Generalized graph of river network

2 防洪形勢分析

21世紀(jì)以來，隨著城市化進(jìn)程加速，杭嘉湖區(qū)不透水面積大幅增加，水域面積總體減少。杭嘉湖區(qū)水田和水面面積大幅減少，較2005年分別減少了44%和25%；建設(shè)用地迅速增加，較2005年增加了33%[8]。土地利用的變化導(dǎo)致河網(wǎng)行洪排澇壓力增大，加劇了洪水位易漲難消的矛盾[9]。

此外，根據(jù)《杭嘉湖區(qū)圩區(qū)整治規(guī)劃》、《浙江省杭嘉湖區(qū)圩區(qū)整治十三五規(guī)劃》等安排，圩區(qū)治理進(jìn)程加快，據(jù)統(tǒng)計(jì)杭嘉湖圩區(qū)已達(dá)1 622座，圩區(qū)率為62.4%[8]。圩區(qū)建設(shè)、聯(lián)圩并圩導(dǎo)致圩外可調(diào)蓄水面積減少，洪水調(diào)蓄能力降低，圩區(qū)排澇動(dòng)力的快速增長，圩外河道洪水位上漲幅度加大。

為了分析杭嘉湖區(qū)洪澇特性的變化，采用太湖流域規(guī)劃報(bào)告的“99南部型”100 a一遇設(shè)計(jì)暴雨，模擬計(jì)算了現(xiàn)狀土地利用和水利工程情況下的杭嘉湖區(qū)洪水位，結(jié)果見表2。與太湖流域防洪規(guī)劃杭嘉湖區(qū)2005年工況的結(jié)果對比表明，在現(xiàn)狀土地利用和工況條件下，遭遇太湖流域“99南部型”100 a一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，杭嘉湖區(qū)平原河網(wǎng)代表性水位站最高洪水位將上漲7～29 cm，總體已經(jīng)不能滿足杭嘉湖區(qū)防洪要求。

表1 不同工況條件下主要代表站最高水位變化 m

3 防洪對策及模擬分析

基于杭嘉湖區(qū)嚴(yán)峻的防洪形勢，可能的治理措施包括3個(gè)方面，第1類措施是加強(qiáng)海綿城市建設(shè)[10]，增加城市地區(qū)地面下滲和河湖調(diào)蓄能力，可以有效降低洪水位，但這是一個(gè)較為長期任務(wù)；第2類措施是退圩還河，減少圩區(qū)面積，增加圩外河網(wǎng)水面積，恢復(fù)自然的生態(tài)排洪體系，但這項(xiàng)措施涉及眾多問題，在短期內(nèi)目前難以實(shí)現(xiàn)，需制定長遠(yuǎn)的科學(xué)規(guī)劃；第3類措施是通過水利工程加強(qiáng)水系溝通和排洪能力，結(jié)合流域和區(qū)域的水利規(guī)劃和航運(yùn)規(guī)劃實(shí)施的防洪工程方案主要包括擴(kuò)大杭嘉湖南排工程、平湖塘延伸拓浚工程、麻涇港排澇及乍浦塘排澇工程、嘉興市中心河整治工程、暢通區(qū)域東排配套骨干河道工程等，可以在近幾年內(nèi)有效增加杭嘉湖區(qū)洪水南排能力，降低杭嘉湖區(qū)河網(wǎng)洪水位?；谏鲜鰧Σ叽胧?，進(jìn)行情景設(shè)計(jì)。情景設(shè)計(jì)見表2。

表2 情景設(shè)計(jì)Tab.2 Designed scenario

采用水文水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬分析，得出各情景下杭嘉湖區(qū)主要代表站洪水位，見表3。模擬結(jié)果表明，近期防洪工程方案的實(shí)施將顯著提升杭嘉湖區(qū)南排杭州灣能力，抵御洪水能力得到有效提升。與情景一(現(xiàn)狀工況)相比，在遭遇太湖流域“99南部型”100 a一遇暴雨時(shí)，情景二主要代表站洪水位降低9～27 cm，主要是由于擴(kuò)大杭嘉湖南排工程和平湖塘延伸拓浚工程等規(guī)劃流域工程提升了嘉興市南排杭州灣能力，區(qū)域防洪減災(zāi)效果明顯，地區(qū)代表站造峰期最高水位降低明顯。情景三在情景二的基礎(chǔ)上新增了區(qū)域防洪措施，進(jìn)一步加大了區(qū)域南排，東排能力也有所提升，各代表站造峰期最高水位有了進(jìn)一步降低，較區(qū)域工程實(shí)施前降低了2～10 cm。情景四通過降低綜合徑流系數(shù)，增大圩外水面率，增加了河網(wǎng)調(diào)蓄能力，減小產(chǎn)流量，各代表站造峰期最高水位降低了2～4 cm。各項(xiàng)措施實(shí)施后，杭嘉湖區(qū)代表站最高水位均低于杭嘉湖區(qū)水利綜合規(guī)劃工況的水平[11]，滿足杭嘉湖區(qū)域近期防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同情景各代表站最高水位統(tǒng)計(jì) m

4 結(jié) 語

(1)本文構(gòu)建的杭嘉湖區(qū)水文水動(dòng)力模型對降雨徑流模塊進(jìn)行了改進(jìn)細(xì)化，可更準(zhǔn)確地模擬變化環(huán)境下對杭嘉湖區(qū)洪澇特性的影響，為該地區(qū)洪水模擬分析和防洪治理提供有效支撐。

(2)杭嘉湖區(qū)的城市化和圩區(qū)整治使得不透水面積增加和可調(diào)蓄水面積降低，防洪壓力顯著增大。模擬結(jié)果表明，在遭遇太湖流域“99南部型”100 a一遇暴雨時(shí)，代表性水位站點(diǎn)洪水位將上漲7～29 cm，難以滿足區(qū)域防洪要求。

(3)杭嘉湖區(qū)近期防洪規(guī)劃工程實(shí)施后，增強(qiáng)了杭嘉湖區(qū)內(nèi)部水系連通，增加了洪水排除能力，與現(xiàn)狀工況相比，在遭遇太湖流域“99南部型”100 a一遇暴雨時(shí)，主要代表站洪水位降低15～30 cm，抵御洪水能力得到有效提升。

(4)加快海綿城市建設(shè)減少暴雨徑流，制定退圩還河措施以增加河網(wǎng)調(diào)蓄能力，才能在保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，保障杭嘉湖區(qū)域生態(tài)及防洪安全。