南京市高淳区城市水网防洪及雨洪资源利用模拟研究

徐 驰，董庆华，张宏雅，张浮平

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.长江科学院，武汉 430015)

0 引 言

随着我国社会经济地快速发展，城市化进程不断加快，人口、产业、财富向城市快速集中，城市应对洪水灾害的防御能力需要不断提高。据统计，我国大约有2/3的城市不同程度的遭受洪水灾害[1, 2]，其中大部分都坐落在长三角和珠三角等强降雨地区。根据要求，我国一等城市的防洪标准重现期为200年，但部分城市目前的防洪标准重现期仅有50年一遇～100年一遇(例如南京)，其防洪标准还需要进一步提升。同时，由于降雨的年内分配不均，我国的800多座城市中有将近一半处于缺水的状态，其生产生活供水保证率还需要进一步提高[3, 4]。

近些年，我国城市面临的资源型缺水和水质型缺水问题越来越凸显，水资源保障、防洪减灾、水生态修复、水景观等城市涉水需求逐渐加大。城市河湖水网连通是城市除水患、兴水利、惠民生的重要举措，其防洪和水资源利用效益对提高城市防洪标准，保障城市社会经济发展有重要作用。提高水网防洪安全和水资源利用效益的重要举措之一是利用城市中的河湖水网调蓄汛期雨洪资源，化害为益，在枯期保障供水安全。这种方法由城市雨水利用、城市排水和防洪中衍生出来，即为城市雨洪资源利用，国外也称城市雨洪管理。目前，科学利用水网中的闸门、泵站等控制建筑物调节雨洪资源是发挥水网综合效益的关键[5]。MIKE系列模型结构清晰、界面友好、考虑涉水要素全面，在河口、河流、河湖水网模型构建方面应用广泛[6-8]，非常适合研究我国南部水网密布地区的水动力情况，其FLOOD模块可将一维河道和二维湖泊有机整合，在模拟过程中充分重现河湖串联水网地区湖泊水力边界受河流动态变化的影响，是研究河湖水网的重要工具[9]。南京市高淳区水系发达，境内固城湖是最重要的水源地，周边修建有以水碧桥闸、杨家湾闸为代表的一批水利工程，具有得天独厚的水网构建模式研究基础。

本次研究以南京市高淳区为研究对象，通过MIKE FLOOD模型分析河湖水网的防洪及雨洪资源利用效益，提出一种汛期满足地区防洪安全，枯期保障供水安全的高淳区水网调度运行模式。

1 研究区概况

高淳区位于南京市最南端(北纬31°13′～31°26′、东经118°41′～119°12′)，北临溧水，东界溧阳，南部和西部与安徽郎溪、宣州、当涂三县(市)接壤[10]。高淳南北相距29 km，东西最大相距49 km，总面积802 km2，其中陆地面积566.5 km2，占70.65%，水域面积235.5 km2，占29.35%。

高淳区多年平均气温16.2 ℃，多年平均降水量达1 194.7 mm，多年平均蒸发量为861.9 mm。多年平均风速为2.8 m/s，多年平均相对湿度77.9%。降水量在时空上分布不均匀，汛期(5-9月)降水量占全年降水量的60%，其中夏季降水量平均占全年40%，且大部分集中于梅雨季节的6月中旬至7月中旬；冬季(12-2月)最少，占全年的14%。

高淳区以茅东闸为界，分属水阳江和太湖两个水系。水阳江水系境内有两个湖泊，即固城湖、石臼湖；有水碧桥河、官溪河、石固河、胥河四条主要河流将两个湖泊相连。本次研究的城市河湖水网构建模式以固城湖、水碧桥河、官溪河、石固河、胥河为研究重点，石臼湖和水阳江作为边界条件[11](图1)。

图1 高淳区重点河流、湖泊组成示意图Fig.1 Schematic diagram of key rivers and lakes of Gaochun District

2 模型建立

2.1 MIKE模型介绍

数值模拟是研究河湖水网的基础，其核心问题是河网数学模型的建立及求解，模型求解的控制方程为圣维南方程。本次模拟使用在生产实践中屡经检验的丹麦MIKE系列模型。该系列模型可划分为三个维度，分别是基于一维非连续流方程的MIKE 11一维非连续流模型，基于二维浅水方程的MIKE 21二维漫流模型，一、二维耦合的MIKE FLOOD模型。其中MIKE 11常应用于模拟洪水风险分析和风险图绘制，分洪道、水工建筑物和调蓄池的设计，实时洪水预报等；MIKE 21能够较好地模拟湖泊、河口、海湾等二维自由表面流的流体状态；MIKE FLOOD 模型将一维与二维模型耦合，能发挥各自的计算优势，在模拟过程中充分重现河湖串联水网地区湖泊水力边界受河流动态变化的影响，更精确地模拟河湖水网的水流特征[12, 13]。

2.2 模型建立步骤

(1)模型概化。研究以高淳区最主要的水源固城湖为核心，以周边水碧桥河、官溪河、石固河、胥河四条最重要的河流为对象，概化出高淳水网模型。概化过程充分依据收集到的河道断面数据、湖泊水下地形数据，河流水系等实测地理信息数据，并使用ArcGIS地理信息系统交互处理，对地理信息数据的一致性进行处理，最终生成可供MIKE软件识别的文件[14]。

(2)设定边界条件和主要参数。根据实测数据，设定固城湖的初始水位为9.5 m；水碧桥河、官溪河、石固河、胥河与固城湖相连，在模型中设定为标准连接；降雨、蒸发、风场等边界条件基于实测数据设定。模型中糙率取0.03，河床阻力取0.32 m1/3/s，最大迭代次数取20，水体密度设为常数，涡黏系数取0.28，其他重要参数求解见图2。

水阳江和石臼湖作为模型的外边界条件，其中水阳江根据调查实际情况分别设置为上游流量、下游水位边界，石臼湖做简化处理，设置为8 m的固定水位边界。

(3)模型原理。一维水动力模型方程组为：

(1)

式中：x为笛卡尔坐标系坐标；g为重力加速度；t为时间；A为过水断面面积；R为水力半径；C为谢才系数；Q为流量；q为旁侧入流量；h为水位;a为动量分布系数。上式中第一个方程为质量守恒方程，第二个方程为动量守恒方程[8, 15, 16]。

图2 MIKE 模型主要参数的设定Fig.2 Setting the main parameters of the MIKE model

二维非恒定浅水运动方程组为：

(2)

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标系坐标；h为水深；η为水位；u、v分别为x、y方向上的速度分量；g为重力加速度；ρ为水的密度;C为谢才系数；τxx、τyy、τxy分别有效剪应力分量；S为源项；Ω为科氏力系数；f(V)是风摩擦力系数；V、Vx、Vy分别为风速及风速分量；Pa为大气压[17]。

(4)设定控制建筑物及调度规则。根据实际情况及研究需求，本次研究设定的控制建筑物包括4个闸门和两个泵站，其中4个闸门为水碧桥闸、杨家湾闸、蛇山闸、茅东闸；两个泵站为杨家湾泵站、蛇山泵站。本次研究为闸门和泵站设定了三组调度规则(见表1)，其中蛇山闸和茅东闸在调度规则中均处于关闭状态。

(5)模型使用资料。本次模拟使用了高淳区高淳站2016年实测的降雨、蒸发、风场等水文气象数据。由于缺乏长系列水文气象数据，因此研究以2016年为基础，并将系列较长、数据可靠的国家气象信息中心南京站1980-2009三十年长系列降雨数据作为补充数据。在长度达20年后(1999年后)，南京站降雨数据的累积均值与多年平均值的相对误差已稳定在3%以内，差积曲线包含了完整的丰、平、枯周期，以上分析说明数据可靠。

表1 控制建筑物调度规则设定Tab.1 Setting regulation rules of control structure

经分析，2016年的实测降雨量为1 273.9 mm，以此为基础，确定模型中丰(5%)、平(50%)、枯(95%)的降雨量分别为1 819.8、1 049.9和722.5 mm。考虑到水阳江汛期时间比固城湖早，天然水网和分洪水网模拟时间为7月1日至8月25日；雨洪资源利用水网仅针对固城湖，其模拟时间为汛期一个月，即从7月26日至8月25日。根据调研，固城湖堤防50年一遇防洪标准对应的水位是13 m。根据经验，汛期模拟期间降雨-径流系数取0.7。

本次研究中丰水年水网的调度模拟是研究重点，平水年和枯水年水网的模拟仅作对比分析使用。

(6)模型构建。为对比分析河湖水网的防洪及雨洪资源利用效益，本次研究在设定闸门和泵站的调度规则基础上，建立了4个汛期的河湖水网模型，分别赋予高淳河湖水网为天然水网，分洪水网和雨洪资源利用水网三类功能特性(表2)。其中天然水网模型是不采取任何调度措施，维持水网的自然连通性模型(模型一)。分洪水网模型是根据现实中高淳水网汛期的调度规则建立的模型，该模型在保障高淳区防洪安全的前提下，水网在汛期有帮助水阳江分洪的功能(模型二)。雨洪资源利用模型是假设的模型，目的是发挥高淳水网作为“城市水库”的功能，以固城湖汇水区为研究对象，在保障防洪安全的前提下，合理蓄积洪水资源保证枯期供水安全(模型三和模型四)。该水网不考虑帮助水阳江分洪的效益。

表2 高淳水网模型信息统计表Tab.2 Statistics table of model information of water network in Gaochun

3 结果与分析

3.1 天然水网模拟分析

模拟开始时间是7月1日，此时恰遇水阳江汛期开始，固城湖水位受外江(水阳江)水位影响，水位短期内显著上升，于7月6日升至13.35 m，已经超过了地区50年一遇防洪标准水位，之后内湖水位由外江水位和本地降雨控制，开始缓慢下降(图3)。丰水年、平水年、枯水年的模拟结果相差不大，因为固城湖水位基本由水阳江水位控制。天然水网的模拟表明固城湖水位完全由水阳江水位控制，若没有闸门控制，高淳区极易遭受洪水灾害。

图3 天然水网的水位过程模拟结果Fig.3 Simulation results of water level process in natural water network

3.2 分洪水网模拟分析

该水网模拟了实际过程中固城湖帮助水阳江的分洪过程[18]。在模拟初始时刻，水阳江水位设定为9.5 m，杨家湾闸保持开始状态，水阳江与固城湖连通，此时水阳江流域洪水过境，江水位迅速提升并以最大570 m3/s的流量流入固城湖水网。固城湖水位迅速抬高，一日后水位即高于12 m，杨家湾闸立即关闭防止固城湖水位进一步升高。

7月3日，水阳江水位高于12.5 m，固城湖水位为10.9 m(小于12 m)时，根据调度规则，固城湖需要承担部分水阳江的防洪任务，此时水碧桥闸开启承担分洪任务，过闸流量最大达到112 m3/s。至7月8日，固城湖已帮助分洪水量共3 472 万m3，水位上涨至12 m，此时水碧桥闸关闭，防止高淳区遭受洪灾(图4)。

图4 水阳江、固城湖的模拟水位变化Fig.4 Simulated water level change of Shuiyang river and Gucheng Lake

7月20日以后，水阳江水位降至12 m以下，杨家湾闸重新开启，维持水阳江和固城湖的连通性。至模拟结束时，固城湖水量较大，水位高于水阳江，水网通过官溪河向外排水21 340 万m3。

3.3 雨洪资源利用水网模拟分析

(1)模型三。雨洪资源利用水网是为了研究雨洪资源利用的效益，在不考虑水网帮助水阳江的分洪效益的前提下，通过闸门、泵站等控制固城湖的水位，在保障防洪安全的前提下，最大限度利用雨洪资源保障枯期供水安全[19]。本研究考虑了模型三和模型四(表2)两个雨洪资源利用水网，其中模型三是仅有两个泵站，模型四还考虑了闸门。

根据模拟，在枯水年(5%)和平水年(50%)，固城湖不断屯蓄雨水，最终水位分别10.72 m和11.45 m，未达到11.5 m(图5)，两个泵站没有达到开启条件，固城湖是高淳区的蓄水池，汛期蓄水供枯期供水使用。

在丰水年(5%)，固城湖水位在8月12日达到11.5 m，官溪河泵站、石固河泵站开始以20 m3/s流量分别向水阳江和石臼湖排水。水位开始缓慢下降，至8月18日，水位降至11.05 m；至8月25日，水位维持在12.5 m。模拟时间段固城湖湖区降雨和周边汇集雨水量共计14 031.0 万m3，通过固城湖囤蓄量共9 307.8 万m3，通过泵站抽排水量共4 723.2 万m3，雨洪资源利用率达到66.3%。

但是，模拟期间固城湖遭遇20年一遇暴雨(8月19日)，降雨量达到182.96 mm，水位在8月20日达到12.98 m，接近50年一遇防洪水位，高淳区防洪安全受到严重威胁。模拟结果说明仅依靠杨家湾泵站、蛇山泵站20 m3/s的抽排能力已经不能满足防洪的需求。这种方案在实际调度中不可接受，可考虑结合已建的闸门辅助泄洪。

图5 模型三固城湖的水位变化过程模拟结果Fig.5 Simulation results of water level change process in Gucheng lake of model Ⅲ

(2)模型四。在加入水碧桥闸、杨家湾闸辅助泄洪的功能后，8月19日至20日期间，杨家湾闸最大分洪流量达到300 m3/s，水碧桥闸最大分洪流量达到150 m3/s。固城湖水位在8月20日可控制在12.68 m，地区防洪安全得到保障。通过模拟，汛期一个月固城湖汇集雨水量共计14 031.0 万m3，通过固城湖囤蓄量共7 150 万m3，通过泵站抽排水量4 721.0 万m3，通过闸门外排水量2 160.0 万m3，雨洪资源利用率达到51.0%[20]。

同时，模拟结束时(8月25日)固城湖水位为11.66 m，比分洪水网模型(模型二)中相同时刻的水位(水位为9.82 m)高1.84 m，固城湖可利用水资源量增加约4 400 万m3，雨洪资源利用成效显著(图6)。

图6 模型三和模型四固城湖的水位变化过程模拟结果对比图Fig.6 Comparison diagram of simulation results of water level change process in Gucheng lake in model Ⅲ and model Ⅳ

4 结 论

固城湖是高淳区最重要的水源地，与水阳江、石臼湖、官溪河、石固河、水碧桥河、胥河等组成连通水网，是地区社会经济发展的重要水源支撑。但是，和长三角、珠三角部分城市一样，高淳区面临汛期防洪压力，枯期供水压力。一个科学的解决途径是在水网中合理布置控制建筑物、制定适合的调度规则，充分挖掘水网在防洪中的重要作用，免受水害威胁，更可以充分利用雨洪资源，在防洪安全的前提下，化害为益，屯蓄汛期洪水保障枯期供水安全。

通过模拟可知，遇到丰水年，在天然水网状态下，受水阳江过境洪水影响，高淳区水位升至13.35 m，超过50年一遇防洪标准水位(13 m)，地区防洪形势严峻；通过在水网地区设定闸门、泵站等控制建筑物调控天然水量后，可将固城湖水位控制在13 m以内，显著提高地区防洪安全[21]。相对而言，分洪水网仅具有防洪效益没有考虑水资源利用，而雨洪资源利用水网则能在保障防洪安全的前提下，囤蓄雨洪资源量约4 400 万m3，供枯水月份使用，是本研究的推荐方案。研究建议在水网密度的我国东南沿海、部分中部地区进一步加强城市水网的雨洪资源利用，在保障地区防洪安全的前提下，提高雨洪资源利用效益，提高地区水安全。

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