劉 俊，尹文昊，畢中飛，樊金璐，宋凱璇，汪 惠

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.德清縣水利水電工程質(zhì)量安全中心，浙江 德清 313200)

0 引 言

近年來，濱江城市防洪排澇問題日益突出，尤其是人口密集、水系復(fù)雜、地勢平坦的長江下游平原感潮河網(wǎng)地區(qū)。此類區(qū)域河網(wǎng)密布，水流方向順逆不定，城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)較高，常受自身高水位加之遭遇長江高潮位的影響而導(dǎo)致澇水外排不暢，城市內(nèi)澇問題加劇[1]。在該背景下，通江口門在施工期間面臨極其嚴(yán)峻的行洪難題。

基于此，目前國內(nèi)外水利工作者大多采用導(dǎo)流來解決上述問題。2010年黃河海勃灣水利樞紐工程為保證施工度汛安全，奠定工程順利實(shí)施的基礎(chǔ)，采用圍堰攔斷河床，開挖明渠的導(dǎo)流方式[2]；北支江在整治下游船閘、水閘工程的過程中，采用導(dǎo)流明渠施工方案取得了良好的效益[3]。斯里蘭卡K壩工程在建設(shè)過程中一次性攔斷河水，并采取導(dǎo)流的方式以保障整個(gè)工程的施工[4]。楊建國對水庫導(dǎo)流施工截流采用搭建臨時(shí)截流斷面措施，對于度汛提出修建混凝土面板堆石壩、錯(cuò)峰度汛、修建度汛水渠3項(xiàng)措施[5]。清水河水庫在擴(kuò)建工程結(jié)合現(xiàn)狀采用了導(dǎo)流隧洞和擋水圍堰的度汛方案[6]。

目前，針對該類問題的研究主要從具體水工建筑物設(shè)計(jì)的角度開展，而量化施工對區(qū)域排澇的影響及對比分析導(dǎo)排前后河道排澇情況變化的較少。本文以張家港市的重要通江口門太字圩港閘站施工為例，基于實(shí)測資料研究分析，采用MIKE11構(gòu)建水文數(shù)學(xué)模型，在充分發(fā)揮當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有行洪格局的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)方案，分析方案的防洪潮效果，統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)因素，制訂合適的度汛方案。

1 研究區(qū)概況

張家港市位于江蘇省東南部，擁有百里長江岸線，瀕臨長江，受潮汐影響十分顯著。潮汐為非正規(guī)半日潮，每日兩漲兩落，日潮不等現(xiàn)象明顯。每月出現(xiàn)兩次大潮汛和兩次小潮汛，年最高潮位一般出現(xiàn)在8月～9月。這主要是與長江口地區(qū)的風(fēng)暴潮有關(guān)；年最低潮位一般出現(xiàn)在1月～2月。高低潮落差在2.35 m左右，潮位高低與吳淞口海潮及上游流量密切相關(guān)。一個(gè)半日潮周期的平均歷時(shí)為12 h 25 min，漲潮平均歷時(shí)3 h 31 min，落潮平均歷時(shí)8 h 54 min。

隨著城市化的持續(xù)推進(jìn)，相同級別的洪水造成的各類損失日益增大。張家港市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，同等級別的洪水所造成的經(jīng)濟(jì)損失逐漸增大。長期以來，張家港市防洪工程的建設(shè)缺乏一定的系統(tǒng)性和超前性，當(dāng)遭遇較大暴雨時(shí)，往往發(fā)生各種不同程度洪澇災(zāi)害。主要原因是通江口門規(guī)模較小，抬高了內(nèi)河水位。對此，當(dāng)?shù)卣陂_展濱江防洪工程建設(shè)。張家港市主要河道分布見圖1。

圖1 張家港市主要河道分布

太字圩港屬于張家港西部片區(qū)的入江骨干河道，南起南橫套，北至長江，全長約14.0 km，據(jù)當(dāng)?shù)刈钚碌姆篮榕艥骋?guī)劃，要求西部片區(qū)在50年一遇的降雨條件下控制水位為4.7 m。然而現(xiàn)狀節(jié)制閘已不能滿足片區(qū)50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，為了改變防洪能力不足的現(xiàn)狀，亟待改建節(jié)制閘，增設(shè)排澇泵站，加強(qiáng)片區(qū)的排水能力。

綜上所述，為解決西部片區(qū)的防洪問題，減輕區(qū)域汛期澇水壓力，減少區(qū)域受澇面積，太字圩港閘站改建工程是十分迫切的。然而，在閘站施工期間攔河圍堰將會(huì)導(dǎo)致太字圩港這條重要的行洪通道缺失，勢必會(huì)抬高西部片區(qū)的整體水位，對太字圩港及周邊河道的防洪安全造成一定的威脅，亟待提出一些針對性的措施。西部片區(qū)河流水系及太字圩港施工位置見圖2。

圖2 西部片區(qū)水系

2 模型構(gòu)建

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)的復(fù)雜水系結(jié)構(gòu)是研究水體運(yùn)移規(guī)律的一大難點(diǎn)[7]，當(dāng)前主要解決辦法是借助數(shù)學(xué)工具構(gòu)建水動(dòng)力與降雨徑流耦合的水文數(shù)學(xué)模型來模擬產(chǎn)匯流及水體流動(dòng)的過程[8]。本研究結(jié)合張家港降雨洪澇特性以及地理環(huán)境特征，構(gòu)建水文數(shù)學(xué)模型，對各方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 模型概化

結(jié)合研究區(qū)域的河網(wǎng)特征和水流特性，以MIKE11為建模工具，選用MIKE11降雨徑流模塊的NAM模型和HD水動(dòng)力模塊。水動(dòng)力模塊的基本原理是運(yùn)用圣維南方程求解方程。降雨徑流模塊的概化依托于NAM模型，NAM模型是一個(gè)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)的概念性水文模型，用來模擬流域的降雨徑流過程[9]。

將NAM模型計(jì)算得出的流量過程作為HD模塊的流量輸入條件。平原感潮河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，河道數(shù)目眾多，地形平緩，流向不定；同時(shí)，由于人為干預(yù)(水利分片治理、行政區(qū)劃的范圍等)等因素的影響。本次研究綜合考慮河道水流的流向、地形特點(diǎn)以及最新下墊面資料等因素，根據(jù)河道的陸域?qū)挾葘ζ溥M(jìn)行集水區(qū)域的劃分，共劃分集水區(qū)37個(gè)。

根據(jù)研究區(qū)河網(wǎng)水系布局，考慮水系的完整性、邊界條件的穩(wěn)定性以及周邊區(qū)域?qū)ρ芯繀^(qū)域洪澇水位的影響等因素，在河網(wǎng)概化的過程中以區(qū)域骨干河道為基礎(chǔ)，對西部片區(qū)的河道加密概化，共概化河道21條，節(jié)點(diǎn)54個(gè)。有些河道調(diào)蓄作用很小或者基本不起輸水作用，將作為調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)概化。此外，概化20多處水工建筑物，張家港市西部片區(qū)沿江主要閘站有張家港閘、五節(jié)橋閘站、十字港閘、護(hù)漕港閘、太字圩港閘站和朝東圩港閘站等(見圖3)。

圖3 河網(wǎng)概化

在模型計(jì)算過程中，不僅需要模擬這些涉水工程的規(guī)模、位置，也要模擬這些涉水工程的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則。在水流模擬中，不僅要正確地模擬這些工程措施的規(guī)模、位置；同時(shí)也要模擬這些工程措施的控制運(yùn)行方式，并通過設(shè)置時(shí)間序列以及根據(jù)上下游水位關(guān)系來模擬控制閘泵的開啟。

2.2 潮位邊界設(shè)置

研究區(qū)南部以張家港河水位為控制邊界，其外部水位邊界條件由武澄錫虞區(qū)錫澄片水文水動(dòng)力模型計(jì)算給出。北部以長江潮位為邊界，采取較為不利的潮情組合。研究區(qū)長江的潮位邊界根據(jù)1991年江陰肖山站、常熟滸浦閘長江逐潮高低潮位資料插補(bǔ)推求1991年張家港市沿江閘邊界逐時(shí)潮位過程，基本方法是根據(jù)各閘地理位置采用內(nèi)插逐潮高低潮位及相應(yīng)潮時(shí)[10]。利用沿江閘門實(shí)測逐時(shí)潮位資料，推求并綜合得出無因次潮位單位線，并配以數(shù)學(xué)方程。

由沿江各閘門的逐潮高低潮位及潮時(shí)，用漲落潮無因次單位線內(nèi)插出漲落潮過程中的整點(diǎn)時(shí)刻潮位。根據(jù)沿江各涵閘逐潮高低潮位及潮時(shí)，利用漲落潮無因次單位線分別內(nèi)插出漲落潮過程中的整點(diǎn)時(shí)刻潮位。

2.3 模型率定

NAM是概念性、集總型模型，參數(shù)具有一定的物理含義；但由于參數(shù)值反映的是各子流域的平均條件，無法通過實(shí)測獲得，因此必須進(jìn)行率定。概念性、集總型模型，其參數(shù)都有一定的物理意義；但由于無法實(shí)測反映各子流域平均條件的參數(shù)值，因此也需進(jìn)行率定。

NAM帶有一個(gè)自動(dòng)率定程序，它可以自動(dòng)率定9個(gè)最重要的模型參數(shù)。自動(dòng)率定工具基于使4個(gè)不同率定目標(biāo)達(dá)到最佳的原則來率定。這4項(xiàng)是總水量平衡、過程線總體形狀、高流量和低流量。自帶一個(gè)自動(dòng)率定程序，可以自動(dòng)率定模型中9個(gè)最重要的參數(shù)。率定的原則是使4個(gè)不同率定目標(biāo)達(dá)到最佳，這4項(xiàng)分別是總水量平衡、過程線總體形狀、高流量和低流量。

在率定過程中，要對各子流域的參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，直到計(jì)算的徑流(坡面流、壤中流和基流之和)與流域出口實(shí)測的流量擬合較好為止。模型的主要參數(shù)包括地表徑流系數(shù)、地表最大儲(chǔ)水量、根區(qū)最大儲(chǔ)水量、地表徑流時(shí)間常數(shù)和根區(qū)閾值等。本次參數(shù)的取值見表1。

表1 NAM模塊主要參數(shù)取值

為進(jìn)一步保證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，選擇2012年8月實(shí)測降雨、潮位以及水位資料進(jìn)行率定。邊界水位選取長江實(shí)測潮位、太湖實(shí)測水位等邊界資料；率定選取計(jì)算范圍內(nèi)有實(shí)測水位數(shù)據(jù)的水文站有無錫站、陳墅站、青旸站和甘露站。率定結(jié)果見圖4。

圖4 模型率定結(jié)果

率定結(jié)果顯示模型計(jì)算水位與實(shí)測水位的變化趨勢基本一致，峰值較為接近。采用Nash-Suecliffe效率系數(shù)評價(jià)兩個(gè)模型計(jì)算水位與實(shí)際水位的擬合程度。即

(1)

3 圍堰施工的影響分析

3.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

依據(jù)城市排澇設(shè)計(jì)要求，根據(jù)樣本系列的代表性和完整性，分析整理研究區(qū)水文站1985年～2019年共計(jì)35年的最大1、3、6、12、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率曲線對長歷時(shí)暴雨系列進(jìn)行頻率分析計(jì)算，得到不同時(shí)段的點(diǎn)雨量分布參數(shù)及設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，河道排澇設(shè)計(jì)時(shí)采用面雨量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《江蘇省暴雨洪水查算圖表》，查得雨量點(diǎn)面折減系數(shù)，計(jì)算得到50年一遇下的面雨量設(shè)計(jì)值，選取2015年6月2日0時(shí)至6月2日24時(shí)的24 h降雨過程作為典型暴雨過程，按同頻率法縮放法得到研究區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程，見圖5。

圖5 50年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程

3.2 施工對排澇的影響及分析

研究區(qū)的日常閘泵調(diào)度主要和長江潮位密切相關(guān)。當(dāng)河道水位高于長江潮位時(shí)，打開護(hù)漕港閘、嚴(yán)子港閘、十字港閘、五節(jié)橋港閘和張家港閘等沿江閘門排水。當(dāng)長江達(dá)到高潮位時(shí)，沿江河道由于受到長江高水位的頂托排水不暢。此時(shí)，各沿江閘門關(guān)閉，開啟護(hù)漕港泵站排水。為對比分析太字圩港通江口門封堵施工前后對張家港市西部片區(qū)河道的排澇影響，模擬計(jì)算圍堰前和圍堰后(未采取任何導(dǎo)排措施)的排澇情況，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 閘站施工對研究區(qū)河道排澇影響 m

由表2可知，在圍堰施工之前，即在太字圩港閘站尚未改建時(shí)張家港市西部片區(qū)在遭遇50年一遇的設(shè)計(jì)暴雨之時(shí)，部分河道水位高于4.70 m。特別是太字圩港最高水位達(dá)4.73 m，超過了片區(qū)的控制水位。這表明太字圩港閘站改建是必要的。而在圍堰施工之后若不做任何導(dǎo)排措施，將會(huì)使張家港市西部片區(qū)河道水位上升9～16 cm。由此可知，相同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨下，封堵施工后的河道水位漲幅較大，太字圩港最高水位達(dá)到4.84 m，明顯超過控制水位，圍堰導(dǎo)致河道的排水壓力增加，對區(qū)域的排澇影響不容輕視。

本文將從開挖導(dǎo)流明渠、加強(qiáng)水系連通以調(diào)整局部水系和增設(shè)臨時(shí)泵站以加強(qiáng)河道水動(dòng)力條件兩個(gè)方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過模型模擬分析不同方案下的施工度汛效果。

4 方案設(shè)計(jì)及效果分析

4.1 度汛方案設(shè)計(jì)

施工的場地濱水臨江，處于建設(shè)期間的工程相對比較脆弱，在受到高潮位的頂托下容易遭受洪水的侵襲，對此本文立足于研究區(qū)現(xiàn)有的水系及水利工程，在充分挖掘當(dāng)?shù)匦泻闈摿Φ幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)度汛方案。首先在施工期間關(guān)掉東橫河閘和南橫套節(jié)制閘，使得張家港其他片區(qū)水體不進(jìn)入西部片區(qū)以免抬高當(dāng)?shù)氐乃?，并合理利用現(xiàn)有的水系、沿江口門參與聯(lián)合調(diào)度。

此外，為了增強(qiáng)河道對降雨的調(diào)蓄作用以降低河道水位、提高區(qū)域排水能力，可在太字圩港的河口處開挖導(dǎo)流明渠將澇水排出，并連通太字圩港西側(cè)的段山港與朝南港、九橫套，加強(qiáng)水系連通從而減輕太字圩港的行洪壓力。

在經(jīng)過水系調(diào)整之后，可進(jìn)一步優(yōu)化度汛措施。由于平原感潮河網(wǎng)地勢平坦，水流順逆不定，流速緩慢，增設(shè)強(qiáng)排泵站是常見的工程手段。泵站的規(guī)模決定了排澇效果和經(jīng)濟(jì)成本，可在上述水系調(diào)整的基礎(chǔ)上在段山港河口處增設(shè)5、10、15 m3/s等3種不同規(guī)模的泵站，分析不同泵站規(guī)模下的排澇影響，見圖6。

圖6 導(dǎo)流明渠及水系連通位置示意

綜上所述，設(shè)計(jì)方案1為關(guān)閉東橫河閘、南橫套節(jié)制閘，開挖導(dǎo)流明渠，進(jìn)行水系連通，不增設(shè)強(qiáng)排泵站的工況，方案2、3、4分別為關(guān)閉東橫河、南橫套節(jié)制閘，開挖導(dǎo)流明渠，進(jìn)行水系連通，增設(shè)5、10、15 m3/s規(guī)模強(qiáng)排泵站的工況。分析水系調(diào)整與增設(shè)泵站組合后對區(qū)域排水能力的提升作用，并合理確定泵站的規(guī)模。

4.2 方案效果分析

模擬計(jì)算得到，以上各方案條件下西部片區(qū)遭遇50年一遇的暴雨時(shí)主要河道的最高水位(見表3)。

表3 不同方案下50年一遇各河道最高水位 m

由表3可知，相較于圍堰施工后未進(jìn)行任何導(dǎo)排措施的情況。方案1下最高水位平均下降0.09 m左右，對太字圩港封堵施工引起的排水壓力起到了較好的緩解作用。增強(qiáng)水系連通性后，太子圩港的最高水位下降到4.75 m，段山港因承接了太字圩港的澇水，水位下降效果不明顯。研究區(qū)河道水位整體得到了一定的控制，但最高水位仍均超過控制水位。由此可見，僅靠導(dǎo)流明渠，水系連通，而不增設(shè)泵站的情況下依舊達(dá)不到度汛的目標(biāo)。方案2在方案1的基礎(chǔ)上增設(shè)強(qiáng)排泵站，其規(guī)模達(dá)到5 m3/s時(shí)，相較于圍堰施工前的河道僅有0.01～0.03 m的抬升，部分河道符合控制水位的標(biāo)準(zhǔn)，太字圩港的最高水位下降到4.72 m，仍未達(dá)到度汛的目標(biāo)，方案2尚存提升空間。

方案3下強(qiáng)排泵站的規(guī)模達(dá)到10 m3/s，研究區(qū)的河道水位得到更為理想的控制，基本恢復(fù)了圍堰施工前的水平，所有河道水位均在控制水位之下。方案4進(jìn)一步增加泵站規(guī)模達(dá)到15 m3/s，然而方案3、4對于降低張家港西部片區(qū)河道水位的作用基本一致，部分河道水位較于方案3僅略有下降，相比而言方案3增設(shè)10 m3/s泵站已基本可實(shí)現(xiàn)相同的水平，且節(jié)省了建設(shè)及管理成本。

統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)因素，在滿足防洪要求下兼顧經(jīng)濟(jì)效益，最優(yōu)方案應(yīng)具備可行性和經(jīng)濟(jì)性。故，選取關(guān)閉東橫河、南橫套節(jié)制閘，開挖導(dǎo)流明渠，連通水系，增設(shè)10 m3/s規(guī)模強(qiáng)排泵站的工況作為推薦方案。

5 結(jié) 論

(1)在參考相關(guān)施工期間導(dǎo)流度汛的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合張家港市的自身水系情況，利用MIKE11構(gòu)建水文數(shù)學(xué)模型，對模型進(jìn)行率定，率定結(jié)果表明測站的水位變化趨勢吻合較好，該模型可以用于模擬計(jì)算流量水位變化過程。

(2)通過進(jìn)行水系調(diào)整，連通九橫套、朝南港與段山港，使太字圩港澇水經(jīng)九橫套、朝南港由段山港排出，可在一定程度上降低研究區(qū)遭遇50年一遇的最高水位，減輕洪澇風(fēng)險(xiǎn)，

(3)統(tǒng)籌水系布局調(diào)整及泵站配置規(guī)模設(shè)計(jì)方案，從防洪排澇效果和經(jīng)濟(jì)效益兩方面分析度汛期間增設(shè)泵站的規(guī)模，最終確定方案3為最優(yōu)方案。