江蘇省長江干流沿程洪潮設(shè)計水位數(shù)值模擬研究

羅龍洪，聞云呈，袁文秀，夏云峰，王曉俊，張新周

(1.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029; 2.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210024)

長江干流江蘇段總長432.5 km，流域面積3.86×104km2，約占江蘇全省國土面積的40%，承載了全省 60%的人口，創(chuàng)造了全省80%的國內(nèi)生產(chǎn)總值，人口、產(chǎn)業(yè)、資產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施高度密集，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。長江堤防是沿江地區(qū)重要防洪屏障，沿江洪潮設(shè)計水位的確定直接關(guān)系到沿江堤防的建設(shè)規(guī)模、防洪能力。經(jīng)過1997年開始的江堤達標(biāo)建設(shè)，目前江蘇有長江堤防1 548 km。受當(dāng)時經(jīng)濟社會發(fā)展水平限制，江堤防洪(潮)設(shè)計水位按《長江流域綜合利用規(guī)劃簡要報告》(1990年)中確定的無臺風(fēng)影響水位實施，防洪標(biāo)準(zhǔn)僅相當(dāng)于50年一遇且沒有考慮江蘇地處下游長江河口地區(qū)、全線位于感潮河段特點，沒有考慮臺風(fēng)、天文大潮、風(fēng)暴潮等影響。近年來，隨著沿江水土保持、河道治理、航道整治等工程的建設(shè)，三峽水庫等梯級水利樞紐的建設(shè)運行，長江水沙條件發(fā)生了較大變化。長江經(jīng)濟帶、“一帶一路”等國家戰(zhàn)略以及蘇南現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)規(guī)劃的實施，要求按100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)長江干流防洪工程。設(shè)計洪潮水位是長江堤防工程建設(shè)管理的重要技術(shù)參數(shù)，研究多因素影響條件下長江江蘇段沿程洪潮水位變化十分必要。

由于一般河流河口段長度較長，動輒上百公里，早期主要通過統(tǒng)計分析方法和一維水面線推算方法進行洪潮水位研究。如陳俊鴻等[1]根據(jù)珠江三角洲感潮河段年最高洪潮水位存在長期上升趨勢的事實,提出了河口區(qū)感潮河段洪潮水位頻率分析新的計算方法，用于洪潮水位分析。李有為等[2]通過水文數(shù)據(jù)多元線性回歸模式研究了中山市境內(nèi)感潮河段洪潮水位相關(guān)關(guān)系。水面線推算分別計算以洪為主和以潮為主的水面線, 取兩者外包線作為水面線的計算成果。潘玉敏[3]利用烽火角水系降雨及潮水位資料,通過洪潮水面線的推算，研究了烽火角水系的洪潮水位。王慶等[4]通過一維模型對端芬河洪潮水面線進行了推算和分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近些年已經(jīng)開始采用一二維耦合、全二維和三維數(shù)學(xué)模型研究大江大河的洪潮水位問題。如童漢毅等[5]采用一二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了深圳河各種情況下水動力特性。路川藤等[6]開發(fā)了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的長江口二維和二維三維嵌套潮流模型用于長江下游潮流變動區(qū)的研究。喬飛等[7]基于EFDC模型，構(gòu)建長江下游及河口區(qū)二維水動力模型，研究了長江下游徑潮水位關(guān)系。楊龍晏[8]基于地理信息系統(tǒng)GIS平臺建立了三亞市多致災(zāi)因素遭遇洪澇風(fēng)險的高精度精細化模型，計算獲得了雨洪潮遭遇下的三亞市洪水風(fēng)險信息。聞云呈等[9]通過延長水文資料系列，采用水文學(xué)和水力學(xué)方法，開展了沿江設(shè)計洪潮水位研究。關(guān)于洪潮水位影響因素研究，劉斌等[10]建立了珠江三角洲高精度二維水動力模型,模擬了上游洪水、河口潮汐、地形變化等對珠江三角洲設(shè)計洪潮水位變化的影響,發(fā)現(xiàn)地形變化、洪量增加、強風(fēng)暴潮、海平面上升均為三角洲設(shè)計洪水位變化的主要因子。錢明霞等[11]通過數(shù)學(xué)模型研究了地形變化對長江口潮波傳播的影響。路川藤等[12]研究了長江潮流界對徑流、潮差變化的響應(yīng)。徐林春等[13]通過一、二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)洪潮水位與口門延伸的響應(yīng)關(guān)系。沈漢堃等[14]通過一、二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了海平面上升對珠江三角洲洪潮水位影響。

以往研究表明，長江江蘇段沿程洪潮水位主要受上游徑流、外海風(fēng)暴潮等單因素或組合因素等影響，本研究通過延長相關(guān)站點水位，臺風(fēng)資料等，構(gòu)建長河段二維徑潮流數(shù)學(xué)模型與外海風(fēng)暴潮模型，研究徑潮流、臺風(fēng)等因素作用下長江江蘇段沿程洪潮水位變化規(guī)律及各區(qū)段主要影響因素，為長江干流江蘇段堤防防洪能力提升工程設(shè)計洪潮水位提供技術(shù)支撐。

1 河段概況及研究方法

1.1 河段概況

長江下游感潮河段流經(jīng)安徽、江蘇和上海，其中長江江蘇段由南京河段、鎮(zhèn)揚河段、揚中河段、澄通河段和長江口河段組成。地勢平坦，左岸為沖積平原，右岸為不連續(xù)的山丘，河道流路曲折，汊河發(fā)育，洲灘眾多。沿程河道寬窄相間，束窄段為單一河道，放寬段出現(xiàn)分汊，一般為雙分汊河道，河道平面形態(tài)呈藕節(jié)狀分汊河型。河道受徑流和潮汐共同影響，潮流界一般位于江陰附近，隨徑流強弱和潮差大小等因素的變化而變動，洪潮水位確定十分復(fù)雜。

圖1 大通以下長江河段示意

1.2 研究方法

20世紀(jì)90年代，長江江蘇段在1996年、1997年、1998年、1999年連續(xù)發(fā)生了四次大水。1996年出現(xiàn)洪潮和8號臺風(fēng)并襲，形成了儀征以下洪(潮)水位全面超歷史；1997年受11號臺風(fēng)襲擊和天文大潮影響，常州魏村以下段潮位再次超過歷史最高記錄。隨著長江上游水土資源開發(fā)利用、水土保持工程、沿江河道治理與航道整治工程的建設(shè)等，長江水、沙、工情條件發(fā)生了較大變化，長江江蘇段沿程洪潮設(shè)計水位的確定要考慮上游大通來水、區(qū)間支流入?yún)R、外海潮汐、風(fēng)暴潮等因素綜合影響，如何把握沿程各站的影響因素和程度需要進一步深入研究。

研究通過建立大通-長江口外非平衡、非均勻二維潮流數(shù)學(xué)模型，以大通為進口邊界，長江口外東到E123°，南起N29°27′，北到N32°15′，包括長江口和杭州灣模型在內(nèi)的水域，建立大通至長江口外的二維數(shù)學(xué)模型，開展數(shù)值模擬計算，研究不同水文條件下沿程水位變化。數(shù)學(xué)模型計算空間步長30～1 500 m，共有網(wǎng)格結(jié)點198 024個，單元201 813個，并對工程區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以便充分反映工程的影響。數(shù)學(xué)模型地形分別采用1998年、2012年實測水下地形進行概化，網(wǎng)格劃分見圖2，地形離散概化見圖3。數(shù)學(xué)模型計算考慮糙率系數(shù)、紊動黏性系數(shù)、計算時步長等計算參數(shù)的選擇，采用地形切削法處理動邊界問題。研究采用沿程2010年、2012年以及98大洪水、97風(fēng)暴潮等實測水文資料進行了模型水動力條件的驗證，數(shù)學(xué)模型建立及率定驗證具體見參考文獻[9]。

圖2 計算范圍和網(wǎng)格

圖3 地形離散

2 計算工況

長江江蘇段沿程最高潮位的變化受上游徑流、下游潮汐以及風(fēng)暴潮等共同作用，且沿程受某種因素影響的程度存在差異。一般情況下沿程最高潮位的出現(xiàn)一般為上游大通大徑流、下游天文大潮、風(fēng)暴潮等“兩碰頭”或者“三碰頭”時段。隨著清水下泄，河道地形呈現(xiàn)沖刷下切趨勢，為此要考慮不同地形影響下的洪潮水位；同時風(fēng)暴潮歷史上對長江江陰以下水位影響較大，需進一步深入研究；另外沿程支流入?yún)R對入江口上下游的影響程度也需加強研究；最后，長江中下游河道治理等規(guī)劃工程實施對洪潮水位的影響要考慮整體效應(yīng)。為此，本研究在96年大水、98年大洪水、“9711”風(fēng)暴潮等實測資料分析的基礎(chǔ)上，采用實測以及典型組合條件相結(jié)合的方式對沿程洪潮水位的影響進行計算分析。計算的工程邊界條件考慮航道整治工程、河勢控制工程、沿程碼頭工程以及長江中下游河道治理規(guī)劃工程等，計算工況見表1。計算研究主要包括不同地形條件下沿程水位變化、2012年地形條件下風(fēng)暴潮增減水對沿程水位影響、2012年地形條件下支流匯入對沿程水位影響范圍及幅度、2012年地形以及2012年+長江中下游河道治理規(guī)劃整治工程實施后沿程水位變化四個方面的研究。

1)不同地形條件下沿程水位變化研究

A: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型；

B: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海風(fēng)暴潮。

2)2012年地形條件下風(fēng)暴潮增減水對沿程水位影響研究

C: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

D: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

E: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型；

F: 上游96年大水流量(68 000 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型+支流匯入。

3)2012年地形條件下支流匯入對沿程水位影響范圍及幅度研究

E: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+水陽江、青弋江支流入?yún)R(3 000 m3/s)；

F: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+淮河支流入?yún)R(7 000 m3/s、10 000 m3/s、12 000 m3/s、15 000 m3/s)；

G: 上游98大洪水流量(82 300m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+青弋江、水陽江支流入?yún)R(3 000 m3/s)+淮河支流入?yún)R(7 000 m3/s、10 000 m3/s、12 000 m3/s、15 000 m3/s)。

4)2012年地形以及2012年+長江中下游河道治理規(guī)劃整治工程實施后沿程水位變化研究

A: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型；

B: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海風(fēng)暴潮；

D: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

I: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型+支流匯入；

J: 上游96年大水流量(68 000 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型。

表1 計算工況表

3 沿江洪潮設(shè)計水位變化分析

3.1 河床沖淤變化影響

利用1998年和2012年實測地形對河床沖淤進行比較分析，鎮(zhèn)揚河段、揚中河段以及江陰以下河段平均水位下的沖淤量見表2。1998-2012年各河段平均水位下的河床總體呈現(xiàn)沖刷趨勢，河槽容積有所增加。

采用98大洪水流量、97風(fēng)暴潮潮型以及1998年地形、2012年地形進行計算，分析不同地形以及工情等變化對沿程潮位的影響。沿江工程建設(shè)使得沿程阻力增加、局部河道斷面減小，引起高低潮位的增加；而三峽蓄水、含沙量大幅減小，河道總體沖刷趨勢使得沿程高低潮位有所降低。新的水沙、新的工情條件下長江江蘇段沿程主要站點水位過程比較以及高潮位變化見圖4和圖5。研究表明，兩種地形條件下沿程潮波沒有發(fā)生明顯變形，高低水位變化較小，其變化幅度一般在0.05～0.10 m。說明相同水文條件下，1998年、2012年不同地形下沿程水位的變化總體較小，但局部工程附近仍存在較大變化。

表2 各河段沖淤量統(tǒng)計(平均水位以下)

圖4 2012年與1998年地形下沿程高水位變化(98大洪水)

圖5 2012年與1998年地形下沿程高水位變化(97風(fēng)暴潮)

3.2 風(fēng)暴潮增水影響

采用大通不同流量分別與“9711”外海風(fēng)暴潮潮型和“9711”外海天文大潮組合計算，對比分析外風(fēng)暴潮增水對沿程水位的影響(圖6)。

圖6 不同流量下沿程增減水變化

研究表明，沿程增水幅度與上游徑流、外海潮汐以及風(fēng)暴潮等密切相關(guān)，南京及其以上河段主要受徑流影響，南京至江陰段則是徑流、外海潮汐、風(fēng)暴潮三者的共同作用，江陰以下主要受外海潮汐及風(fēng)暴潮的影響。97風(fēng)暴潮發(fā)生時段正值外海風(fēng)暴潮、天文大潮“兩碰頭”，上游流量(45 500 m3/s)相對較小，風(fēng)暴潮增減水對南京以下河段影響均較大，其中天生港附近增水幅度最大。其中南京附近增水約0.61 m，鎮(zhèn)江附近增水約1.12 m，三江營附近增水約1.24 m，江陰附近增水約1.45 m，天生港附近增水最大，增幅約1.65 m，徐六涇附近增水約1.45 m，吳淞口附近約1.22 m。上游大徑流(68 000 m3/s和82 300 m3/s)+外海“9711”風(fēng)暴潮組合屬于上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”的特殊情況，隨著上游大徑流下泄、外海風(fēng)暴潮頂托作用更趨明顯，最大增水出現(xiàn)在江陰附近。

3.3 支流入?yún)R影響

水陽江、青弋江入?yún)R(Q=3 000 m3/s)條件下沿程高潮位變化見圖7。沿程高潮位略有抬升，越往下游影響越小，其中南京下關(guān)附近高潮位抬升約0.15 m，鎮(zhèn)江高潮位抬升約0.11 m，三江營高潮位抬升約0.08 m，江陰高潮位抬升約0.04 m，天生港高潮位抬升約0.02 m，吳淞口附近基本無變化。

淮河入江水道單獨入?yún)R不同流量下沿程高潮位變化見圖8。沿程高潮位略有抬升，其中三江營附近抬升最大，為0.26～0.50 m，南京下關(guān)附近高潮位抬升0.15～0.29 m，鎮(zhèn)江高潮位抬升0.21～0.42 m，江陰高潮位抬升0.17～0.35 m，天生港高潮位抬升0.11～0.24 m，吳淞口高潮位抬升0.03～0.10 m。

青弋江、水陽江、淮河三者同時入?yún)R條件下，長江江蘇段沿程高潮位變化見圖9。江陰以上各站高位均有所抬升，但小于兩者單獨入?yún)R的累加值；江陰以下與淮河單獨入?yún)R下沿程高潮位的抬升值基本一致，變化幅度較小。

圖7 水陽江、青弋江入?yún)R時沿程高潮位變化

圖8 淮河入江水道單獨入?yún)R時沿程高潮位變化

圖9 三河同時入?yún)R時沿程高潮位變化

3.4 規(guī)劃工程實施影響

在現(xiàn)狀工程邊界條件計算的基礎(chǔ)上考慮規(guī)劃工程實施對沿程潮位的影響。98大洪水、97風(fēng)暴潮、上游98大洪水流量+下游“9711”風(fēng)暴潮潮型以及上游96年大水流量+下游“9711”風(fēng)暴潮潮型條件下規(guī)劃工程實施前后沿程高低潮位變化見圖10。

圖10 不同水文條件下沿程高低潮位變化

規(guī)劃工程的實施對長江江蘇段的沿程高、低水位有一定的影響，低潮位變化幅度相對高潮位要大。就高潮變化而言，98大洪水條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰附近增幅約0.03 m，天生港附近增幅約0.05 m，白茆河口附近增幅約0.10 m，吳淞口附近增幅約0.03 m。98大洪水+“9711”風(fēng)暴潮組合條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營附近增幅約0.04 m，江陰附近增幅約0.05 m，天生港附近增幅約0.09 m，白茆河口附近增幅約0.14 m。96大洪水+“9711”風(fēng)暴潮組合條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰附近增幅約0.04 m，天生港附近增幅約0.09 m，白茆河口附近增幅約0.11 m。

3.5 不同水文條件下沿程洪潮水位與現(xiàn)有設(shè)計水位對比分析

為了分析現(xiàn)狀地形不同水文條件下的沿程水位變化，選取工況C、F以及J等來進行研究，分析現(xiàn)狀條件下洪潮水位的變化，水位變化見表3。

計算研究表明，現(xiàn)狀地形“98大洪水”條件南京水位為10.52 m；96年大水加“9711”風(fēng)暴潮潮型條件下，鎮(zhèn)江、三江營水位為8.90 m、8.41 m；97風(fēng)暴潮條件下，江陰、天生港以及吳淞口水位為7.29 m、7.11 m以及6.26 m。對比長江江蘇段現(xiàn)行的洪潮設(shè)計水位(蘇水計〔1997〕210號)，各條件下南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰、天生港以及吳淞口等主要站點水位均沒有超過洪潮設(shè)計水位。根據(jù)研究成果，江蘇省水利廳印發(fā)了《江蘇省長江堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作指導(dǎo)意見》(蘇水計〔2015〕20號)，作為當(dāng)前長江江蘇段堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作的依據(jù)。

表3 不同工況下沿程高潮位與現(xiàn)狀設(shè)計水位比較(無臺風(fēng)，單位：m)

Tab.3 Comparison between the high tide level and the current design water level under different working conditions(ignoring the effect of typhoon, unit: m)

地名長流規(guī)水位無臺風(fēng)有臺風(fēng)1997年210號文98大洪水條件96年大水條件+“9711”風(fēng)暴潮潮型條件97風(fēng)暴潮條件南京10.6011.1011.0710.529.988.62鎮(zhèn)江8.859.509.248.888.998.08三江營8.35/8.438.378.417.71江陰7.258.047.566.827.127.29天生港6.73/7.186.256.717.11吳淞口6.016.546.415.145.686.26

5 結(jié) 語

1)在不同河床地形和工情條件下，沿江工程建設(shè)使得沿程阻力增加、局部河道斷面減小，引起局部高低潮位的增加；三峽蓄水、含沙量大幅減小，河道總體成沖刷趨勢，河槽容積有所增加。沿程水位總體變化較小。

2)“9711”風(fēng)暴潮發(fā)生時段上游流量相對較小，外海風(fēng)暴潮、天文大潮“兩碰頭”，風(fēng)暴潮增減水對南京以下河段影響均較大，其中天生港附近增水幅度最大，增幅約1.65 m。上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”的特殊情況下，隨著上游大徑流下泄、外海風(fēng)暴潮頂托作用更趨明顯，最大增水出現(xiàn)在江陰附近。

3)水陽江、青弋江和淮河支流入?yún)R會抬升沿程高潮位，沿程最高潮位抬升不超過0.5 m。

4)長江規(guī)劃工程實施后對沿程高、低水位產(chǎn)生一定的影響，低潮位變化幅度相對高潮位要大。最大增幅發(fā)生上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”時，白茆河口附近增幅約0.14 m。

5)根據(jù)研究主要成果形成的《江蘇省長江堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作指導(dǎo)意見》已經(jīng)印發(fā)，作為當(dāng)前長江江蘇段堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作的依據(jù)。