嘉兴地区联圩分级调度对圩区排涝及太浦河的影响分析

张 培，刘曙光，钟桂辉，章杭惠,2

(1.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；2.水利部太湖流域管理局， 上海 200434)

嘉兴地区属于太湖流域杭嘉湖水利分区，其中杭嘉湖东部平原地势平坦，泄水条件差，洪涝灾害频发。千百年来区内百姓就有修圩筑堤、围堰保家的历史[1]。杭嘉湖低洼地区多建设圩区工程，圩区建设是太湖流域平原河网地区的重要防洪排涝措施[2]。随着经济社会发展，流域各地实施联圩、并圩，圩区规模不断扩大，圩区防洪排涝标准不断提高，对区域及流域防洪均产生重要影响[3]。然而，圩区工程相应建设配套泵站水闸工程建筑物，这些工程的排涝能力以及调度情况也会受到圩外河道水位的影响。

其中比较突出的一个问题是“因洪致涝”，即太浦河承泄太湖洪水与嘉兴北部圩区排涝泄洪之间的相互影响与矛盾。这是由于太浦河在大量承泄太湖洪水时，特别是本区同时也受到强降雨影响的情况下，太湖水位过高会增大下游地区的防洪风险，区域需要承担本地降雨以及圩区排涝的同时还需要承泄一部分太湖洪水，因此，区域往往受到本地暴雨与外来洪水的叠加影响[4]，本区的排涝能力与太浦河水位、圩外骨干河道水位密切相关。

因此，本文希望通过调整、优化嘉兴地区圩区的工程调度方式来协调这一矛盾。通过实地调研与走访，了解到嘉兴地区在汛期特有的“联圩分级调度”，即：各个圩区平时按照本圩损失最小的方式调度，根据当地防涝排涝标准与调度原则控制水闸与泵站，但是在汛期当参考站点水位达到设定值时，开启联圩分级调度，即联圩内小圩区停机关闸，大联圩外围泵站开启进行排涝，以降低圩内主要河道的水位。

为分析“联圩分级调度”可能对太浦河、区域骨干河道以及圩区排涝等方面产生的影响，本文基于MIKE FLOOD对太浦河两翼地区建立一二维水动力耦合模型，模拟“联圩分级调度”工况，并对比分析分级调度对： ①圩外骨干河道水位、②圩区淹没情况、③太浦河水位这3个方面的影响，以期用于防汛指挥以及嘉兴地区防洪的实践。

1 太浦河两翼地区水动力耦合模型

1.1 研究区域概况

太浦河两翼地区以太浦河为中心，太浦河以北的淀泖区位于太湖流域东部，面积为2 393 km2，地形以平原为主，属流水地貌型，区域地势低平，地形呈西北高、东南低，沿江高、腹部低，在一个大的碟形盆地中又分布着许多小片碟形盆地，地貌形态较为复杂，区域内大部分地区低于防汛警戒水位，是太湖流域三大洼地之一，也是流域内水面率最大的地区之一[5]。太浦河以南的杭嘉湖区位于太湖流域东南部，区域北抵太湖及太浦河，东临浦西水利分区，南滨杭州湾及钱塘江，西靠东苔溪导流，总面积为7 436 km2。本区主要水系是运河水系，主要包括北排入太浦河、东排入黄浦江、西接太湖的河道，是流域水面率最高的地区之一[6]。其中嘉北地区属于低洼重涝地区，包括桐乡的西北部、南湖区部分、秀洲区大部和嘉善的北部，总面积约1 200 km2，该区域河荡交错，地势低洼，极易遭受洪涝灾害。

根据本文研究区域范围和水文站点的分布情况，确定本文模型范围北抵吴淞江，南至古运河-嘉兴城区-嘉善塘一线以及浙-苏省际边界，西至太湖，东至上海市太南片与浦南西片，不包括苏州城区以及嘉兴城区。

1.2 数据收集与前处理

1.2.1 基础资料收集

基础地理资料主要包括淀泖区、杭嘉湖区的地形地貌、河流水系、行政区划、交通路网等。基础地理信息电子地图包括等高线、高程点、DEM数据、行政区划、居民点、道路交通、土地利用和河流水系等主要图层。模型需要的边界条件主要包括区域内部的雨量站、水位站以及流量站实测数据。

1.2.2 数据前处理

基础数据的前处理工作主要包括：地物提取，提取不同图层，包括水系图层、基础设施图层、土地利用图层等，高程的赋值，空间坐标系的统一。

1.3 模型搭建与率定验证

1.3.1 控制方程

本文计算分析采用水动力学法。分析模型拟采用丹麦DHI公司开发的MIKE软件。其中的MIKE11水动力模块、MIKE21水动力模块能单独建模，独立运行，又能无缝化耦合。本文采用的模块有MIKE11水动力模块、MIKE21水动力模块和MIKE FLOOD耦合模型。

其中一维河网非恒定流问题最后都归结为一维圣维南方程组的求解问题，圣维南方程组为模型的理论基础。它的基本假设有不可压缩、各向同质性，河床坡度小，水流被概化为一维系统(流速等均匀分布)，静水压力均匀分布和亚临界流。一维圣维南方程组可以表示成如式(1)：

(1)

式中：x为距离坐标；t为时间坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流量；n为河床糙率系数；R为水力半径；g为重力加速度。

在二维洪水模拟中，由于洪水波的影响范围广泛，其淹没影响范围(水平方向尺度)远大于淹没水深(垂直方向尺度)，水力参数在垂直方向的变化比水平方向的变化要小得多，而水压力分布也近似静水压强分布，即具有典型的二维浅水波特征，因此可用二维浅水方程来进行二维洪水数值模拟。MIKE21采用基于非结构网格有限体积法进行洪水数值模拟。

模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stockes方程，服从Bousinesq涡黏假定和静水压力假定蛙跳格式(Leap Frog)非结构网格、通过控制体积法求解连续方程和动量方程。图1是假设的连续性方程的控制体。

图1 连续性方程控制体示意图Fig.1 Sketch of control volume of continuity equation

MIKE FLOOD是一个耦合了一维和二维模块----MIKE11和MIKE21用于模拟洪水和风暴潮分析的模型系统，可以同时对河道一维动态流模拟和洪泛区二维动态流模拟。将河道和洪泛区通过侧向连接或标准连接实现河道与泛滥区之间洪水的传递。

模型采用侧向连接模拟降雨汇流和河道漫堤，侧向连接是指Mike 21中的一系列网格以旁侧的方式同Mike 11的部分或者整个河道相连。通过侧向连接的水流利用水工建筑物公式或者水位-流量关系来计算。

1.3.2 模型边界条件

模型的边界条件设置包括一维河网模型边界以及二维产汇流模型边界。

其中一维河网模型边界有水文水位站点：瓜泾口、洞庭西山(三)、苏州站、周巷站、赵屯站、黄渡站、青阳汇站、嘉兴站、嘉兴(杭)、桐乡站、崇德站、新市站；潮位站点：泖甸站、夏字圩站、米市渡站、泖港站、洙泾站、嘉善站；口门：苏申外港-吴淞江口门、斜塘河-吴淞江口门、青阳港-吴淞江口门、六里塘-胥浦塘口门、枫泾塘-嘉善塘口门；北排通道流量边界：横古塘-新桥港口门、白米塘-頔塘口门、横港-潘家塘口门以及澜溪塘-紫荇塘口门。

二维产汇流模型边界包括降雨边界条件与网格闭边界，降雨分布按照实测降雨值进行泰森多边形划分，并制作场文件作为降雨边界，降雨场文件示意图如图2；网格计算开闭边界设置中则考虑到每部分网格按照实际圩区进行剖分，通过一二维侧向连接的耦合模型进行水量交换，因此设置为闭边界，二维网格剖分如图3所示。

图2 二维模型降雨边界示意图Fig.2 Schematic diagram of the rainfall boundary of 2D model

图3 二维网格剖分与泰森多边形划分示意图Fig.3 Schematic diagram of 2D mesh subdivision and Tyson polygon division

1.3.3 河网、湖泊与水工建筑物概化

本文中的河网模型共概化河道933条，其中圩外河道418条(包括研究区域所有流域区域性骨干河道、重要跨县河道、重要县域河道和部分一般性河道)，圩内河道共计575条(段)。模型中计算水位点4 067个、计算流量点2 038个。

区域内水工建筑物众多，体现在模型中的可控水工建筑物包括泵站406个、水闸52个。

1.3.4 网格剖分与侧向连接

区域内共有圩区389个，将每个圩区单独进行网格剖分，共生成网格172 904个，平均网格面积0.04 km2，其中最大网格面积为0.096 km2。在二维模型中，地形、糙率与降雨等随空间变异的数据需要通过插值转换为场文件的形式输入。其中地形数据为DEM栅格文件中提取出的散点文件，其精度为50 m×50 m，满足插值所需的精度要求。本文共建立耦合侧向连接554条，其中所有圩区内部河道与二维地形网格进行侧向连接，建立侧向连接的河道可以与二维模型耦合发生水量交换。

1.3.5 模型率定与验证

模型中河道糙率值采用“太湖流域水文水动力模型”中河道的糙率值，该模型是由河海大学程文辉教授经过多年研究开发并不断修改完善的，其早期版本经过1984、1985年两年资料的率定，后在“太湖流域河网水质研究”课题中又经1987、1988年两年资料率定，以及1995、1996年两年资料验证，并经过多年的实践，该套模型能较好地拟合太湖流域河网水流情况，区域内骨干河道糙率值采用模型中的糙率值是较可靠的。具体糙率取值见表1。

模型率定选取2012年8月1日至8月31日内部测站的实测水位过程进行率定，测站位置见图4，率定结果对比图如图5。经过率定后，区域内河道糙率基本确定在0.022 5～0.03 5之间，选取2013年10月1日至10月15日降雨进行模型验证，各测站计算水位过程与实测水位变化趋势一致，数值吻合较好。如图6和图7所示。

2 圩区分级调度模拟

2.1 分级调度处理

2.1.1 联圩分级调度原理

“联圩分级调度”规则如图8所示，小圩区通过内部圩区二级泵站向小圩区圩外河道排水，当圩外河道水位达到某个特定值时，内部圩区泵站停机，开启联圩外围一级泵站，降低小圩区圩外河道水位，通过圩外骨干河道向太浦河排水。图8对联圩与小圩区之前的排涝关系说明。

表1 河道糙率值选取表Tab.1 Channel roughness value

图4 率定验证测站位置图Fig.4 Sketch location of station for validation and calibration

图5 铜锣站水位过程对比Fig.5 Water level comparison between measured/simulated value on Tong-luo station during 2012.8

图6 铜罗站水位过程对比图Fig.6 Water level comparison between measured/simulated value on Tong-luo

图7 金家坝站水位过程对比图Fig.7 Water level comparison between measured measured/simulated value on Jin-jiaba station

图8 联圩与小圩区泵站关系示意图Fig.8 Link between pumps in union-polder and sub-polder

2.1.2 水闸/泵站逻辑设计

小圩区的泵站与闸门设置在圩内河道与小圩区圩外河道的连接处，平时敞开保持圩内圩外水位相同，汛期关闭闸门，开启二级泵站进行抽排。大联圩的泵站设置在小圩区圩外河道与圩外骨干河道连接处，启用联圩分级调度之前，闸门敞开；开启联圩分级调度后，联圩则按照包围圈封闭，开启一级泵站进行抽排。

水闸/泵站逻辑示意如图9，在MIKE11中在一级泵站Pump前设置两个并联闸门，分别记做闸A，闸B。未开启联圩分级调度时关闭闸A，敞开闸B；开启分级调度之后，关闭闸B，将闸A按照参考水位站点进行逻辑判断，逻辑设置为：闸上水位大于等于设定水位时开启闸门A并进行抽排，一级泵站抽排能力由调研所得，各联圩外围一级泵站抽排能力均不相同；当闸上水位小于设定水位时关闭闸A，此时相当于采用普通调度方式。

图9 水闸/泵站逻辑示意图Fig.9 Sketch for logic of gates/pumps in union-polder

2.2 分级调度结果分析

根据《浙江省杭嘉湖圩区整治规划中期评估报告》，杭嘉湖圩区整治之后，一共统计出19处建设联圩(分别为：南旱、大舜、姚庄、西塘、王凝嘉善、王凝秀洲、王油、王新一期、王新二期、王新三期、杨庙、新光、虹桥、魏塘、干窑、明星、长春、洛东以及沈家桥圩)，其中排涝总流量超过40 m3/s的圩区共计4个，分别为：西塘联圩69.34 m3/s，王凝嘉善圩区91.8 m3/s，王凝秀洲圩区57.62 m3/s，沈家桥联圩48.72 m3/s。由于西塘联圩和王凝圩区总排涝动力较大，而且通过一级河道向太浦河排水，直接影响骨干河道水位以及太浦河水位。因此选取王凝嘉善、王凝秀洲和西塘联圩这3个联圩按照分级调度设置。联圩与骨干河道位置如图10所示。

本文选取这3个联圩进行分级调度模拟，选取2013年10月1日-10月15日的降雨条件进行对比模拟计算。对比考察①两个圩外骨干河道水位点：芦墟塘和红旗塘；②圩区淹没情况：王凝嘉善和王凝秀洲圩区的淹没水深大于0.05 m的网格面积；③太浦河水位：陶庄枢纽站这3个方面的影响。

图10 联圩与骨干河道位置示意图Fig.10 Sketch map of union-polder and primary riverway

王凝嘉善圩区按照嘉善站作为参考水位点，当嘉善站水位超过2.06 m时开启联圩分级调度，总排涝动力162 m3/s，内外河道水位相平时停机开闸；西塘联圩按照西塘站作为参考水位点，当西塘站水位超过2.06 m时开启联圩分级调度，总排涝动力68.78 m3/s，同样当内外河道水位相平时停机开闸。联圩内部小圩区调度均按照起/停排水位：1.70/1.40 m进行泵站抽排，排涝模数按照1.2 m3/(s·km2)设置。

2.2.1 圩外河道水位过程对比

由图11所示，可以发现2个圩外骨干河道水位过程线在普通调度期间缓慢抬升，在启用分级调度后上涨较快，洪峰值升高，洪峰位置相应前移，退水期拉长。在普通调度期间2个河道水位过程线基本平行，启用分级调度后，虽然芦墟塘水位较低，但是水位过程线上升速度更快，这是由于芦墟塘同时受到王凝圩区和西塘圩区排水的影响；红旗塘水位过程线上升速度更慢，这是由于西塘圩区总排涝动力68.78 m3/s，仅有王凝圩区总排涝动力的1/3。

图11 圩外骨干河道水位过程线对比图Fig.11 Comparison between common/classified irrigation scheduling of water level value on primary riverway during 2013.10.1-15

图12 陶庄枢纽水位过程线对比图Fig.12 Comparison between common/classified irrigation scheduling of water level value on Taozhuang station during 2013.10.1-15

由于启用分级调度后首先影响的就是圩外骨干河道水位，因此图11比图12的洪峰出现时间快，而且洪峰值大于陶庄枢纽水位的洪峰值。在普通调度方式下，小圩区即使排涝动力大也不能够及时向圩外排水，导致圩外河道水位升高不明显；然而在启用分级调度方式条件下，以联圩为主体全力向骨干河道排水，可以较快的达到洪峰值，并在较长的时间内退水，减轻圩区内部洪涝压力。因此本文认为，分级调度可以加快圩外骨干河道集水速度，可以减轻圩区洪涝压力。

2.2.2 圩区淹没情况对比

由图13所示，可以发现王凝圩区淹没情况得到较好的改善,0.05 m以上的淹没面积减小了26%。统计得，网格平均最大淹没水深由0.48 m降低至0.32 m。

图13 王凝圩区淹没情况对比图Fig.13 Comparison between common/classified irrigation scheduling of flood situation on Wangning Polder area

同样的降雨和边界条件下，由于启用分级调度之后，首先加快了小型圩外河道向区域骨干河道的排水，加快了小型圩外河道的退水过程，因此加快了小圩区内部河道的排涝，从而减少了淹没面积以及最大淹没水深。

2.2.3 太浦河水位过程对比

由图12所示，可以发现太浦河-陶庄枢纽水位过程线涨水期时间变长，洪峰位置相应后移，洪峰值升高0.03 m，浮动不大，洪峰过后的退水过程基本不变，曲线基本平行。

分析曲线变化原因，由于陶庄枢纽水位在降雨前期主要受到太浦闸调度影响，即当太湖水位不超过3.8 m时，太浦闸泄水按平望水位不超过3.45 m控制，因此平望水位前期涨水较慢，导致洪峰位置后移。启用联圩分级调度之后，王凝圩区和西塘联圩均开始通过骨干河道向太浦河排水。因此，分级调度可以增加太浦河嘉兴段水位抬升的时间，为太浦河承泄太湖洪水预留空间。

2.3 小 结

通过对联圩分级调度进行模拟，并将模拟结果与普通调度模拟下的结果相比较，可以发现：①对于圩外骨干河道，分级调度可以加快圩外骨干河道集水速度，可以减轻圩区洪涝压力；②对于圩区内部淹没，启用分级调度可以有效地减少淹没范围和最大淹没水深；③对于太浦河，分级调度可以增加太浦河嘉兴段水位抬升的时间，为太浦河承泄太湖洪水预留空间。采用分级调度方式可以为太浦河承泄太湖洪水提供预留空间，还可以有效减缓区域的防汛压力。

3 结 语

本文选用MIKE11对太浦河两翼地区的水系以及水工建筑物等建立了一维河网模型，选用MIKE21对太浦河两翼地区范围内所有圩区进行网格剖分并搭建二维模型，最后选用MIKE FLOOD模块，通过侧向连接将上述一二维模型进行耦合建立一二维水动力耦合模型，耦合模型经过率定、验证后，在对2012年8月和2013年10月的降雨过程模拟均将误差缩小在10 cm以内。因此，认为该模型可以用于进一步的研究。本文在此基础上，选取了3个典型大联圩模拟了“联圩分级调度”，通过比较水位过程线和淹没面积等结果，可以初步认为圩区分级调度对提高该地区防洪排涝能力显著。这一结论为嘉兴地区防洪规划以及圩区调度实践提供了一定的借鉴意义。

展望：本文考虑到小型联圩自身的排涝总流量较小，且包含小圩区个数较少，导致圩外河道和骨干河道的水位相差不大，在模拟中并不会对水位产生很大的影响。因此本文为了突出对比，选择大型联圩(总装机流量超过40 m3/s，一般包含8个以上小联圩)进行模拟。对于小圩区应用分级调度后的影响在下一步工作中可以进行更深入的探讨。

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参考文献：

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