莊寶慶，張 浩，柳 楊，劉國(guó)慶，楊 帆

(1.無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000；2.水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

望虞河西岸控制工程(以下簡(jiǎn)稱“望虞河西控工程”或“西控工程”)是太湖流域重要的防洪工程，也是完善望虞河引江清水通道，實(shí)現(xiàn)望虞河“引江濟(jì)太”期間引排分開、清污分流的重要工程[1]。但是，在西控工程建成實(shí)施后，影響了西岸地區(qū)的防洪排澇方式[2]，即在望虞河西岸地區(qū)遇到5年一遇以下的暴雨時(shí)，望虞河與走馬塘之間的澇水要反向通過走馬塘排入長(zhǎng)江。按照如此調(diào)度方式，導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)走馬塘及望虞河西岸與走馬塘之間地區(qū)的水位同步升高，給望虞河西岸地區(qū)的區(qū)域防洪帶來一定影響，尤其是對(duì)望虞河和走馬塘之間不設(shè)防的半高地地區(qū)影響明顯。

望虞河西控工程涉及無錫市新吳區(qū)、錫山區(qū)和蘇州市相城區(qū)、常熟市2市4區(qū)，近年來，武澄錫虞區(qū)作為望虞河西控工程可能影響的重要區(qū)域，為掌握西控工程實(shí)施對(duì)該區(qū)的防洪影響，數(shù)學(xué)模型是開展防洪影響研究的重要手段[3]，為此，本文以武澄錫虞區(qū)為研究對(duì)象，構(gòu)建區(qū)域精細(xì)化河網(wǎng)模型，選擇區(qū)域遭遇不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨工況，模擬分析望虞河西控工程對(duì)武澄錫虞區(qū)的防洪影響，研究成果將為區(qū)域和城市防洪安全保障提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

武澄錫虞地區(qū)位于太湖北部，是太湖流域內(nèi)的低洼平原區(qū)，西以武澄錫西控制線為界，與太湖湖西區(qū)相鄰，東至望虞河，涉及無錫、常州、蘇州3市15個(gè)區(qū)(縣)，包括無錫市、江陰、張家港市全部和常州、常熟市的一部分[4]。武澄錫虞區(qū)以白屈港為界分為武澄錫低片和澄錫虞高片，根據(jù)地形特點(diǎn)，武澄錫虞區(qū)水系以蘇南運(yùn)河為界，分成蘇南運(yùn)河北部和南部2部分，蘇南運(yùn)河北部地區(qū)以南北向通江河道為主，蘇南運(yùn)河以南以南北向入湖河道為主。武澄錫虞區(qū)列入省湖泊保護(hù)名錄中的湖泊有4個(gè)，分別為五里湖、官塘、暨陽湖和宛山蕩，其中，宛山蕩和官塘位于武澄錫虞區(qū)防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)[5]。武澄錫虞區(qū)內(nèi)部水利工程眾多，其中，望虞河西岸太湖環(huán)湖大堤至長(zhǎng)江段共建有支河口門建筑物78個(gè)[6]。區(qū)域現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～50年一遇，除澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

2 研究方法

本文采用數(shù)值模擬的方法研究望虞河西控工程對(duì)區(qū)域防洪的影響。通過對(duì)研究區(qū)域水文氣象、基礎(chǔ)地理、水利工程及調(diào)度、歷史洪水等基礎(chǔ)資料的收集與處理、現(xiàn)場(chǎng)踏勘與補(bǔ)充測(cè)量，構(gòu)建武澄錫虞區(qū)水文-水動(dòng)力精細(xì)化河網(wǎng)模型，并與江蘇省太湖地區(qū)流域級(jí)水動(dòng)力河網(wǎng)模型[7]耦合，形成流域與區(qū)域多尺度嵌套模型；采用武澄錫虞區(qū)50、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程作為模型計(jì)算邊界條件，根據(jù)區(qū)域河網(wǎng)初始場(chǎng)，考慮入江、入湖、圩區(qū)群和望虞河西控工程等調(diào)度，制定不同情景模擬工況，模擬計(jì)算區(qū)域遭遇50、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下望虞河西控工程未建成與建成后區(qū)域河網(wǎng)水位的變化情況，分析西控工程對(duì)區(qū)域的防洪影響。

3 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

3.1 水文模型

本文研究區(qū)域處于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)，下墊面既有硬質(zhì)地面性質(zhì)的城市區(qū)域，同時(shí)還存在透水性好的產(chǎn)流面，因此本文根據(jù)下墊面集水單元土地利用類型，將固定比例徑流模型(Fixed)與初期損失模型Green-Ampt入滲模型相結(jié)合進(jìn)行不同下墊面的產(chǎn)流模擬計(jì)算；地表匯流計(jì)算采用非線性水庫模型進(jìn)行計(jì)算。

3.2 水動(dòng)力模型

河道內(nèi)的洪水運(yùn)動(dòng)具有明顯一維特征，采用St.Vennant方程組描述：

連續(xù)方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

3.3 精細(xì)化河網(wǎng)模型

本文的洪水分析范圍為武澄錫虞區(qū)，構(gòu)建的模型范圍包括水文模型、水動(dòng)力模型。

3.3.1水文模型構(gòu)建

本文根據(jù)王船海等[8]的研究成果，將太湖流域水資源分區(qū)市縣級(jí)行政分區(qū)下墊面資料以及1∶10000下墊面電子地圖劃分的39種類型合并成旱地、水田、水面以及建設(shè)用地4種類型，采用泰森多邊形法進(jìn)行集水單元和匯水單元?jiǎng)澐郑瑫r(shí)，研究范圍內(nèi)包含眾多的圩區(qū)，因此匯水單元的劃分需要結(jié)合地形、圩區(qū)、城市排水管網(wǎng)等資料。

3.3.2水動(dòng)力模型構(gòu)建

收集整理武澄錫虞區(qū)河道斷面、排水管網(wǎng)、水利工程等數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建，對(duì)于河網(wǎng)交叉位置、泵站、水閘、涵洞等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行斷面加密，以保證模型刻畫的精度；根據(jù)區(qū)域水系特點(diǎn)和水流方向，進(jìn)行河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建；以線對(duì)象概化閘門、泵站、涵洞，并輸入建筑物對(duì)應(yīng)的幾何尺寸信息和調(diào)度規(guī)則；為了提高模型計(jì)算效率，并充分考慮流域邊界條件的影響，將武澄錫虞區(qū)模型與江蘇省太湖地區(qū)模型進(jìn)行了耦合嵌套模擬，考慮相關(guān)水文機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型計(jì)算過程中外部邊界條件自動(dòng)獲取，為區(qū)域洪水分析模型提供合理邊界條件。

3.3.3模型率定與驗(yàn)證

模型的率定驗(yàn)證主要用于調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)，以提高模擬結(jié)果的精確度，一維模型中的主要影響因子為河道糙率[9]。河道糙率值主要根據(jù)人工渠道以及天然河道的經(jīng)驗(yàn)值初步擬定為0.020～0.040。采用2015年6月15日00:00—6月21日00:00時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，采用2016年7月1日00:00—7月10日00:00的時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，最終確定本區(qū)域內(nèi)各河道的糙率。

按照模型率定驗(yàn)證相關(guān)規(guī)范要求，率定驗(yàn)證中采用Nash-Sutcliffe系數(shù)(NSE)和可決系數(shù)R2對(duì)模型有效性進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明，NSE系數(shù)都大于0，表明模式質(zhì)量好或者模擬結(jié)果接近觀測(cè)值的平均值水平，可決系數(shù)R2結(jié)果表明相關(guān)性中等偏上，模型范圍內(nèi)甘露和陳墅2個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算水位序列和實(shí)測(cè)水位序列峰值水位差均小于20cm，模型總體結(jié)果可信，如圖1所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 計(jì)算方案情景

為分析望虞河西控工程建設(shè)對(duì)區(qū)域洪水的影響進(jìn)行，選擇武澄錫虞區(qū)50、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況作為降雨條件，設(shè)置2類模擬方案，即西控工程建設(shè)前、西控工程建設(shè)后洪水模擬計(jì)算方案，共4組計(jì)算方案，見表1。

表1 模擬計(jì)算方案表

4.2 模擬結(jié)果分析

以青陽、大運(yùn)河沿線典型站點(diǎn)為分析對(duì)象，分析西控工程建設(shè)后相關(guān)站點(diǎn)的水位變化過程，如圖2—3所示，重點(diǎn)關(guān)注水位峰值的影響，望虞河工程建設(shè)前后峰值水位差對(duì)比如圖4所示。

從典型站點(diǎn)水位過程線可以看出，區(qū)域遭遇50年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，望虞河西控工程建成運(yùn)行后，無錫(大)、走馬塘和青陽的水位在大部分時(shí)段內(nèi)均高于望虞河西岸未建成工況，各站點(diǎn)水位峰值分別抬升3.4、23.8、5.2cm；區(qū)域遭遇100年一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，無錫(大)、走馬塘和青陽的計(jì)算水位也基本大于望虞河西控工程未建成工況，各站點(diǎn)的水位峰值分別抬升4.1、31.8、6.7cm。

從各水位站點(diǎn)水位峰值抬升結(jié)果來看，50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況的影響小于100年一遇工況；從各水位站點(diǎn)的影響程度來看，望虞河西控工程的建設(shè)對(duì)走馬塘的影響明顯高于相對(duì)較遠(yuǎn)的青陽和無錫(大)。

望虞河西控工程建設(shè)前后，錫澄地區(qū)向望虞河的排水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。可以看出，在區(qū)域遭遇50、100年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，與望虞河西控工程未建成時(shí)相比，錫澄地區(qū)向望虞河的排水量分別減少5058萬、6867萬m3，由此可見，在此工況下，望虞河西控工程的建設(shè)減少了錫澄地區(qū)向望虞河的排水量。

從空間影響程度來看，主要影響在靠近望虞河西側(cè)附近河道，較遠(yuǎn)處影響較小，如圖6所示。

綜上所述，望虞河西控工程建設(shè)對(duì)武澄錫虞區(qū)防洪具有一定的影響，且區(qū)域遭遇的降雨量級(jí)越大其洪水峰值影響程度越嚴(yán)重。另外，望虞河西控工程的建設(shè)運(yùn)行減少了錫澄地區(qū)向望虞河的排水量，減少排水量約5000～6000萬m3。

5 結(jié)語

針對(duì)望虞河西控工程建設(shè)后對(duì)區(qū)域防洪影響的問題，采用數(shù)值模擬分析的方法，計(jì)算了武澄錫虞區(qū)遭遇不同頻率設(shè)計(jì)暴雨、望虞河西控工程未建及建成運(yùn)行多組方案，分析了無錫(大)、青陽及走馬塘幾個(gè)典型斷面水位變化情況，結(jié)果表明，望虞河西控工程的建設(shè)運(yùn)行抬高了區(qū)域洪水位，特別是望虞河以西河網(wǎng)區(qū)水位，且降雨量級(jí)越大，影響程度越明顯，同時(shí)，望虞河西控工程的建設(shè)建少了錫澄地區(qū)向望虞河的排水量。不同邊界組合下影響程度是有差異性的，因此，對(duì)于望虞河以西區(qū)域而言，應(yīng)進(jìn)一步研究水利工程優(yōu)化調(diào)度、工程建設(shè)等應(yīng)對(duì)措施，以減輕西控工程對(duì)區(qū)域的防洪影響，保障區(qū)域防洪安全。