長江南京河段新濟洲水源地防洪技術方案研究

曹 雙，曾 瑞，劉 沛，蔡 磊

(長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

長江下游干流河道為沖積平原河流，由于下游河道坡度較緩，河寬較上游水道展寬，南京河段兩岸江堤間河寬最大達到5～10 km(新濟洲、八卦洲)，水流從上游挾帶而來的大量泥沙因水流流速減緩而沉積，在下游干流河道內形成了大量的洲灘[1-2]。這些洲灘不僅是長江河道的組成部分，也是極其寶貴的土地資源，南京市為經濟發達區域，優質土地資源稀缺，依法、科學、適度、安全地利用洲灘資源具有重要的經濟效益和社會效益[3-4]。

馬建華[5]在其相關研究中認為：長江下游洲灘利用存在管理缺位、開發無序、堤基薄弱、防災減災體系缺失等問題，并提出了“人與水和諧相處”“以人為本”的指導思想，同時還提出了分段控制與類別劃分，可以將洲灘利用分為幾個類別：① 恢復河道行洪能力的洲灘，② 小水行蓄洪的洲灘，③ 小水保、大水行蓄洪的洲灘。

陳肅利等[6]在相關研究中認為：在保障防洪安全的前提下，可以合理有序地開發利用長江中下游干流河道洲灘資源，并提出了洲灘分段控制、分類管理的思路；同時介紹了分類管理原則和洲灘規劃開發利用的具體標準與方式。

周建春[7]在相關研究中給出了洲灘利用和管理方面的建議，主要包括：堅持人水和諧的利用理念、堅持實事求是的科學態度、落實分類指導的規劃原則、編制科學合理的利用規劃、完善洲灘安全的工程措施、加強開發利用的監督管理。

上述研究人員分別從行政決策、基層管理、規劃設計的角度出發得到了較一致的觀點：長江下游洲灘可以利用，但是要落實分段控制、分類管理使用的思路，并加強審批和監管。本文以新濟洲水源地為例，主要從技術角度充分研究新濟洲水源地行蓄洪能力、推薦防洪標準以及制定防洪技術方案。

1 基本情況

1.1 項目概況

隨著南京市江寧區的飛速發展，需水量日益增長，而目前江寧區未建設應急備用水源供水工程，因此難以有效應對突發原水污染事件、保障供水安全。

受陸域用地限制，南京市江寧區選擇新濟洲作為應急水源地。對新濟洲鳳凰湖進行疏浚擴容，并將現狀渠道截斷，形成封閉水庫水源地，以利于水源地保護。水庫通過引水閘、排水閘與長江聯通，對水庫進行進水換水。通過輸水隧洞，采用“平戰結合”方式將水庫蓄水輸送至江寧水廠取水泵房前池。當長江發生水污染事件時，將關閉引水閘、排水閘，形成與長江隔絕的水源地，輸水泵站運行應急工況，為江寧區提供20萬m3/d的應急水量[8]。待污染物過境后，再回到平時工況。

1.2 河道概況

新濟洲汊道段起始端慈湖河口，為蘇皖兩省分界點，河寬為2.50 km，終端下三山河寬為1.85 km，干流長25 km。河道為順直分汊河型，中部河身寬闊，最寬處達4.60 km，河段內洲灘發育演變頻繁，水流分散，從上而下分布著新生洲、新濟洲、子母洲和新潛洲(見圖1)。左岸有石跋河、駐馬河，右岸有慈湖河、銅井河、牧龍河注入長江，各河均為小河流，對長江流量影響很小。河段內河漫灘相對狹窄，新濟洲洲堤內洪水位下洲灘面積約5.8 km2，占長江河道庫容約2 200萬m3。

圖1 新濟洲供水工程位置示意Fig.1 Location of Xinjizhou water source site

1.3 堤防加固情況

(1) 江堤。長江右岸大堤(江寧主江堤)為2級堤防。2014年底，南京市江寧區長江干堤防洪能力提升工程實施完成后，堤頂總寬度為8 m，堤頂平均高程11.52 m。背水坡設4 m寬戧臺，堤后填塘固基，堤身采用多頭小直徑深層攪拌樁防滲處理。

(2) 洲堤。2017年對新濟洲洲堤進行了提升加固工程，主要內容包括堤防防滲灌漿、加高加固防浪墻、增設貼坡反濾體，以解決堤防滲漏及防洪安全問題。修復堤頂道路，以解決防汛道路不暢，道路標準低下的問題。加固后，堤頂平均高程為10.10 m，擋浪墻頂部平均高程10.90 m。文中出現的高程均為1985年國家高程基準。

1.4 新濟洲整治工程情況

2015年實施了新濟洲整治工程，內容包括：新生洲頭導流壩，壩根灘面采用雷諾石墊護灘，左右兩翼采用水下拋石護岸。封堵新生洲與新濟洲之間的中汊、減少河道分汊、壩體上游和下游端分別與新生洲洲堤和新濟洲洲堤連接，壩頂高程為8.00 m。通過實施新生洲右汊進口兩岸護岸工程、護底工程及洲頭魚嘴工程，遏制右汊進一步發展。通過實施新濟洲洲頭魚嘴工程、左右緣護岸工程及七壩護岸工程加固，適當改善了新潛洲右汊水域條件[9]。

2 近期洪水

2.1 新濟洲洪水成因

新濟州洪水成因一是流域持續性強降雨，二是上游來水[10-12]。上游來水主要包括武穴以上、鄱陽湖水系及區間來水。武穴以上流域面積約占大通以上面積的89.2%，武穴以上來水量占大通洪水徑流組成的70%～80%；鄱陽湖湖口以上集水面積占大通以上流域面積的9.3%，而逐月水量在大通來水組成中至少占12%以上，鄱陽湖五河來水是一個相當重要的組成部分；大通與南京之間的區域面積占大通以上流域面積的2%左右，主汛期的逐月來水量占全部來量的5%以上。

2.2 歷年洪水情況

受地理位置、降水特點和地形特征的共同影響，南京極易發生洪澇災害。據歷史資料統計，自西漢惠帝五年(公元前190年)至2010年的2 000多年間，南京共發生洪水災害283次，平均約8 a發生一次[13]。

1954年，在長江洪水和本地暴雨共同作用下，大通站最大洪峰流量為92 600 m3/s，南京站超警戒水位歷時長達115 d，全年洪水總量為13 590億m3，均為有水文記錄資料以來最大值；新濟洲洲堤等級較低、堤身薄弱，潰堤行洪。1983年和1991年，新濟洲洲堤雖發生散浸、滲漏等局部損毀情況，但整體未破堤行洪；1998年，雖有局部險情但未破堤行洪；2016年新濟洲洲堤未破堤行洪。

長江下游資料系列較長的測站有九江水文站、大通水文站、南京水文站，彭澤、安慶、蕪湖、馬鞍山、南京、鎮江、江陰潮(水)位站，距工程較近的有馬鞍山水位站及南京水位站，分別位于擬建過江管道斷面上游16.1 km及下游約33.9 km處，本次水文計算的資料依據站為南京水位站。通過建立馬鞍山水位站與南京水位站高低水資料的相關關系，將南京站各水位推算至擬建過江管道斷面[14]。圖2為長江下游部分水文(水位)站網示意圖。

圖2 長江下游部分水文(水位)站網示意Fig.2 Network of hydrological(water level)stations in the lower Yangtze River

2.3 實測洪水過程

考慮到大通站至工程段長江匯流區面積增加僅2.0%～3.0%，采用大通站實測水位、流量過程資料作為代表性分析(見表1)。通過分析1949年以來大通站實測的幾次典型洪水過程發現：1954年流域性大洪水、1998年流域性大洪水以及三峽工程運行以來的2016年洪水過程，可以用于支撐防洪預案研究。實例洪峰流量過程線如圖3所示。

表1 工程位置處歷史實測大洪水水位推算Tab.1 Projected historical flood level calculation at the project location

由實測數據分析可知：1954年，日平均流量大于85 400 m3/s的天數約為10 d，1998年及2016年的最大日平均洪峰流量未達到該值；從過程上看，流量、水位在峰值附近持續的時間逐次遞減，尤其是2016年洪水，水位消退尤其迅速，說明三峽工程的運用對削峰調洪作用明顯。另外，近期洪水過境時，新濟洲及新生洲都未破堤行洪，未影響到兩岸及上下游的防洪形勢。從三峽工程的削峰作用及兩岸堤防加固等級提高的角度考慮，若發生1954年型洪水，可以先發揮新濟洲蓄水調配功能再考慮破堤行洪。圖4為實例洪峰水位過程線。

圖3 實測洪峰流量過程線Fig.3 Measured flood peak flow process

圖4 實測洪峰水位過程線Fig.4 Measured flood peak water level process

3 行洪影響分析

為了分析水源地啟用對長江行洪的影響，本次計算模型選擇DHI公司旗下的MIKE21平面二維水流運動數學模型進行專門的研究。該模型采用三角網格，求解采用非結構網格中心網格有限體積法求解，其優點為計算速度較快，非結構網格可以擬合復雜地形。

3.1 計算方案

本模型主要用于研究新濟洲防洪、蓄洪、行洪時對工程河段及上下游的影響。工況1按照按1998年型洪水設計，設計流量為79 800 m3/s，設計水位為9.18 m；工況2～7按1954年型洪水設計，相應設計流量為85 400 m3/s[15]，設計水位為9.68 m。計算工況列于表2。

表2 計算工況說明

3.2 計算成果

為了研究新濟洲防洪、蓄洪、行洪對上下游的影響，在新生洲左汊和右汊、新濟洲左汊和右汊、新濟洲尾以及南京水文實驗站(大勝關)選取了6個對比點提取水位和流速進行對比分析，對比點位置如圖5所示。

圖5 模型對比點布置示意Fig.5 Model comparison point layout

(1) 同流量條件下新濟洲不行洪時的計算。在新生洲、新濟洲洲堤不拆不行洪的情況下，1998年型洪水(工況1)與1954年型洪水(工況2)的影響計算情況列于表3。

表3 工況1與工況2特征點水位流速統計

從表3可以看出，1954年型洪水各對比點水位比1998年型洪水升高了0.4～0.5 m左右，洲堤依然具有擋水能力，沒有漫堤過水，但是水位已經接近洲堤堤頂高程。對比點的流速增大0.1～0.2 m/s左右，增大了10%以內。

(2) 相同流量條件下拆洲堤行洪與不拆洲堤行洪計算。1954年型洪水條件下，新生洲、新濟洲拆堤行洪與不拆堤行洪的計算結果對比列于表4。

表4 工況2與工況3特征點水位流速統計

新生洲、新濟洲破堤，即洲堤高程全部降至6.0 m，洲灘最寬處斷面過水面積增大約6 000 m2，灘面流速在0.5 m/s左右，此處分流流量約為3 000 m3/s，占1954年型洪水流量的3.5%，可以在一定程度上緩解洪水壓力。由表4可以看出：新生洲、新濟洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速減小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同時新濟洲尾水位略有升高，流速略有減小，南京水文實驗站流速和水位沒有變化。

4 調蓄能力分析

洪峰過境時，考慮將新濟洲作為蓄洪區，在洲尾設置進洪口。可以將進洪口的地形視作寬頂堰處理，采用矩形直角寬頂堰的流量公式[16]計算過堤流量：

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數，m=0.35；b為堰寬，即進洪口寬度，m；g為重力加速度，m/s2；P為堰高，m；H為水頭差，m，由于洲尾行進流速為順堤防方向，垂直堤防方向流速為0，因此H僅為水位差。隨著新濟洲堤防內水位上漲，流量逐漸減小，根據水力學公式計算蓄水時間，計算得到不同進洪口寬度下的流量與新濟洲蓄滿時間列于表5。洲尾開口15 m時，蓄滿時間需要80.3 h;開口30 m時蓄滿時間需要40.2 h。在新濟洲上、下游同時開口行洪(見圖7)時各特征點水位流速變化情況列于表6。

圖6 1954年型洪水破堤與不破堤行洪流場對比示意Fig.6 Flood current field comparison of 1954 type flood breaking and unbreaking

表5 最大流量與蓄滿時間

圖7 行洪出入口位置示意Fig.7 Entrance and exit of the flood

由表6可以得出：當洲頭、洲尾開口15 m時，與新濟洲不行洪變化不大，水位降低僅0.001 m左右，流速減小僅0.02 m/s左右。隨著開口增大，水位下降值增大，流速減小值也增大，洲頭、洲尾開口60 m時水位降低最大值為0.008 m，流速減小最大值為0.10 m/s。新濟洲尾水位、流速變化很小，南京水文實驗站水位、流速不變。

表6 工況2，4，5，6，7特征點水位流速

5 防洪技術方案擬定

5.1 綜合分析

(1) 長江水利委員會水文局編撰的專著《1954年長江的洪水》中，“根據頻率計算的結果宜昌、漢口、大通等主要控制站汛期總量均相當于100 a一遇，日平均最大流量大通為167 a一遇”；三峽工程建成后，考慮到其調配、削峰作用，1954型流域性大洪水暴發的頻率相比較要降低。

(2) 根據數模計算結果新濟洲洲堤全部破除行洪對緩解兩岸行洪壓力并不顯著：新生洲、新濟洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速減小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同時新濟洲尾水位略有升高，流速略有減小，南京水文實驗站流速和水位沒有變化。

(3) 兩岸江堤經過達標建設和加固平臺，防洪能力比20世紀有顯了著提升。

(4) 1998年和2016年新濟洲未破堤行洪，未對本河段行洪、防洪安全造成較大影響。

(5) 洪水位情況下，新濟洲有2 200萬m3的槽蓄量。

基于以上5點考慮，將新濟洲作為蓄洪區調配，口門寬度考慮15～60 m(矩形截面)4種方案下洲堤內灌滿洪水時間為20.1～80.3 h。根據長江中下游相關類似工程經驗(天興洲民垸)，在新濟洲尾部右緣及新濟洲洲頭左緣各設置一寬30 m的進出洪口，對于啟用概率低的分洪口，一般不考慮建閘，后期管理運用較為復雜，因此推薦采用臨時扒口裹頭式的分洪口，裹護工程設計以防止堤頭繼續沖潰坍塌為原則，滿足洪水沖刷要求。

5.2 防洪技術方案

(1) 1998年洪水重現期超過20 a(約30 a)[17]，2016年洪水重現期在5～10 a之間[18]，雖新濟洲未破堤行洪，但從安全角度考慮[19]，建議確定20 a一遇以下洪水時，新濟洲水源地正常啟用；如發生20 a一遇以上甚至1998型流域大洪水時，應及時關注水文情勢及兩岸江堤防洪壓力，接受防汛部門指導，做好啟用分洪口的準備。

(2) 如長江發生1998型和1954型流域性大洪水時，根據防汛部門的指令擇機啟用分洪口分洪，先扒開新濟洲下游出洪口進洪蓄水，若未待新濟洲堤內灌滿，洪水已經消落，則上游進洪口不開，尾門已注入洪水自流排出后再啟用水源地蓄水工程。

(3) 如新濟洲上洪水蓄滿，長江洪水仍維持在1954型洪水及以上，則扒開上游進洪口，上下游進出洪口全開，形成分洪道；綜合考慮1954年85 400 m3/s以上洪峰持續時間約10 d以及目前兩岸江堤等級較高的因素，加上蓄滿洪水時間接近2 d，因此分洪時間暫定3 d。

(4) 如上下分洪口全開3 d后，長江洪水流量仍維持在85 400 m3/s及以上，則將新濟洲洲堤全部破除，全面過洪。前期蓄水加上開口行洪，擬定新濟洲洲堤抵御1954年型洪水5 d(按照實測洪峰流量一半時間折算)。

(5) 被動行蓄洪時水源地停用，輸水管道兩端設置的閘門關閉，防止江水順管道流入南岸江堤內，造成水淹；設計施工時將工作井地面出口高程設置在防洪設計水位9.68 m以上0.5 m，并實施地基加固，退水后，水源地工程經過修復能快速再次啟用。

(6) 根據SL 252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》要求，承擔縣市級及以上城市主要供水任務的供水工程永久性水工建筑物級別不宜低于3級。新濟洲水源地規劃設計工程等別為Ⅲ等，主要建筑物如蓄水池工程、泵站、水閘工程級別為3級(防洪標準重現期20～30 a)，次要建筑物級別為4級(防洪標準重現期10～20 a)，與防洪技術方案一致。

6 結 論

(1) 長江下游利用洲灘建設水源地民生工程是從長江下游水文情勢、防洪形勢出發，通過制定合理的防洪方案，落實“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”的體現，也是加強水資源宏觀調配，促進人水和諧的具體實施。

(2) 工程段位于長江下游河道較寬河段，斷面過水面積較大，兩岸堤防等級高，從分段控制利用、分類管理角度出發，新濟洲水源地在一定防洪標準下作為“小水保、大水行蓄洪的洲灘利用”，符合“不礙洪、穩河勢、保民生、促發展”的整體要求，同時為區域民生工程建設提供了支撐。

(3) 雖然1998年新濟洲未破堤行洪，但從偏安全角度考量，將新濟洲水源地防洪標準定為20 a一遇是合適的。通過本文論證的方案進行調配，充分利用了新濟洲洲灘的滯洪、分洪、行洪功能，解決了水源地運用與長江防洪的矛盾，提高了洲灘使用效率，使其更好為人類造福。

(4) 根據本研究的分析結果，提出以下建議：工程建設前，應充分論證、編制詳細的防洪預案并報防汛主管部門審查，接受指導并對指令做出快速反應；規劃建設過程中，必須嚴格履行水行政許可手續，批準后方可實施。