李衛(wèi)東，唐 仁，鐘 栗，汪院生，秦 灝

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

1 基本概況

1.1 區(qū)域概況

通勝地區(qū)位于太湖流域湖西地區(qū)西北部，為茅山丘陵東部一相對閉合的流域，總面積約1 087.9 km2，涉及鎮(zhèn)江市的句容市、丹徒區(qū)、丹陽市和常州市的金壇區(qū)，境內(nèi)兼有丘陵山區(qū)和平原圩區(qū)。其中，西北部10 m等高線(黃海高程)以上的丘陵山區(qū)面積約511.7 km2；東部丹金溧漕河以西平原區(qū)面積約576.2 km2，屬典型的山前平原，主要以山丘區(qū)平原混合區(qū)和平原圩區(qū)為主。

1.2 存在問題

太湖流域湖西通勝地區(qū)由于地形條件復(fù)雜，且受行政地域因素限制，雖然歷年來已有湖西引排工程可研、太湖流域湖西區(qū)防洪規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃對通勝地區(qū)的治理作出了安排，但由于上下游、左右岸洪澇矛盾持續(xù)突出，多年以來一直未能有效推進(jìn)系統(tǒng)治理，已成為湖西地區(qū)治理最薄弱的環(huán)節(jié)之一。目前，通濟河、勝利河與香草河是僅有的3條山洪下泄通道，山洪行泄壓力大，且由于尚未全部整治到位，致使通勝地區(qū)現(xiàn)狀洪水出路嚴(yán)重不足，且河道源短流急，直接威脅下游防洪安全。2009年以來中小河流治理逐步安排實施了香草河、勝利河和通濟南河分段整治，改善了通勝地區(qū)下游的排水出路，但通濟河干流至今未實施全線整治，局部地區(qū)堤身滲漏，沿線涵閘老化存在安全隱患，防洪能力偏低；勝利河尚有丹陽段未安排整治，行宮集鎮(zhèn)存在卡口影響河道行洪；簡瀆河在丹陽與金壇交界處存在實心河段，且周邊外排河道受土壩阻水影響，喪失分流通濟河洪水功能。綜上所述，洪水下泄通道防洪能力不足嚴(yán)重制約了通勝地區(qū)整體防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高，亟待開展對策研究與系統(tǒng)治理，為提高地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)和保障地區(qū)防洪安全作重要技術(shù)支撐。

2 研究思路與計算方法

2.1 研究思路

在充分調(diào)研湖西通勝地區(qū)周邊水利設(shè)施及河道現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合考慮區(qū)域已建防洪工程防洪能力，結(jié)合相關(guān)規(guī)劃設(shè)計水位成果，進(jìn)一步明確通勝地區(qū)治理與防洪設(shè)計水位要求?；贛IKE11軟件建立太湖流域湖西通勝地區(qū)水文水利計算模型，采用2015年型降雨復(fù)核現(xiàn)狀防洪能力。針對現(xiàn)存治理問題和實際情況，圍繞通勝地區(qū)治理防洪設(shè)計水位目標(biāo)，遵循地區(qū)“上蓄、中滯、下泄”的治理原則，研究通勝地區(qū)水利治理對策，分析論證通濟河、勝利河以及簡瀆河等骨干河道整治方案效益，力求打破行政地域限制，協(xié)調(diào)上下游矛盾，統(tǒng)籌推進(jìn)通勝地區(qū)防洪能力提升，保障區(qū)域防洪安全。

2.2 計算方法

本次研究范圍涵蓋通勝地區(qū)上游山丘區(qū)、中部山丘平原混合區(qū)和下游平原圩區(qū)，其中上游丘陵山區(qū)另有庫容100萬m3以上的中小水庫12座，集水面積80.1 km2。針對通勝地區(qū)不同地形的產(chǎn)水特點，按照丘陵山區(qū)(含水庫)、山丘平原混合區(qū)和平原圩區(qū)分別計算產(chǎn)水量，推求設(shè)計洪水過程。

目前，針對太湖湖西丘陵山區(qū)產(chǎn)匯流計算大多采用河海大學(xué)程文輝教授研制的太湖流域河網(wǎng)模型Runoff模塊，施順成等[1]依據(jù)洛陽河流域?qū)崪y資料進(jìn)行太湖湖西山丘區(qū)中小流域產(chǎn)匯流模型研究，提出基于新安江模型的地貌單位線法，研究表明該模型在太湖湖西山丘小流域有較好的實用性。因此，本次丘陵山區(qū)產(chǎn)水過程依據(jù)湖西山丘區(qū)水文計算方法研究成果，采用新安江-地貌單位線模型計算。

對于大中型水庫所在的山丘區(qū)，根據(jù)入庫洪水過程線、水庫地形特性資料以及批復(fù)的防洪調(diào)度方案等，通過水庫調(diào)洪演算，按照水庫水量平衡方程和水庫蓄泄曲線[2]進(jìn)行計算。

水庫平衡方程：

(1)

水庫蓄泄方程：

q=f(H)

(2)

式中：Q1、Q2分別為時段Δt始、末的入庫流量，m3/s；q1、q2分別為時段Δt始、末的出庫流量，m3/s；V2、V1分別為時段Δt始、末水庫蓄水量，m3；Δt為計算時段；q為出庫流量，m3/s；H為堰頂水頭，m；V為水庫蓄水量，m3。

混合區(qū)和平原圩區(qū)產(chǎn)水采用MIKE11的NAM模型計算[3]，NAM模型屬于MIKE11降雨徑流模塊(RR)，為集總式概念模型，在平原河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用廣泛，適用于連續(xù)的降雨徑流過程模擬。其中山丘平原混合區(qū)根據(jù)水系劃分表示河道集水區(qū)域的陸域?qū)挾扔嬎惝a(chǎn)流；平原圩區(qū)根據(jù)現(xiàn)狀圩區(qū)設(shè)防格局劃分，圩區(qū)產(chǎn)流根據(jù)其排澇能力確定，超過排澇能力的部分留在圩內(nèi)，根據(jù)下一時段降雨產(chǎn)流情況判別能否排出。

通勝地區(qū)河道匯流采用MIKE11模型HD模塊計算，該模型的構(gòu)建主要包括河網(wǎng)文件(.nwk11)，斷面數(shù)據(jù)(.xns11)，邊界條件(.bnd11)，模型參數(shù)文件(.hd11)4個部分，再由這幾部分共同生成模擬文件(.sim)。水動力學(xué)模塊參數(shù)：河道長度、斷面尺寸、斷面形狀、河道糙率、水面率、水工建筑物規(guī)模和調(diào)度方式等。HD模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程[4]，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)，可以用來模擬平原河網(wǎng)地區(qū)的河流和河口水流動態(tài)，并且能精準(zhǔn)反映復(fù)雜河網(wǎng)水流、閘站等水利建筑物的運行調(diào)度。

3 水文水利計算

3.1 匯水分區(qū)

根據(jù)通勝地區(qū)地形條件、河流水系和圩區(qū)分布等情況，本次概化共劃分30個水利計算分區(qū)，包括丘陵山區(qū)7個(A～G)、山丘平原混合區(qū)11個(1～11)和平原圩區(qū)12個(a～m)。其中，丘陵山區(qū)劃分與湖西山丘區(qū)水文分區(qū)劃分成果銜接，平原圩區(qū)根據(jù)通勝地區(qū)現(xiàn)狀主要圩區(qū)范圍確定，水利計算分區(qū)情況詳見圖1。

圖1 通勝地區(qū)水利計算分區(qū)示意圖

3.2 設(shè)計洪水計算

為使通勝地區(qū)設(shè)計暴雨成果更趨合理，根據(jù)規(guī)劃范圍內(nèi)的雨量站點分布及觀測資料條件，選取東昌街站、白兔站、薛埠站、舊縣站、丹陽站、金壇站和王母觀站共計7個代表站1977—2016年雨量資料作為樣本系列。根據(jù)通勝地區(qū)洪水造峰特性，選定暴雨統(tǒng)計歷時為最大1 d和3 d，不同歷時的暴雨資料采用年最大值法進(jìn)行獨立選樣，通勝逐日面平均暴雨量直接采用泰森多邊形法求得。經(jīng)頻率分析計算得出，通勝地區(qū)20年一遇最大1 d、最大3 d雨量分別為153.9 mm和257.1 mm。

通勝地區(qū)設(shè)計暴雨過程分配按典型暴雨同頻率縮放推算。經(jīng)分析，通勝地區(qū)2015年型實況降雨最大1 d降雨接近于20年一遇，最大3 d降雨超過20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，且2015年丹金溧漕河沿線水位較高，外圍邊界較為不利，因此選取2015年6月25—27日最大3 d逐時降雨過程作為通勝地區(qū)設(shè)計典型，設(shè)計暴雨過程分別按最大1 d、3 d時段同頻率控制。設(shè)計暴雨過程見圖2。

圖2 通勝地區(qū)20年一遇最大3日設(shè)計暴雨過程圖

根據(jù)湖西山丘區(qū)水文計算方法最新研究成果，丘陵山丘區(qū)(A～G)采用新安江-地貌單位線模型計算產(chǎn)匯流過程，設(shè)計洪水計算結(jié)果見表1。

表1 通勝地區(qū)丘陵山丘區(qū)20年一遇設(shè)計洪水成果

3.3 MIKE模型構(gòu)建

(1)河網(wǎng)概化

模型河網(wǎng)概化以通勝地區(qū)骨干行洪河道(如通濟河、通濟南河、勝利河以及香草河等)為主，同時兼顧對地區(qū)排水有重要影響的一般河道(簡瀆河、上新河等)，以及重要的調(diào)蓄湖泊和閘站建筑物等。本次共概化河道14條、河道節(jié)點137個和閘站建筑物6座等。河道概化及邊界節(jié)點設(shè)置如圖3所示。

圖3 通勝地區(qū)河網(wǎng)概化圖

(2)邊界條件

水利計算模型邊界條件包括山丘區(qū)入流邊界條件和下游水位邊界條件。其中：①上游山丘區(qū)入流邊界按照劃分的7個丘陵山區(qū)，采用新安江—地貌單位線模型由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水；②下游水位邊界為通勝地區(qū)下游京杭運河、丹金溧漕河沿線水位過程，考慮與湖西區(qū)區(qū)域規(guī)劃相應(yīng)的工況條件銜接，本次采用太湖流域模型計算下游邊界水位過程，其中計算雨型選取2015年型實況降雨。

(3)參數(shù)選取

NAM模型是以簡單定量關(guān)系描述水文循環(huán)中各種陸相特征連接起來的集總參數(shù)的一種概念性水文模型，其參數(shù)和變量表示流域的平均值，初始值先根據(jù)流域的自然特征選取，然后利用實測水文資料進(jìn)行率定和驗證。本次模型地表徑流系數(shù)取值0.5～0.85、地表最大儲水量取值15 mm、根區(qū)最大儲水量取值150 mm、地表徑流時間常數(shù)取值6 hr、壤中流時間常數(shù)取值500 hr，基流計算的時間常數(shù)取值2 000。結(jié)合研究區(qū)實際情況河道糙率參數(shù)取0.025～0.035[5]。河道初始水深采用區(qū)域水文站點多年平均值。

(4)模型率定驗證

根據(jù)通勝地區(qū)實測暴雨洪水資料條件，為滿足模型參數(shù)率定和驗證需要[6]，選用2015年6月25日至7月2日和2016年6月30日至7月7日兩場實測雨洪資料，以及通濟河舊縣站實測水位資料進(jìn)行率定和驗證。其中2015年6月25日至7月2日為2015年最大7日降雨過程，最大1日降雨151.75 mm，最大3日降雨315.99 mm，最大7日降雨371.06 mm；2016年6月30日至7月6日為2016年最大7日降雨過程，最大1日降雨115.48 mm，最大3日降雨243.92 mm，最大7日降雨372.82 mm。根據(jù)實測洪水率定和驗證結(jié)果可知(圖4)，舊縣站最高洪水位、洪水過程與實測較為接近，模擬精度較高，基本可以滿足通勝地區(qū)治理方案分析研究的需要。

圖4 MIKE模型率定成果對比圖

4 治理對策研究

4.1 防洪設(shè)計水位擬定

通濟河是通勝地區(qū)的骨干行洪排澇通道，也是沿線寶堰、直溪等重要集鎮(zhèn)的防洪屏障。通濟河干流洪水位是反映通勝地區(qū)上下游洪水行泄?fàn)顩r的關(guān)鍵，可以較好地代表地區(qū)水位變化情況，也直接影響著沿線集鎮(zhèn)和圩區(qū)的防洪排澇安全。因此，以通濟河干流沿線主要節(jié)點作為通勝地區(qū)防洪設(shè)計水位的控制站點是合理可行的。綜合考慮與已建工程防洪能力、設(shè)計洪水位銜接，統(tǒng)籌相關(guān)規(guī)劃設(shè)計洪水位成果，通勝地區(qū)20年一遇防洪設(shè)計水位采用湖西引排工程可研確定的寶堰10.2 m、舊縣9.1 m和直溪7.2 m，作為通勝地區(qū)治理方案研究的控制目標(biāo)和重要依據(jù)。

4.2 現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核

通勝地區(qū)現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核設(shè)計暴雨采用2015年型20年一遇3日降雨過程。防洪能力復(fù)核工況按通勝地區(qū)已實施整治的香草河、勝利河丹徒段等河道整治規(guī)?？紤]。

根據(jù)復(fù)核計算，“現(xiàn)狀工況”條件下，通勝地區(qū)遇2015年型20年一遇降雨，通濟河干流控制站點寶堰、舊縣和直溪的最高洪水位分別為9.67 m、8.94 m和7.40 m。對照通勝地區(qū)20年一遇防洪設(shè)計水位目標(biāo)(寶堰10.2 m、舊縣9.1 m和直溪7.2 m)，由于勝利河丹徒段及香草河整治工程已實施完成，有效分擔(dān)了通濟河上游段行洪壓力，寶堰和舊縣最高洪水位低于防洪設(shè)計水位，但下游段直溪水位仍高于設(shè)計水位目標(biāo)。因此，通勝地區(qū)整體防洪標(biāo)準(zhǔn)仍不足20年一遇，中下游地區(qū)洪水行泄能力有待進(jìn)一步提高，且直溪集鎮(zhèn)防洪安全難以保障。

4.3 總體布局及方案設(shè)計

通勝地區(qū)兼具丘陵山區(qū)和平原地區(qū)特點，且上下游、左右岸邊界矛盾問題突出，治理難度大。針對通勝地區(qū)整體防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低及骨干河道行水能力不足等問題，規(guī)劃遵循“上蓄、中滯、下泄”的治理原則，按照通勝地區(qū)現(xiàn)狀水系布局和排水格局，在充分利用上游中小水庫攔蓄洪水的條件下，進(jìn)一步實施通勝地區(qū)骨干河道整治，重點提高通濟河干流防洪標(biāo)準(zhǔn)，提升和改善勝利河、簡瀆河等支流行洪能力，有效分泄通濟河洪水，協(xié)調(diào)行政地域邊界矛盾，全面提升通勝地區(qū)防洪能力，實現(xiàn)茅山山區(qū)洪水安全有序下泄。

對于通濟河干流，以盡量滿足防洪要求為主，充分利用河道現(xiàn)狀口寬拓浚整治，其中金壇直溪段結(jié)合直溪集鎮(zhèn)防洪建設(shè)需要實施改線；勝利河在中小河流治理安排實施丹徒段整治的基礎(chǔ)上，按照上下游協(xié)調(diào)配套的原則，進(jìn)一步完善丹陽剩余段河道整治，發(fā)揮河道整體防洪效益；對于簡瀆河，兼顧通勝地區(qū)行洪與丹陽西南低洼片防洪排澇要求，打通現(xiàn)狀實心河段，配套設(shè)閘調(diào)控，保障延陵集鎮(zhèn)防洪排澇安全；溝通連接簡瀆河與上新河，利用上新河-戰(zhàn)備河承擔(dān)簡瀆河行泄洪水任務(wù)。通過實施綜合治理，有效降低通勝地區(qū)河道洪水位，滿足防洪設(shè)計水位目標(biāo)，全面達(dá)到20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 治理對策效益分析

(1)通濟河整治作用分析

根據(jù)表2水利計算成果，通濟河整治工程完成后，遇2015年型20年一遇洪水，通濟河下泄流量和洪量均不同程度增加，其中下泄入金壇城區(qū)洪量0.253億m3，較現(xiàn)狀工況增長17%，通濟河治理將增加下游金壇的防洪壓力。同時，通勝地區(qū)代表站點寶堰、舊縣和直溪最高洪水位分別降至9.55 m、8.84 m和7.51 m。從通勝地區(qū)總體來看，通濟河利用現(xiàn)狀口寬拓?？捎行Ы档蜕嫌蔚り柖魏樗唬掠魏佣涡泻槟芰θ圆蛔?，金壇紫陽橋至直溪段洪水位基本未降低，直溪最高水位仍高于防洪設(shè)計水位7.2 m，因此通濟河按此規(guī)模整治達(dá)不到通勝地區(qū)20年一遇防洪目標(biāo)，需同時考慮其他河道整治，擴大洪水下泄出路。

表2 通勝地區(qū)治理方案水利計算成果

(2)其他河道整治作用分析

在通濟河利用現(xiàn)狀口寬拓浚的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實施勝利河整治和簡瀆河連通工程。其中，勝利河整治后，遇2015年型20年一遇洪水，通濟河寶堰最高洪水位降低0.21 m，沿線其他節(jié)點水位降低1～3 cm，其中直溪最高水位為7.50 m，尚未達(dá)到防洪設(shè)計水位目標(biāo)。通濟河與勝利河是承接洛陽河洪水的兩條支流，勝利河整治后，勝利河分流洛陽河來水增加485萬m3，通濟河分流水量相應(yīng)減少485萬m3，通濟河下泄入金壇城區(qū)的洪峰流量和水量均有小幅減少，有利于減輕下游防洪壓力。

在通濟河與勝利河整治的基礎(chǔ)上，通過連通簡瀆河與上新河，恢復(fù)簡瀆河行洪功能。較勝利河完成整治的條件下，計算期簡瀆河分泄通濟河洪量增加529萬m3，通濟河在簡瀆河口以下的下泄水量減少332萬m3，通濟河沿線洪水位進(jìn)一步降低5～41 cm，其中直溪最高水位降低37 cm至7.13 m，已達(dá)到防洪設(shè)計水位要求。由于簡瀆河的分洪作用，通濟河洪水下泄減少，計算期入金壇城區(qū)的水量減少176萬m3，丹金溧漕河最高水位降低1 cm，有利于減輕下游防洪壓力。

(3)綜合治理效益分析

通勝地區(qū)治理方案安排實施的通濟河、勝利河及簡瀆河等工程完成后，遇2015年型20年一遇洪水，通勝地區(qū)代表站點寶堰、舊縣和直溪最高洪水位較現(xiàn)狀工況條件下分別降低38 cm、20 cm和41 cm，降至9.29 m、8.74 m和7.13 m，均已達(dá)到通勝地區(qū)防洪設(shè)計水位目標(biāo)。在通濟河行洪能力提高的同時，通過勝利河整治與簡瀆河連通擴大分泄通濟河洪水，較現(xiàn)狀工況，通濟河在簡瀆河口以下下泄水量略有減少，入金壇城區(qū)下泄水量僅增加191萬m3，對通勝下游地區(qū)影響總體較小。

綜合以上分析，通勝地區(qū)治理方案的實施有效解決了丘陵山區(qū)洪水出路問題，對提高通勝地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)效益十分顯著，地區(qū)洪水位將大幅減低，控制站點水位滿足防洪設(shè)計水位目標(biāo)。

5 結(jié) 語

研究針對通勝地區(qū)整體防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低及骨干河道行洪能力不足等問題，從全局層面研究系統(tǒng)治理方案，建立基于MIKE11模型的通勝地區(qū)水利計算模型，進(jìn)行現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核、河道整治方案效益分析，提出符合通勝地區(qū)實際和需求的可持續(xù)治理對策。本研究的主要結(jié)論如下：

(1)以通濟河沿線寶堰、舊縣和直溪作為通勝地區(qū)防洪設(shè)計水位的控制點，綜合考慮已建工程防洪能力、設(shè)計洪水位，統(tǒng)籌相關(guān)規(guī)劃設(shè)計洪水位成果，確定20年一遇防洪設(shè)計水位為寶堰10.2 m、舊縣9.1 m和直溪7.2 m。并依據(jù)通勝地區(qū)水利計算模型進(jìn)行現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核，計算結(jié)果表明：“現(xiàn)狀工況”下，寶堰和舊縣最高洪水位已低于防洪設(shè)計水位，但直溪水位仍高于設(shè)計水位目標(biāo)，防洪標(biāo)準(zhǔn)總體仍不足20年一遇。

(2)為完善通勝地區(qū)防洪除澇格局，研究遵循“上蓄、中滯、下泄”的治理原則，提出在充分利用上游中小型水庫攔蓄洪水的條件下，進(jìn)一步實施通勝地區(qū)骨干河道(通濟河、勝利河以及簡瀆河)整治。通勝治理方案實施后，遇2015年型20年一遇洪水，寶堰、舊縣和直溪的最高洪水位降至9.29m、8.74m和7.13m，均已達(dá)到通勝地區(qū)防洪設(shè)計水位目標(biāo)，可見治理對策符合通勝地區(qū)實際與需求。