圩区防洪调度研究——以江阴市马甲圩为例

缪岳军 ，邹明忠 ，张 丽 ，刘永刚 ，王淑兰 ，黄 斌

（1.江苏省江阴市月城水利农机管理服务站，214404，江阴；2.江苏省江阴市河道管理处，214400，江阴；3.宜水环境科技（上海）有限公司，200040，上海；4.江苏省江阴市长泾水利农机管理服务站，214411，江阴；5.江苏省江阴市江港堤闸管理处，214400，江阴；6.江苏省江阴市周庄水利农机管理服务站，214423，江阴）

江苏省江阴市地处长江三角洲太湖平原北端、苏锡常金三角的几何中心，洼地平原面积占总面积的25.3%，且大多处于正常河水位以下，绝大部分以圩区方式被开发利用，是当地重要的稻麦生产区、乡镇企业聚集区和农村居民生活区。圩区防洪问题一度成为江阴水利建设管理中最为薄弱的环节，一定程度上制约了圩区内经济社会的可持续发展。近年，为抵御洪涝灾害，江阴市实施防汛应急工程，大力加强排涝泵站工程建设，圩区排水能力显著提高。在大力开展水利建设的同时，水利信息化建设也同步推进，建成了集工情、水情、气象及水利农机信息化管理于一体的信息化综合业务管理平台。因此，江阴市在防洪排涝工作上具备了很好的工程基础与信息化基础。但在实际管理与运行中也存在一些问题：一是圩区泵站调度存在一定的主观性，泵站开、停控制依靠防汛人员的经验结合当地内涝情况进行；二是未充分利用在线水位监测数据对泵站进行调度控制；三是缺乏调度运行的科学方案体系。因此，迫切需要选取典型圩区对排涝调度进行详细研究，制定调度策略，优化调度运行规则，发挥排涝泵站效率以及提高调度决策的科学性。

江阴市共有大小圩区96个，其中万亩圩区8个（含3个面积接近万亩的联合圩）、千亩圩区53个。本研究选取江阴南部万亩圩区马甲圩作为典型圩区进行河网精细化模型研究，分析降雨、河道初始水位、泵站规模等关键要素组合条件下圩区汛情，综合研究圩区调度方案，结合圩区实时监测水位信息，科学制定防汛部署和调度决策。

一、区域概况

马甲圩位于江阴市月城镇西部，地势平坦，河网密布，气候湿润。圩区内部水系星罗棋布，现状水面率35%。圩区北部水系基本汇入马圩河，通过马圩第一排涝站，将涝水排入环山河；南部水系连接姚泾河通过马圩第二排涝站将涝水排入漕港河；中部水系连通元泾河通过沿塘排涝站排入漕港河。马圩第一排涝站、马圩第二排涝站、沿塘排涝站排涝总流量20.4 m3/s。马甲圩区内河道旱季保持的常水位为2.8 m（吴淞高程，下同），汛期来水时最低保证水位为2.5 m，警戒水位为3.0 m，最高控制水位为3.4 m。圩内地面高程3.3～4.1 m，地势比较低，容易形成内涝。

二、模型构建及率定

1.模型构建

本研究采用SOBEK水利模型软件，开展月城镇马甲圩防洪排涝调度分析工作。借助水文水动力学模型，进行模型计算分析评估多种降雨标准、边界条件、闸泵控制条件下的河网水文水动力变化。

（1）网络概化

本次模型范围为马甲圩圩区范围，圩区内部水系相通，池塘大多通过管涵与河道连通。河网模型共概化河道115段，长约40.6km；排涝站3个；雨量站1个。网络概化模型图（见图1）。

（2）河网断面概化

圩区内马圩河、元泾河、姚泾河等重要引排河道属镇级河道，其余属村级河道，河道断面形态为勘测调查数据，由河底宽度、河口宽度、河底高程、坡顶高程概化成图2所示断面，并定义糙率、初始水位等参数。

（3）汇水区划分

本河网模型汇水分区均设置为自流排水区域，雨水经过填洼、下渗、地面漫流后就近排入周边的河道，模型根据地块与周边河道关系，结合DEM、建筑物、交通道路等数据共划分64个河网汇水区，并设置各汇水分区参数，包括面积、不透水率、糙率、坡度等。

（4）边界条件

马甲圩位于平原河网低洼易涝地区，通过圈圩筑堤，设置排涝泵站以外御洪水、内除涝水，形成了封闭的防洪排涝保护区域。模型中外边界为环山河、漕港河两条圩外河道，圩外河道相通设置统一的常水位。与圩外河道相通的排水通道由马圩第一排涝站、马圩第二排涝站、沿塘排涝站控制，汛期降雨时期只排不引。

（5）调蓄水面概化

本模型概化河道115段，基本涵盖圩内所有河道，但实际上还存在一定面积的坑塘，它们有着重要的调蓄连通功能。因此在此模型中，对这些调蓄水面通过河道调蓄节点的形式进行概化设置。调蓄节点的调蓄面积曲线根据坑塘的实际面积概化。

2.模型率定

模型的率定和验证是应用模型的技术关键，根据监测站点的数据质量，选用马圩第二排涝站上游实测水位数据质量情况较好的“2019.05.25”与“2019.07.12”两场降雨对模型进行率定，模拟时段分别为36小时与26小时。为验证模型模拟成果质量，分别统计最高水位绝对误差(Re)和纳什系数（NASH）作为评估依据。

结合江阴地区河网特点，经过参数调整，两场降雨模拟结果与实测水位数据对比见图3和图4，两场降雨的评估指标见表1。模拟数据与实测数据走势一致，偏差较小，且评估指标Re的绝对值不大于0.02，NASH大于0.8，说明模拟效果比较好。

图 1 河网模型概化图

三、圩区调度方案分析

1.降雨—排涝能力—河道水位关系分析

马甲圩的3座排涝泵站，共有8台泵机，泵机开停组合方式数十种。为使研究方法简化，并体现泵站规模对排涝的影响，根据马甲圩圩区水情、工情等特点，确定两种泵站调度模式，分别为泵站全开模式和泵站半开模式。在这两种模式下分析不同等级降雨量、河道不同初始水位方案下，泵站运行后的水位峰值及其降至常水位所需要的时间（退水时间）。降雨选用24小时时长，并以50 mm为间隔，范围为50～250 mm，雨型选用《江阴市防洪规划报告（2011—2030）》成果，过程见图5。河网初始水位范围在最低控制水位与常水位之间，以0.1 m为间隔设定。

（1）泵站全开模式

全开模式按照马圩第一排涝站、马圩第二排涝站、沿塘排涝站3个排涝站最大排涝能力20.4 m3/s计算。模型计算降雨条件与初始水位条件不同的组合方案，产生多种方案下的峰值水位和退水时间成果，形成了一系列降雨—初始水位—峰值水位变化表（见表2），降雨—初始水位—退水时间变化表（见表3）。从降雨—初始水位—峰值水位变化研究可以得出在泵站全开的模式下，24小时降雨130 mm，初始水位为常水位2.8 m，圩区河道水位达到预警级别；24小时降雨130～200 mm范围之间，初始水位越高，河道水位越容易超预警；24小时降雨200 mm以上，河道水位一定会超过预警水位。从降雨—初始水位—退水时间变化研究可以看出，在泵站全开的模式下，24小时降雨250mm以内河道退水时间均在水位峰值过后24小时之内。

图 2 断面概化图

表1 两场降雨的率定指标

图3 “2019.05.25”模拟值与实测是对比评估图

图 4 “2019.07.12”模拟值与实测对比图

图 5 24小时雨型

模型计算成果表和成果图 （略）可以作为以后洪水预报的依据。通过预报降雨、初始水位在表 2中可以查找泵站全开模式下的峰值水位，在表3中可以查找泵站全开模式下的退水时间，必要时可以插值。

图6 降雨—峰值水位变化表（不启用泵站，初始水位2.8 m）

（2）泵站半开模式

半开模式按照3个泵站的最大排涝能力的一半10.2 m3/s计算，产生多种方案下的峰值水位和退水时间成果，形成了一系列降雨—初始水位—峰值水位变化表 （见表 4），降雨—初始水位—退水时间变化表（见表5）。从降雨—初始水位—峰值水位变化表和成果图（略）可以看出在泵站半开的模式下，24小时降雨100 mm，初始水位为常水位2.8 m，圩区河道水位接近预警级别；24小时降雨100～180 mm范围之间，初始水位越高，河道水位越容易超预警；24小时降雨180 mm以上，河道水位均会超预警。从降雨—初始水位—退水时间变化表和成果图可以看出，在泵站全开的模式下24小时降雨190 mm以内河道退水时间均在水位峰值过后24小时之内。

表2 降雨—初始水位—峰值水位变化表（泵站全开）

表3 降雨—初始水位—退水时间变化表（泵站全开）

表4 降雨—初始水位—峰值水位变化表（泵站半开）

表5 降雨—初始水位—退水时间变化表（泵站半开）

表6 河道水位预降所需时间分析

通过预报降雨、初始水位变化表可以查找泵站半开模式下的峰值水位，在表5中可以查找泵站半开模式下的退水时间，必要时可以插值。

2.降雨—河道水位上升关系（不启用泵站）

研究不启用泵站时降雨量与河道水位的上升关系，降雨导致河道水位上升的最大风险，可以为防汛提供最不利参考，并做好防汛准备。

河道水位无预降措施的情况时，遭遇不同量级降雨，河道出现的最高水位（见图6）。通过预报降雨可以从图6中查找在不采取任何排水防汛措施的情况下河道所面临的最大风险。从结果可以看出，在没有预降措施的情况下，降雨达到75 mm，圩区河道水位达到预警级别。

3.河道水位预降所需时间分析

汛期暴雨来临前，为防止发生内涝，可以采用预降水位的办法来增大河道调蓄量，但预降是一个过程，为保证预降到目标水位，要预留充足的时间。因此，研究河道水位从常水位预降至不同水位所需时间，可以为汛期预降提供参考。借助模型进行方案计算时，预降过程启用全部泵站。经过模拟计算，河道从正常水位2.8 m降至不同的预降目标水位所需要的时间，如表 6所示，通过此表可以查算预降至不同的目标水位所需要的时间。

四、结论与建议

本研究以马甲圩圩区河道、池塘、排涝泵站为对象，构建圩区河网模型，评估降雨—初始水位—排涝能力各种组合方案下的圩区河网风险，并制定调度方案的曲线与表格成果，以供防洪决策。当然针对研究过程中影响成果精度的因素，需要在以后的工作中进行一些改进，完善水位监测系统，提高降雨预报的精度，希望通过与气象部门密切联系获取最新的预报降雨数据。