濱江地區通江口門規模對區域防洪影響的研究

宋凱璇，畢忠飛，尹文昊，馬 琴，劉 俊

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

0 引 言

在全球氣候變化大背景下，我國經濟飛速發展，城區的下墊面結構隨之急劇變化。在城市建設過程中容易忽視防洪排澇系統的建設[1]，從而導致洪澇災害的頻繁發生。濱江地區因其優越的地理位置及社會環境，經濟發展形勢大好；但目前相應的城市防洪工程建設步伐還稍顯滯后，局部澇水等情況時有發生。許多濱江城市原有的防洪工程標準偏低，在遭遇極端天氣時，容易發生各種不同程度洪澇災害[2]。其中，一個重要原因是通江口門規模與區域防洪需求不匹配，在遭遇較大暴雨時，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，導致部分河道行洪困難；同時，外江潮位對內河水位產生頂托作用，增大了區域防洪排澇的壓力。因此，濱江地區應科學地布設通江口門及相應的防洪工程，以滿足區域防洪的需求，確保區域防洪安全。對此，諸多學者也進行了相關研究，王鈞等[3]通過建立濱海感潮河網湖泊地區水文模型，確定了遼東灣新區排澇閘門的規模和上游控制水位；李樹軍等[4]通過大量的水利計算和分析研究，確定了漢書閘的重建規模，提高了當地的防洪標準。本文利用數值模擬的方法構建研究區域水文水動力耦合模型，分析通江口門規模、泵站調度方式等對區域防洪的影響，進而合理確定研究區域通江口門的規模及其他防洪工程的布局、調度方式，使防洪效益最大化，提高區域的防洪排澇能力。

1 研究區域概況

本次研究區域選取張家港市朝東圩港以西、長江以南、東橫河以北的區域，張家港市位于長江下游南岸，屬長江流域太湖水系，北部長江水域寬闊，境內降雨充沛，區域內水系發達，河網相互交織、貫通，水文條件復雜[5]，屬于典型的平原感潮河網城市。為便于后續分析，以太字圩港為界將研究區域劃分為西部片區及中部片區兩個片區，研究區域水系圖見圖1。

圖1 研究區域水系

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，是該區域主要的排水通道。因此，本研究主要對太字圩港及其周邊閘站的規模進行分析論證。結果是太字圩港現狀通江節制閘凈寬僅為12 m，工程設計標準較低，很難滿足區域防洪排澇要求；而隨著氣候變化及城市化進程的推進，張家港市發生洪澇災害的頻率在不斷增加，受洪澇災害的影響也逐漸加大。因此，需充分考慮研究區域當地暴雨、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模以及泵站的調度方式，進而提高張家港市區域防洪能力。

2 模型構建

張家港市水系發達、水文條件復雜、降水豐沛，與周邊地區水體交互密切；區域經濟發達、人口集中，河網水系受人類活動影響較大。湖泊數量多，面積較大，功能多樣化；區內建有圩區，圩內河流與圩外河流主要通過閘泵隔離[6]。綜合考慮研究區域水文水力特性，選擇MIKE 11模型構建區域水文水動力耦合模型。

2.1 河網概化

張家港位于平原河網地區，河道縱橫交錯，整體呈現出環形水系的特點[7]，區域內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水系中。因此河道概化的基本原則為：主要概化研究區域內主要，基本反映天然河網的水力特性，重點概化研究區域內的通江口門。模型概化示意見圖2。

圖2 河網概化示意

由于研究區域北部為長江，長江潮位對通江河道排水能力以及區域防洪安全有著重要影響，因此，為了正確的分析研究區域通江口門及泵站規模對區域防洪的影響，合理確定防洪工程的規模布局，需合理的設置邊界潮位過程。據此，在分析研究區域通江口門往年實測潮位資料的基礎上，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潮位過程，作為模型的下游邊界條件：首先選取幾次實測漲潮(落潮)過程，據此推求該研究區域無因次漲潮(落潮)單位線；根據待求站點與上述三個有實測潮位資料的站點的距離，內插出各站高低潮位；最后，根據各站高低潮位、潮時，利用所得的無因次單位線推算漲落潮過程中整點時刻的潮位[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、潮位經歸一化處理后的數據，0≤x≤1，0≤y≤1，均無量綱。

2.2 模型率定與驗證

為了使模型盡可能地反映出研究區域水文水動力情況，對模型中相關參數進行調整和修正，選取研究區域2017年6月30日至7月6日的一場降雨，通過模型計算得到定波閘和十一圩港閘的水位過程；并與同時段實測水位過程進行比較，從而確定模型參數是否合理。率定結果見圖3。

圖3 模型率定結果

由圖3可知看出，兩站點水位過程的模擬值與實測值的擬合程度較好。為進一步定量地確定模擬值與實測值之間的擬合程度，引進納什效率系數來評價模擬值與實測值的擬合程度，納什效率系數計算公式為

(2)

為了確定率定后調整的參數是否準確，再選取定波閘和十一圩港閘2016年8月14日至20日實測水位資料對調整后的模型參數進行驗證，驗證結果見圖4。

圖4 模型驗證結果

計算結果表明，不同站點水位過程的計算值與實測值吻合較好，峰值較為接近，根據式(2)，定波閘水位驗證曲線的納什系數NSE為0.93，十一圩港水位驗證曲線的納什系數NSE為0.96。率定與驗證的結果表明，模型參數設置合理，模型計算結果較為可信。

3 防洪影響分析

3.1 推求設計暴雨

選用楊舍站35年(1981年～2015年)的降雨系列，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線進行頻率分析計算[10]。不同歷時點雨量頻率分布參數及設計暴雨計算結果見表1。

表1 點雨量頻率分布參數及設計點雨量成果

由當地暴雨圖集查得點面折算系數見表2。根據計算得到50年一遇、100年一遇最大24 h設計面雨量分別為196.2、217.3 mm。

表2 設計雨量點面折算系數α

設計暴雨的時間分配采用同頻率放大法[11]。典型暴雨的選擇對結果合理性至關重要，對張家港市歷史洪澇資料的分析表明，1991年的一場暴雨雨量大、強度高、雨型惡劣，工程條件極為不利，具有較強的代表性[12]。因此，采用1991年最大24 h逐時雨量作為典型暴雨過程進行設計雨量的時程分配，進行同頻率縮放，得出設計暴雨過程。不同重現期下設計暴雨過程見圖5。

圖5 不同重現期24 h設計暴雨過程

3.2 方案設置

現狀工程布置條件下，張家港市實行分片排水，主要排洪通道有十字港、天生港、太字圩港等；中部片區是張家港市的政治經濟中心，近年來因排洪通道不暢，局部澇水等情況時有發生。為了提高該片區防洪排澇水平，確保區域防洪安全，在方案設置中考慮打通太字圩港、十字港位于南橫套河南側的南延河道，使中部片區洪水通過東橫河經由西部片區經沿江天生港閘、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地區，當長江達到高潮位時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，設計沿江排水泵站的建設規模，并考慮泵站排水能力不同分配的影響。具體方案設置見表3。

表3 計算方案設置

(1)維持現狀(方案0)：保持現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狀(分別為12、5.5 m)，不新增排水泵站。方案可與現狀對比分析，論證加強水系連通性對提高河道排澇水平的作用。

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

(4)連通水系配合擴建閘門及新增排水泵站(方案III)：連通南延河道，同時擴建太字圩港閘，擴建規模為26、28、30 m；并且新增排水泵站(設計范圍為30～50 m3/s)。針對平原感潮河網地區地勢平坦、水面平緩、流速較慢的特性，工程經驗做法是通過增設泵站，人為提升區域河道的水動力條件[2]。在方案II的基礎上，分別增設多種不同規模的泵站，分析不同泵站規模下部分河道的斷面最高水位。該方案可與方案II對比分析，論證新增泵站建設必要性，同時可探究使河道提高排澇水平的泵站規模。方案具體布設見圖6。

圖6 方案布設

3.3 不同方案計算成果

(1)方案0(現狀)。保持現有的水系現狀及工程布置，計算得到兩片區遭遇50年一遇、100年一遇降雨時的最高水位，見表4。

表4 現狀條件下片區最高水位 m

表5 方案I計算成果 m

表6 方案II計算成果 m

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

與現狀情況相比，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，中部片區最高水位下降0.20 m，最高水位在5.14 m左右；西部片區最高水位上升0.02 m，西部片最高水位在4.96 m左右。中部片區洪水通過東橫河經由西部片區排出，對中部片區洪水最高水位有明顯的降低效果，但會增大西部片區的防洪壓力。

(3)方案Ⅱ(連通水系配合擴建閘門)。由方案Ⅰ得知，連通南延河道對中部片區洪水最高水位有明顯的降低效果，但使西部片區的洪水最高水位明顯升高。對此，方案Ⅱ在方案Ⅰ的基礎上，通過擴建太字圩港及天生港閘門規模來加強太字圩港、天生港及周邊河道排除西部片區洪水的能力，具體包括4種方案：方案2～4將太字圩港閘由原有的12 m分別擴建至26、28、30 m；方案5將太字圩港閘由12 m擴建至26 m的同時，擴建天生港閘至16 m。模擬得到在遭遇50年一遇、100年一遇的降雨時兩片區的最高水位，見表6。由表6可知，方案II-2在連通南延河道、擴建太字圩港閘至26 m時對中部片區洪水最高水位有明顯的降低效果，而擴建至28、30 m或者擴建天生港閘至16 m，均無水位降低效果；因此，建議太字圩港閘擴建至26 m，天生港維持原規模。而西部片區的最高水位仍然偏高，因此仍需增加西部片區的排水能力。

(4)方案Ⅲ(連通水系配合擴建閘及新增泵站)。由方案II-2～5得知，連通南延河道、擴建太字圩港閘至26 m，對中部片區洪水最高水位有明顯的降低效果，而西部片區的最高水位仍然偏高，需增加西部片區的排水能力。對此，方案Ⅲ在方案II的基礎上，新增太字圩港、天生港泵站，論證規模在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，相應的計算成果見表7。

表7 方案III計算成果 m

計算結果表明，方案III- 6在水系連通、閘門擴建的基礎上新增排水泵站規模30 m3/s(太字圩港泵站20 m3/s、天生港泵站10 m3/s)可使西部片區遭遇100年一遇降雨時最高水位下降0.04 m，中部片區最高水位下降0.29 m；方案7～11新增排水泵站規模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，可使西部片區遭遇100年一遇降雨時片區最高水位下降0.05～0.11 m，中部片區最高水位下降0.31～0.34 m，且排水能力在天生港、太字圩港的不同分配對最高水位的降低效果無太大影響。各方案下中部片區及西部片區最高水位變化情況見圖7。

圖7 不同方案下各片區最高水位變化

綜上所述，方案I通過進行水系調整，連通南橫套河南側的太字圩港、十字港南延河道，使中部片區洪水經東橫河由西部片區排出，可在一定程度上降低中部片區遭遇不同重現期降雨時的最高水位，減輕該片區的洪澇風險；但這會增加西部片區的防洪壓力，需進一步加大西部片區排水能力，以減輕中部片區排水方向調整帶來的防洪壓力。方案II、III在方案I的基礎上，通過調整太字圩港、天生港閘站規模及新增泵站的調度方式，分析計算通江口門的規模及泵站調度方式對區域防洪的影響，確定擴建太字圩港閘至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在遭遇不同重現期降雨時的最高水位，減輕區域防洪的壓力。

4 結 論

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

(2)分析了張家港市自然地理、河網水系和相關水利工程情況，基于MIKE 11的原理和功能構建區域水文水動力耦合模型。選取計算范圍內的實測水位數據進行率定和驗證。結果顯示，模型計算水位與實測水位的變化趨勢基本一致，峰值較為接近，且納什效率系數NSE分別為0.83、0.84和0.93、0.96。這說明模型計算結果較為可信。

(3)通過設置不同方案，計算在不同方案下，研究區域遭遇50年一遇、100年一遇降雨時片區最高水位。計算結果表明，連通太字圩港及十字港南延河道、將太字圩港閘寬擴大至26 m，并在太字圩港及天生港閘站處新建規模為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，確保區域防洪安全。