滨江地区通江口门规模对区域防洪影响的研究

宋凯璇，毕忠飞，尹文昊，马 琴，刘 俊

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；2.德清县水利水电工程质量安全中心，浙江 德清 313200)

0 引 言

在全球气候变化大背景下，我国经济飞速发展，城区的下垫面结构随之急剧变化。在城市建设过程中容易忽视防洪排涝系统的建设[1]，从而导致洪涝灾害的频繁发生。滨江地区因其优越的地理位置及社会环境，经济发展形势大好；但目前相应的城市防洪工程建设步伐还稍显滞后，局部涝水等情况时有发生。许多滨江城市原有的防洪工程标准偏低，在遭遇极端天气时，容易发生各种不同程度洪涝灾害[2]。其中，一个重要原因是通江口门规模与区域防洪需求不匹配，在遭遇较大暴雨时，行洪河道水位迅速抬升，此外，城市中的水面被大量侵占，河道连通性被破坏，导致部分河道行洪困难；同时，外江潮位对内河水位产生顶托作用，增大了区域防洪排涝的压力。因此，滨江地区应科学地布设通江口门及相应的防洪工程，以满足区域防洪的需求，确保区域防洪安全。对此，诸多学者也进行了相关研究，王钧等[3]通过建立滨海感潮河网湖泊地区水文模型，确定了辽东湾新区排涝闸门的规模和上游控制水位；李树军等[4]通过大量的水利计算和分析研究，确定了汉书闸的重建规模，提高了当地的防洪标准。本文利用数值模拟的方法构建研究区域水文水动力耦合模型，分析通江口门规模、泵站调度方式等对区域防洪的影响，进而合理确定研究区域通江口门的规模及其他防洪工程的布局、调度方式，使防洪效益最大化，提高区域的防洪排涝能力。

1 研究区域概况

本次研究区域选取张家港市朝东圩港以西、长江以南、东横河以北的区域，张家港市位于长江下游南岸，属长江流域太湖水系，北部长江水域宽阔，境内降雨充沛，区域内水系发达，河网相互交织、贯通，水文条件复杂[5]，属于典型的平原感潮河网城市。为便于后续分析，以太字圩港为界将研究区域划分为西部片区及中部片区两个片区，研究区域水系图见图1。

图1 研究区域水系

张家港市骨干河道有太字圩港、朝东圩港、南横套、东横河等。其中，太字圩港呈南北走向，是该区域主要的排水通道。因此，本研究主要对太字圩港及其周边闸站的规模进行分析论证。结果是太字圩港现状通江节制闸净宽仅为12 m，工程设计标准较低，很难满足区域防洪排涝要求；而随着气候变化及城市化进程的推进，张家港市发生洪涝灾害的频率在不断增加，受洪涝灾害的影响也逐渐加大。因此，需充分考虑研究区域当地暴雨、长江潮位等各种因素，合理地确定太字圩港及周边通江口门的规模以及泵站的调度方式，进而提高张家港市区域防洪能力。

2 模型构建

张家港市水系发达、水文条件复杂、降水丰沛，与周边地区水体交互密切；区域经济发达、人口集中，河网水系受人类活动影响较大。湖泊数量多，面积较大，功能多样化；区内建有圩区，圩内河流与圩外河流主要通过闸泵隔离[6]。综合考虑研究区域水文水力特性，选择MIKE 11模型构建区域水文水动力耦合模型。

2.1 河网概化

张家港位于平原河网地区，河道纵横交错，整体呈现出环形水系的特点[7]，区域内水系没有明确的边界，并且涵洞、水闸、泵站等建筑物也位于河网水系中。因此河道概化的基本原则为：主要概化研究区域内主要，基本反映天然河网的水力特性，重点概化研究区域内的通江口门。模型概化示意见图2。

图2 河网概化示意

由于研究区域北部为长江，长江潮位对通江河道排水能力以及区域防洪安全有着重要影响，因此，为了正确的分析研究区域通江口门及泵站规模对区域防洪的影响，合理确定防洪工程的规模布局，需合理的设置边界潮位过程。据此，在分析研究区域通江口门往年实测潮位资料的基础上，选用1991年6月30日至7月6日常州新孟河、江阴白屈港及常熟浒浦站长江逐潮高低潮位资料，用以推求各通江口门逐时潮位过程，作为模型的下游边界条件：首先选取几次实测涨潮(落潮)过程，据此推求该研究区域无因次涨潮(落潮)单位线；根据待求站点与上述三个有实测潮位资料的站点的距离，内插出各站高低潮位；最后，根据各站高低潮位、潮时，利用所得的无因次单位线推算涨落潮过程中整点时刻的潮位[8]。其中，涨潮与落潮无因次单位线为

(1)

式中，x、y分别为潮时、潮位经归一化处理后的数据，0≤x≤1，0≤y≤1，均无量纲。

2.2 模型率定与验证

为了使模型尽可能地反映出研究区域水文水动力情况，对模型中相关参数进行调整和修正，选取研究区域2017年6月30日至7月6日的一场降雨，通过模型计算得到定波闸和十一圩港闸的水位过程；并与同时段实测水位过程进行比较，从而确定模型参数是否合理。率定结果见图3。

图3 模型率定结果

由图3可知看出，两站点水位过程的模拟值与实测值的拟合程度较好。为进一步定量地确定模拟值与实测值之间的拟合程度，引进纳什效率系数来评价模拟值与实测值的拟合程度，纳什效率系数计算公式为

(2)

为了确定率定后调整的参数是否准确，再选取定波闸和十一圩港闸2016年8月14日至20日实测水位资料对调整后的模型参数进行验证，验证结果见图4。

图4 模型验证结果

计算结果表明，不同站点水位过程的计算值与实测值吻合较好，峰值较为接近，根据式(2)，定波闸水位验证曲线的纳什系数NSE为0.93，十一圩港水位验证曲线的纳什系数NSE为0.96。率定与验证的结果表明，模型参数设置合理，模型计算结果较为可信。

3 防洪影响分析

3.1 推求设计暴雨

选用杨舍站35年(1981年～2015年)的降雨系列，采用皮尔逊-Ⅲ型曲线进行频率分析计算[10]。不同历时点雨量频率分布参数及设计暴雨计算结果见表1。

表1 点雨量频率分布参数及设计点雨量成果

由当地暴雨图集查得点面折算系数见表2。根据计算得到50年一遇、100年一遇最大24 h设计面雨量分别为196.2、217.3 mm。

表2 设计雨量点面折算系数α

设计暴雨的时间分配采用同频率放大法[11]。典型暴雨的选择对结果合理性至关重要，对张家港市历史洪涝资料的分析表明，1991年的一场暴雨雨量大、强度高、雨型恶劣，工程条件极为不利，具有较强的代表性[12]。因此，采用1991年最大24 h逐时雨量作为典型暴雨过程进行设计雨量的时程分配，进行同频率缩放，得出设计暴雨过程。不同重现期下设计暴雨过程见图5。

图5 不同重现期24 h设计暴雨过程

3.2 方案设置

现状工程布置条件下，张家港市实行分片排水，主要排洪通道有十字港、天生港、太字圩港等；中部片区是张家港市的政治经济中心，近年来因排洪通道不畅，局部涝水等情况时有发生。为了提高该片区防洪排涝水平，确保区域防洪安全，在方案设置中考虑打通太字圩港、十字港位于南横套河南侧的南延河道，使中部片区洪水通过东横河经由西部片区经沿江天生港闸、太字圩港闸等闸站排出；此外，由于张家港市位于平原感潮河网地区，当长江达到高潮位时沿江闸站排水能力受限。因此，为提高防洪排水效果，拟新增天生港泵站和太字圩港泵站，设计沿江排水泵站的建设规模，并考虑泵站排水能力不同分配的影响。具体方案设置见表3。

表3 计算方案设置

(1)维持现状(方案0)：保持现有的水系情况及工程布置，不连通南延河道，太字圩港闸及天生港闸门维持现状(分别为12、5.5 m)，不新增排水泵站。

(2)连通水系(方案I)：连通南延河道，太字圩港及天生港闸门维持现状(分别为12、5.5 m)，不新增排水泵站。方案可与现状对比分析，论证加强水系连通性对提高河道排涝水平的作用。

(3)连通水系配合扩建闸门(方案Ⅱ)：连通南延河道，同时扩建太字圩港及天生港闸门，太字圩港闸扩建规模为26、28、30 m；天生港闸扩建规模为16 m；不新增排水泵站。方案II可与现状以及方案I对比分析，论证在加强水系连通性的基础上，扩建闸规模对提高河道排涝水平的作用。

(4)连通水系配合扩建闸门及新增排水泵站(方案III)：连通南延河道，同时扩建太字圩港闸，扩建规模为26、28、30 m；并且新增排水泵站(设计范围为30～50 m3/s)。针对平原感潮河网地区地势平坦、水面平缓、流速较慢的特性，工程经验做法是通过增设泵站，人为提升区域河道的水动力条件[2]。在方案II的基础上，分别增设多种不同规模的泵站，分析不同泵站规模下部分河道的断面最高水位。该方案可与方案II对比分析，论证新增泵站建设必要性，同时可探究使河道提高排涝水平的泵站规模。方案具体布设见图6。

图6 方案布设

3.3 不同方案计算成果

(1)方案0(现状)。保持现有的水系现状及工程布置，计算得到两片区遭遇50年一遇、100年一遇降雨时的最高水位，见表4。

表4 现状条件下片区最高水位 m

表5 方案I计算成果 m

表6 方案II计算成果 m

(2)方案Ⅰ(连通水系)。方案Ⅰ保持现有的工程布置，连通太字圩港、十字港南延河道，使中部片区洪水通过东横河节制闸经由延长河道从西部片排出。运用模型计算得出该方案下两片区遭遇50年一遇、100年一遇降雨时的最高水位，见表5。

与现状情况相比，通过连通太字圩港、十字港南延河道，在遭遇100年一遇降雨时，中部片区最高水位下降0.20 m，最高水位在5.14 m左右；西部片区最高水位上升0.02 m，西部片最高水位在4.96 m左右。中部片区洪水通过东横河经由西部片区排出，对中部片区洪水最高水位有明显的降低效果，但会增大西部片区的防洪压力。

(3)方案Ⅱ(连通水系配合扩建闸门)。由方案Ⅰ得知，连通南延河道对中部片区洪水最高水位有明显的降低效果，但使西部片区的洪水最高水位明显升高。对此，方案Ⅱ在方案Ⅰ的基础上，通过扩建太字圩港及天生港闸门规模来加强太字圩港、天生港及周边河道排除西部片区洪水的能力，具体包括4种方案：方案2～4将太字圩港闸由原有的12 m分别扩建至26、28、30 m；方案5将太字圩港闸由12 m扩建至26 m的同时，扩建天生港闸至16 m。模拟得到在遭遇50年一遇、100年一遇的降雨时两片区的最高水位，见表6。由表6可知，方案II-2在连通南延河道、扩建太字圩港闸至26 m时对中部片区洪水最高水位有明显的降低效果，而扩建至28、30 m或者扩建天生港闸至16 m，均无水位降低效果；因此，建议太字圩港闸扩建至26 m，天生港维持原规模。而西部片区的最高水位仍然偏高，因此仍需增加西部片区的排水能力。

(4)方案Ⅲ(连通水系配合扩建闸及新增泵站)。由方案II-2～5得知，连通南延河道、扩建太字圩港闸至26 m，对中部片区洪水最高水位有明显的降低效果，而西部片区的最高水位仍然偏高，需增加西部片区的排水能力。对此，方案Ⅲ在方案II的基础上，新增太字圩港、天生港泵站，论证规模在30～45 m3/s，并考虑泵站排水能力不同分配的影响。具体包括方案6～11共6种方案，相应的计算成果见表7。

表7 方案III计算成果 m

计算结果表明，方案III- 6在水系连通、闸门扩建的基础上新增排水泵站规模30 m3/s(太字圩港泵站20 m3/s、天生港泵站10 m3/s)可使西部片区遭遇100年一遇降雨时最高水位下降0.04 m，中部片区最高水位下降0.29 m；方案7～11新增排水泵站规模35～45 m3/s，并考虑排水能力在天生港、太字圩港的不同分配情况，可使西部片区遭遇100年一遇降雨时片区最高水位下降0.05～0.11 m，中部片区最高水位下降0.31～0.34 m，且排水能力在天生港、太字圩港的不同分配对最高水位的降低效果无太大影响。各方案下中部片区及西部片区最高水位变化情况见图7。

图7 不同方案下各片区最高水位变化

综上所述，方案I通过进行水系调整，连通南横套河南侧的太字圩港、十字港南延河道，使中部片区洪水经东横河由西部片区排出，可在一定程度上降低中部片区遭遇不同重现期降雨时的最高水位，减轻该片区的洪涝风险；但这会增加西部片区的防洪压力，需进一步加大西部片区排水能力，以减轻中部片区排水方向调整带来的防洪压力。方案II、III在方案I的基础上，通过调整太字圩港、天生港闸站规模及新增泵站的调度方式，分析计算通江口门的规模及泵站调度方式对区域防洪的影响，确定扩建太字圩港闸至26 m，在天生港、太字圩港闸处新建30～45 m3/s的排水泵站，能够有效降低各片区在遭遇不同重现期降雨时的最高水位，减轻区域防洪的压力。

4 结 论

(1)平原感潮河网地区防洪排涝受本地降雨、上游洪水及沿江潮位等综合影响，且通江口门的规模对区域防洪及城市除涝也起着关键的作用；在同等水文条件下，水利工程条件或调度方式的改变，会明显改变城市的洪涝特性。

(2)分析了张家港市自然地理、河网水系和相关水利工程情况，基于MIKE 11的原理和功能构建区域水文水动力耦合模型。选取计算范围内的实测水位数据进行率定和验证。结果显示，模型计算水位与实测水位的变化趋势基本一致，峰值较为接近，且纳什效率系数NSE分别为0.83、0.84和0.93、0.96。这说明模型计算结果较为可信。

(3)通过设置不同方案，计算在不同方案下，研究区域遭遇50年一遇、100年一遇降雨时片区最高水位。计算结果表明，连通太字圩港及十字港南延河道、将太字圩港闸宽扩大至26 m，并在太字圩港及天生港闸站处新建规模为30 m3/s以上的排水泵站能有效降低张家港市防洪排涝的压力，确保区域防洪安全。