宋凱璇，畢忠飛，尹文昊，馬 琴，劉 俊

(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

在全球氣候變化大背景下，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城區(qū)的下墊面結(jié)構(gòu)隨之急劇變化。在城市建設(shè)過程中容易忽視防洪排澇系統(tǒng)的建設(shè)[1]，從而導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生。濱江地區(qū)因其優(yōu)越的地理位置及社會(huì)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)大好；但目前相應(yīng)的城市防洪工程建設(shè)步伐還稍顯滯后，局部澇水等情況時(shí)有發(fā)生。許多濱江城市原有的防洪工程標(biāo)準(zhǔn)偏低，在遭遇極端天氣時(shí)，容易發(fā)生各種不同程度洪澇災(zāi)害[2]。其中，一個(gè)重要原因是通江口門規(guī)模與區(qū)域防洪需求不匹配，在遭遇較大暴雨時(shí)，行洪河道水位迅速抬升，此外，城市中的水面被大量侵占，河道連通性被破壞，導(dǎo)致部分河道行洪困難；同時(shí)，外江潮位對(duì)內(nèi)河水位產(chǎn)生頂托作用，增大了區(qū)域防洪排澇的壓力。因此，濱江地區(qū)應(yīng)科學(xué)地布設(shè)通江口門及相應(yīng)的防洪工程，以滿足區(qū)域防洪的需求，確保區(qū)域防洪安全。對(duì)此，諸多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，王鈞等[3]通過建立濱海感潮河網(wǎng)湖泊地區(qū)水文模型，確定了遼東灣新區(qū)排澇閘門的規(guī)模和上游控制水位；李樹軍等[4]通過大量的水利計(jì)算和分析研究，確定了漢書閘的重建規(guī)模，提高了當(dāng)?shù)氐姆篮闃?biāo)準(zhǔn)。本文利用數(shù)值模擬的方法構(gòu)建研究區(qū)域水文水動(dòng)力耦合模型，分析通江口門規(guī)模、泵站調(diào)度方式等對(duì)區(qū)域防洪的影響，進(jìn)而合理確定研究區(qū)域通江口門的規(guī)模及其他防洪工程的布局、調(diào)度方式，使防洪效益最大化，提高區(qū)域的防洪排澇能力。

1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域選取張家港市朝東圩港以西、長江以南、東橫河以北的區(qū)域，張家港市位于長江下游南岸，屬長江流域太湖水系，北部長江水域?qū)掗?，境?nèi)降雨充沛，區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)相互交織、貫通，水文條件復(fù)雜[5]，屬于典型的平原感潮河網(wǎng)城市。為便于后續(xù)分析，以太字圩港為界將研究區(qū)域劃分為西部片區(qū)及中部片區(qū)兩個(gè)片區(qū)，研究區(qū)域水系圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域水系

張家港市骨干河道有太字圩港、朝東圩港、南橫套、東橫河等。其中，太字圩港呈南北走向，是該區(qū)域主要的排水通道。因此，本研究主要對(duì)太字圩港及其周邊閘站的規(guī)模進(jìn)行分析論證。結(jié)果是太字圩港現(xiàn)狀通江節(jié)制閘凈寬僅為12 m，工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，很難滿足區(qū)域防洪排澇要求；而隨著氣候變化及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，張家港市發(fā)生洪澇災(zāi)害的頻率在不斷增加，受洪澇災(zāi)害的影響也逐漸加大。因此，需充分考慮研究區(qū)域當(dāng)?shù)乇┯?、長江潮位等各種因素，合理地確定太字圩港及周邊通江口門的規(guī)模以及泵站的調(diào)度方式，進(jìn)而提高張家港市區(qū)域防洪能力。

2 模型構(gòu)建

張家港市水系發(fā)達(dá)、水文條件復(fù)雜、降水豐沛，與周邊地區(qū)水體交互密切；區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口集中，河網(wǎng)水系受人類活動(dòng)影響較大。湖泊數(shù)量多，面積較大，功能多樣化；區(qū)內(nèi)建有圩區(qū)，圩內(nèi)河流與圩外河流主要通過閘泵隔離[6]。綜合考慮研究區(qū)域水文水力特性，選擇MIKE 11模型構(gòu)建區(qū)域水文水動(dòng)力耦合模型。

2.1 河網(wǎng)概化

張家港位于平原河網(wǎng)地區(qū)，河道縱橫交錯(cuò)，整體呈現(xiàn)出環(huán)形水系的特點(diǎn)[7]，區(qū)域內(nèi)水系沒有明確的邊界，并且涵洞、水閘、泵站等建筑物也位于河網(wǎng)水系中。因此河道概化的基本原則為：主要概化研究區(qū)域內(nèi)主要，基本反映天然河網(wǎng)的水力特性，重點(diǎn)概化研究區(qū)域內(nèi)的通江口門。模型概化示意見圖2。

圖2 河網(wǎng)概化示意

由于研究區(qū)域北部為長江，長江潮位對(duì)通江河道排水能力以及區(qū)域防洪安全有著重要影響，因此，為了正確的分析研究區(qū)域通江口門及泵站規(guī)模對(duì)區(qū)域防洪的影響，合理確定防洪工程的規(guī)模布局，需合理的設(shè)置邊界潮位過程。據(jù)此，在分析研究區(qū)域通江口門往年實(shí)測(cè)潮位資料的基礎(chǔ)上，選用1991年6月30日至7月6日常州新孟河、江陰白屈港及常熟滸浦站長江逐潮高低潮位資料，用以推求各通江口門逐時(shí)潮位過程，作為模型的下游邊界條件：首先選取幾次實(shí)測(cè)漲潮(落潮)過程，據(jù)此推求該研究區(qū)域無因次漲潮(落潮)單位線；根據(jù)待求站點(diǎn)與上述三個(gè)有實(shí)測(cè)潮位資料的站點(diǎn)的距離，內(nèi)插出各站高低潮位；最后，根據(jù)各站高低潮位、潮時(shí)，利用所得的無因次單位線推算漲落潮過程中整點(diǎn)時(shí)刻的潮位[8]。其中，漲潮與落潮無因次單位線為

(1)

式中，x、y分別為潮時(shí)、潮位經(jīng)歸一化處理后的數(shù)據(jù)，0≤x≤1，0≤y≤1，均無量綱。

2.2 模型率定與驗(yàn)證

為了使模型盡可能地反映出研究區(qū)域水文水動(dòng)力情況，對(duì)模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，選取研究區(qū)域2017年6月30日至7月6日的一場(chǎng)降雨，通過模型計(jì)算得到定波閘和十一圩港閘的水位過程；并與同時(shí)段實(shí)測(cè)水位過程進(jìn)行比較，從而確定模型參數(shù)是否合理。率定結(jié)果見圖3。

圖3 模型率定結(jié)果

由圖3可知看出，兩站點(diǎn)水位過程的模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度較好。為進(jìn)一步定量地確定模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合程度，引進(jìn)納什效率系數(shù)來評(píng)價(jià)模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度，納什效率系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

為了確定率定后調(diào)整的參數(shù)是否準(zhǔn)確，再選取定波閘和十一圩港閘2016年8月14日至20日實(shí)測(cè)水位資料對(duì)調(diào)整后的模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖4。

圖4 模型驗(yàn)證結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，不同站點(diǎn)水位過程的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，峰值較為接近，根據(jù)式(2)，定波閘水位驗(yàn)證曲線的納什系數(shù)NSE為0.93，十一圩港水位驗(yàn)證曲線的納什系數(shù)NSE為0.96。率定與驗(yàn)證的結(jié)果表明，模型參數(shù)設(shè)置合理，模型計(jì)算結(jié)果較為可信。

3 防洪影響分析

3.1 推求設(shè)計(jì)暴雨

選用楊舍站35年(1981年～2015年)的降雨系列，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析計(jì)算[10]。不同歷時(shí)點(diǎn)雨量頻率分布參數(shù)及設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 點(diǎn)雨量頻率分布參數(shù)及設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量成果

由當(dāng)?shù)乇┯陥D集查得點(diǎn)面折算系數(shù)見表2。根據(jù)計(jì)算得到50年一遇、100年一遇最大24 h設(shè)計(jì)面雨量分別為196.2、217.3 mm。

表2 設(shè)計(jì)雨量點(diǎn)面折算系數(shù)α

設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間分配采用同頻率放大法[11]。典型暴雨的選擇對(duì)結(jié)果合理性至關(guān)重要，對(duì)張家港市歷史洪澇資料的分析表明，1991年的一場(chǎng)暴雨雨量大、強(qiáng)度高、雨型惡劣，工程條件極為不利，具有較強(qiáng)的代表性[12]。因此，采用1991年最大24 h逐時(shí)雨量作為典型暴雨過程進(jìn)行設(shè)計(jì)雨量的時(shí)程分配，進(jìn)行同頻率縮放，得出設(shè)計(jì)暴雨過程。不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨過程見圖5。

圖5 不同重現(xiàn)期24 h設(shè)計(jì)暴雨過程

3.2 方案設(shè)置

現(xiàn)狀工程布置條件下，張家港市實(shí)行分片排水，主要排洪通道有十字港、天生港、太字圩港等；中部片區(qū)是張家港市的政治經(jīng)濟(jì)中心，近年來因排洪通道不暢，局部澇水等情況時(shí)有發(fā)生。為了提高該片區(qū)防洪排澇水平，確保區(qū)域防洪安全，在方案設(shè)置中考慮打通太字圩港、十字港位于南橫套河南側(cè)的南延河道，使中部片區(qū)洪水通過東橫河經(jīng)由西部片區(qū)經(jīng)沿江天生港閘、太字圩港閘等閘站排出；此外，由于張家港市位于平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，當(dāng)長江達(dá)到高潮位時(shí)沿江閘站排水能力受限。因此，為提高防洪排水效果，擬新增天生港泵站和太字圩港泵站，設(shè)計(jì)沿江排水泵站的建設(shè)規(guī)模，并考慮泵站排水能力不同分配的影響。具體方案設(shè)置見表3。

表3 計(jì)算方案設(shè)置

(1)維持現(xiàn)狀(方案0)：保持現(xiàn)有的水系情況及工程布置，不連通南延河道，太字圩港閘及天生港閘門維持現(xiàn)狀(分別為12、5.5 m)，不新增排水泵站。

(2)連通水系(方案I)：連通南延河道，太字圩港及天生港閘門維持現(xiàn)狀(分別為12、5.5 m)，不新增排水泵站。方案可與現(xiàn)狀對(duì)比分析，論證加強(qiáng)水系連通性對(duì)提高河道排澇水平的作用。

(3)連通水系配合擴(kuò)建閘門(方案Ⅱ)：連通南延河道，同時(shí)擴(kuò)建太字圩港及天生港閘門，太字圩港閘擴(kuò)建規(guī)模為26、28、30 m；天生港閘擴(kuò)建規(guī)模為16 m；不新增排水泵站。方案II可與現(xiàn)狀以及方案I對(duì)比分析，論證在加強(qiáng)水系連通性的基礎(chǔ)上，擴(kuò)建閘規(guī)模對(duì)提高河道排澇水平的作用。

(4)連通水系配合擴(kuò)建閘門及新增排水泵站(方案III)：連通南延河道，同時(shí)擴(kuò)建太字圩港閘，擴(kuò)建規(guī)模為26、28、30 m；并且新增排水泵站(設(shè)計(jì)范圍為30～50 m3/s)。針對(duì)平原感潮河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)平坦、水面平緩、流速較慢的特性，工程經(jīng)驗(yàn)做法是通過增設(shè)泵站，人為提升區(qū)域河道的水動(dòng)力條件[2]。在方案II的基礎(chǔ)上，分別增設(shè)多種不同規(guī)模的泵站，分析不同泵站規(guī)模下部分河道的斷面最高水位。該方案可與方案II對(duì)比分析，論證新增泵站建設(shè)必要性，同時(shí)可探究使河道提高排澇水平的泵站規(guī)模。方案具體布設(shè)見圖6。

圖6 方案布設(shè)

3.3 不同方案計(jì)算成果

(1)方案0(現(xiàn)狀)。保持現(xiàn)有的水系現(xiàn)狀及工程布置，計(jì)算得到兩片區(qū)遭遇50年一遇、100年一遇降雨時(shí)的最高水位，見表4。

表4 現(xiàn)狀條件下片區(qū)最高水位 m

表5 方案I計(jì)算成果 m

表6 方案II計(jì)算成果 m

(2)方案Ⅰ(連通水系)。方案Ⅰ保持現(xiàn)有的工程布置，連通太字圩港、十字港南延河道，使中部片區(qū)洪水通過東橫河節(jié)制閘經(jīng)由延長河道從西部片排出。運(yùn)用模型計(jì)算得出該方案下兩片區(qū)遭遇50年一遇、100年一遇降雨時(shí)的最高水位，見表5。

與現(xiàn)狀情況相比，通過連通太字圩港、十字港南延河道，在遭遇100年一遇降雨時(shí)，中部片區(qū)最高水位下降0.20 m，最高水位在5.14 m左右；西部片區(qū)最高水位上升0.02 m，西部片最高水位在4.96 m左右。中部片區(qū)洪水通過東橫河經(jīng)由西部片區(qū)排出，對(duì)中部片區(qū)洪水最高水位有明顯的降低效果，但會(huì)增大西部片區(qū)的防洪壓力。

(3)方案Ⅱ(連通水系配合擴(kuò)建閘門)。由方案Ⅰ得知，連通南延河道對(duì)中部片區(qū)洪水最高水位有明顯的降低效果，但使西部片區(qū)的洪水最高水位明顯升高。對(duì)此，方案Ⅱ在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)建太字圩港及天生港閘門規(guī)模來加強(qiáng)太字圩港、天生港及周邊河道排除西部片區(qū)洪水的能力，具體包括4種方案：方案2～4將太字圩港閘由原有的12 m分別擴(kuò)建至26、28、30 m；方案5將太字圩港閘由12 m擴(kuò)建至26 m的同時(shí)，擴(kuò)建天生港閘至16 m。模擬得到在遭遇50年一遇、100年一遇的降雨時(shí)兩片區(qū)的最高水位，見表6。由表6可知，方案II-2在連通南延河道、擴(kuò)建太字圩港閘至26 m時(shí)對(duì)中部片區(qū)洪水最高水位有明顯的降低效果，而擴(kuò)建至28、30 m或者擴(kuò)建天生港閘至16 m，均無水位降低效果；因此，建議太字圩港閘擴(kuò)建至26 m，天生港維持原規(guī)模。而西部片區(qū)的最高水位仍然偏高，因此仍需增加西部片區(qū)的排水能力。

(4)方案Ⅲ(連通水系配合擴(kuò)建閘及新增泵站)。由方案II-2～5得知，連通南延河道、擴(kuò)建太字圩港閘至26 m，對(duì)中部片區(qū)洪水最高水位有明顯的降低效果，而西部片區(qū)的最高水位仍然偏高，需增加西部片區(qū)的排水能力。對(duì)此，方案Ⅲ在方案II的基礎(chǔ)上，新增太字圩港、天生港泵站，論證規(guī)模在30～45 m3/s，并考慮泵站排水能力不同分配的影響。具體包括方案6～11共6種方案，相應(yīng)的計(jì)算成果見表7。

表7 方案III計(jì)算成果 m

計(jì)算結(jié)果表明，方案III- 6在水系連通、閘門擴(kuò)建的基礎(chǔ)上新增排水泵站規(guī)模30 m3/s(太字圩港泵站20 m3/s、天生港泵站10 m3/s)可使西部片區(qū)遭遇100年一遇降雨時(shí)最高水位下降0.04 m，中部片區(qū)最高水位下降0.29 m；方案7～11新增排水泵站規(guī)模35～45 m3/s，并考慮排水能力在天生港、太字圩港的不同分配情況，可使西部片區(qū)遭遇100年一遇降雨時(shí)片區(qū)最高水位下降0.05～0.11 m，中部片區(qū)最高水位下降0.31～0.34 m，且排水能力在天生港、太字圩港的不同分配對(duì)最高水位的降低效果無太大影響。各方案下中部片區(qū)及西部片區(qū)最高水位變化情況見圖7。

圖7 不同方案下各片區(qū)最高水位變化

綜上所述，方案I通過進(jìn)行水系調(diào)整，連通南橫套河南側(cè)的太字圩港、十字港南延河道，使中部片區(qū)洪水經(jīng)東橫河由西部片區(qū)排出，可在一定程度上降低中部片區(qū)遭遇不同重現(xiàn)期降雨時(shí)的最高水位，減輕該片區(qū)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)；但這會(huì)增加西部片區(qū)的防洪壓力，需進(jìn)一步加大西部片區(qū)排水能力，以減輕中部片區(qū)排水方向調(diào)整帶來的防洪壓力。方案II、III在方案I的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整太字圩港、天生港閘站規(guī)模及新增泵站的調(diào)度方式，分析計(jì)算通江口門的規(guī)模及泵站調(diào)度方式對(duì)區(qū)域防洪的影響，確定擴(kuò)建太字圩港閘至26 m，在天生港、太字圩港閘處新建30～45 m3/s的排水泵站，能夠有效降低各片區(qū)在遭遇不同重現(xiàn)期降雨時(shí)的最高水位，減輕區(qū)域防洪的壓力。

4 結(jié) 論

(1)平原感潮河網(wǎng)地區(qū)防洪排澇受本地降雨、上游洪水及沿江潮位等綜合影響，且通江口門的規(guī)模對(duì)區(qū)域防洪及城市除澇也起著關(guān)鍵的作用；在同等水文條件下，水利工程條件或調(diào)度方式的改變，會(huì)明顯改變城市的洪澇特性。

(2)分析了張家港市自然地理、河網(wǎng)水系和相關(guān)水利工程情況，基于MIKE 11的原理和功能構(gòu)建區(qū)域水文水動(dòng)力耦合模型。選取計(jì)算范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。結(jié)果顯示，模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位的變化趨勢(shì)基本一致，峰值較為接近，且納什效率系數(shù)NSE分別為0.83、0.84和0.93、0.96。這說明模型計(jì)算結(jié)果較為可信。

(3)通過設(shè)置不同方案，計(jì)算在不同方案下，研究區(qū)域遭遇50年一遇、100年一遇降雨時(shí)片區(qū)最高水位。計(jì)算結(jié)果表明，連通太字圩港及十字港南延河道、將太字圩港閘寬擴(kuò)大至26 m，并在太字圩港及天生港閘站處新建規(guī)模為30 m3/s以上的排水泵站能有效降低張家港市防洪排澇的壓力，確保區(qū)域防洪安全。