典型約束型河網規劃

周天逸

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098)

典型約束型河網規劃

周天逸

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098)

以常熟市尚湖鎮虞西片區的典型約束型河網為研究對象，采用河網水動力模型對約束型河網的結構連通性和河流水資源調配進行了規劃研究。結果表明，控制條件下，采用空間結構連通和河網水流計算相結合的方法能充分滿足尚湖鎮虞西河網水資源分配需求，優化局部河系功能;通過多方案的河網水資源配置，望虞河多口門引水和錫北運河套閘聯合調度方案能充分增強河網流動性，保證各水系功能區內水資源需求平衡和潛在的生態環境需水。該方法還能為水系調整提供合理的河道工程規模和設計參數，為保護約束型河網提供技術支持。

約束型河網;水系規劃;水利調度;河網水動力模型;引水方案;水系優化

水系是由具有同一歸宿的水體所構成的水網系統。流域內大大小小的河流、湖泊、沼澤構成脈絡相通的水流系統。水系主要受地形和地質構造的控制［1］。平原河網地區地勢平坦，河道交錯，湖泊池塘縱多，下墊面情況非常復雜［2］。約束型水網是指受到城市建設、大型水利工程調控或者新開人工河道、工農業生產需求等外因限制而改變的河網水系，屬于特殊平原河網，其補水條件受控于外圍河道和人工干預。在約束型河網地區，河道的屬性和功能受到不同程度的改變。太湖流域望虞河西岸地區歷史上屬于陽澄區的上游地區，其水流向東排入陽澄地區［3］。1958年，根據高、低水分排的治水原則開挖了望虞河，將澄錫虞高片洪澇水改排入望虞河，減輕了東部陽澄淀泖低洼地區的洪澇壓力。在20世紀90年代，為解決太湖洪水出路不足的問題，將望虞河改作太湖行洪通道，使望虞河在排太湖洪水期間兼排西岸地區的澇水，而在非汛期和汛期不排太湖洪水期間，澄錫虞高片地區的河網水仍然自西向東經望虞河排入長江［4］。2002年開始實施望虞河引江濟太調水試驗，當望虞河沿線水位抬高輸水時，嘉菱蕩以北的西岸河道受望虞河高水的頂托，水流主要由望虞河倒灌入西岸地區，由于東排受阻，有時偶然出現倒灌現象，但水流以入望虞河為主［3］。目前，望虞河是太湖流域引長江水補充太湖的唯一通道。近年來，望虞河西岸澄錫虞高片等的來水水質為劣Ⅴ類，使進入望虞河西岸支流的水質缺乏有效控制，進而影響望虞河引江濟太的效益和效率。望虞河引江濟太的實施，使望虞河西岸地區河網水流東排受阻。為了解決望虞河西岸地區河網水流因“引”致“滯”的問題，實施了走馬塘拓浚延伸工程［5］。尚湖鎮西部的地形由西北向東南傾斜，河網密布，望虞河、走馬塘貫穿其中，望虞河西岸控制工程和走馬塘排水調控工程加劇了區域水系的約束［5-6］。

約束型河網水系規劃是在分析人類活動頻繁的平原河網地區的水資源現狀、自然地理特性、城市發展要求等基礎上，針對防洪、水資源、水環境、水生態和水景觀建設的需要進行必要的水系調整和水利工程布設，同時處理好水系與城市綠化空間體系的關系、水系與環境質量保護與控制的關系、水系網絡的連通與銜接等關系，從而做出平原河網地區合適的水系規劃，并利用河網水動力模型計算河道在設計條件下的河道過水能力。水系的布局規劃和水系的整治包括河道的清淤、河道斷面形式及尺寸的設計、河流濕地的設計以及生態型河道的設計等［7］。前人做了大量的水系規劃研究［8-10］，深入探討了水系規劃與城市發展的關系［2，11-12］、水系規劃與水資源保護的關系［13］、水系規劃與水生態的關系［14］、水系對水生態文明建設作用［15］以及水系支撐水景觀、水文化的內涵［16］。水系規劃逐步從單一專題規劃轉變為多目標的框架規劃、從宏觀的定性規劃過渡到學科交叉的定量測算，如，珠江廣州河段建設［17］、蘇州市城區水網規劃［2］、張家港水網規劃［7］等。近年來，荷蘭人提出“還河流以空間”的新理念，研究如何采取措施(包括疏浚河道、挖低漫灘)，使河流在流量、泥沙輸移、寬深比等方面達到動態平衡。韓國水系規劃的主要構思是治理、改善河道環境，重新恢復生態棲息空間，復原城市及河川的自然原貌，通過河網水系規劃繼續保持河川的搬運、治水、環境美化三大功能［1］。相對于自然的開放河網體系，約束型河網的規劃更多依賴于水利調控來維持原有的河網功用，因此不僅要考慮傳統的河網規劃理念，更要考慮有限條件下使河道功能維持的規劃方法［9］。本文針對典型的約束型河網進行綜合連通規劃，在考慮河道功能的前提下設計河道分流機制，制定維持河網功用的水力流動方案，探索人工約束河網的規劃與水力調度的結合運用。

1 研究區概況

江蘇省常熟市尚湖鎮位于長江三角洲沖積平原，境內水道縱橫，河塘密布，具有典型的江南水鄉風貌。全鎮大部分地區地面高程在2.5 m到5.5 m之間，地勢由西向東微微傾斜。研究區地處北亞熱帶沿海地區，屬海洋性氣候，季風盛行，四季分明，氣候溫和，日照充足，空氣濕潤，雨熱同期。全年平均氣溫15.4℃，歷史最高氣溫40.1℃，最低氣溫為-12.7℃。全年平均日照數為2130.2 h，全年平均降水量為1052.3 mm，全年平均雨日為127 d。一年中4—9月降水較為集中，這6個月總降水量占全年降水量的71%，其中4—5月為春雨，6—7月為梅雨，9月為臺風秋雨。月降水量最多的是6月，暴雨多出現在梅雨和晚臺風季節。

尚湖鎮虞西水系隸屬于澄錫虞水系，由外圍河道、區域骨干河道、鎮級河道、村級河道和生產性河道組成。望虞河、走馬塘為主要外圍約束人工河道，錫北運河為穿過區域的骨干河道，界內的面杖塘、金壩河、王莊塘、陳塘河、南干河為鎮級骨干河網，其中橫向河道包括面杖塘(4號橋以西)、錫北運河、陳塘河、南干河(鄧家灣以東);縱向河道包括望虞河、走馬塘、南干河(鄧家灣以北)、金壩河、面杖塘(4號橋以南)。這些密布的河網加上望虞河以西的官塘等水面積較大的湖蕩，組成了一個可供引、排、調、蓄、航的典型約束型河網水系。

2 兩種規劃思路

2.1 水系連通規劃

約束型河道的連通規劃方法是，綜合考慮防洪排澇、水景觀、水資源保護等方面的需求，從保證河流健康的角度對水系布局進行規劃。連通規劃首先要考慮水系結構的連通性，根據自然地理特性、社會需求等要素進行綜合設計，保證各級河網輸水的可達性。

a.滿足防洪、排澇要求，保障水安全。一方面，考慮規劃區城市化水平的不斷加快，未來規劃區內下墊面條件將會發生大規模的變化，不透水面增加，產流量增大，調蓄能力減弱;另一方面，兼顧望虞河西控工程對望虞河西線及官塘周邊骨干水系的控制是通過閘門實施的。

b.因地制宜，維持合理河系結構。考慮地形地貌的差異及水利工程現狀布局，以及各用地功能對水系的限制，充分利用原有河湖水系，盡可能在現有水利工程建筑物基礎上，適當新開、拓浚、恢復整治河道。

c.保證水系的通暢性，滿足水體流動的結構需求。一般采取溝通、拓浚等暢流工程措施整治規劃區域內水系，連通外圍水系與湖泊，以保證水系暢通。

2.2 水利調度規劃

約束型河網的水利調度是保證河網功能的重要保障，利用水動力學模型確定河網調度方案，可以保證水系規劃的有效性。本文采用了六點中心隱式差分格式離散圣維南方程組，并運用傳統的追趕法(即雙掃算法)推求數值解。計算網格由水位點和流量點交叉組成。圣維南方程組為

式中:A為過水斷面面積，m2;Q為流量，m3/s;x為距離坐標，m;t為時間坐標，s;q為旁側入流量，m3/s;g為重力加速度，m/s2;h為水位，m;R為水力半徑，m;C為謝才系數。

本研究將整個河網的鎮級以上規劃河道及骨干中心河道列入概化河網體系，并保持轄區內的水面率，將河段、節點、斷面相結合來控制河道特征值，以便進行下一步的優化調度方案研究。

根據2008—2012年尚湖鎮水域(望虞河大橋、甘露橋、大義橋、王莊北新橋等)不同時期的水位監測數據，綜合考慮水系布局流動性驗證的需要，設置望虞河調水期間控制水位條件，并以此計算河網引水口補水的平均流量邊界。走馬塘排水邊界按照設計常水位來設置。各設計邊界盡可能滿足約束河網的實際控制條件。

設定初始條件的目的是讓模型平穩啟動，所以，原則上設定的初始水位和初始流量盡可能與模擬開始時刻的實際條件一致。河網洪水計算開始時刻，必須要給出概化河網每個斷面的水位和流量等水力條件。本文采用初始調查法確定河道常水位。無水量交換條件下，各水利分區內部的各河道斷面初始流量近似認為等于0。河道糙率主要反映水流、泥沙、河道特性等多種因素對水流運動影響的綜合阻力作用。本文根據實測流量資料、比重資料通過曼寧公式計算河道糙率。

3 分析與討論

3.1 水系溝通規劃

水系的結構連通規劃是水利調控的基礎，水系只有達到一定的結構連通性水平，才能借助水利工程的合理調度來改善河網的水力連通性，進而滿足水資源綜合規劃目標。同時，水系連通性水平的高低也最終決定了水系規劃的實現程度。研究區水系格局可分為3個功能區劃，將各區內土地利用規劃、水系拓撲結構狀況、水資源需求等進行結構連通設計。

a.面杖塘以東片區的規劃以“官塘北引”為主，溝通官塘以北水系進行水資源調配。北莊橋塘作為溝通面杖塘和望虞河的通道，本規劃將其拓浚。范巷河作為片區骨干村級河道，將其北延溝通北莊橋塘，以增加村級骨干河道排水能力。同時，疏通官塘周邊水系，增加官塘北排出路。本規劃形成的引排線路為:官塘—新開村級河道—面杖塘，以及官塘—塘頭街河—范巷河—北莊橋塘—面杖塘。

b.對走馬塘以東、面杖塘以西的總體規劃思路是“西進、北走、南排”。

c.對錫北運河以南的規劃總體思路是“南進、東控、西推、北排”。

對各功能區干支河系的配置，為后續水資源的配置與優化奠定了基礎。

3.2 引水方案分析

約束型河網的典型特征就河流自然流通能力受到影響。研究區河網受控于走馬塘和望虞河，無論是引水、排水均依賴于邊界閘口的啟閉和外圍河道的水位，水利調度決定了河網的排洪、引水效率，也成為約束型河網水系規劃的核心內容。筆者著重考慮補水期尚湖鎮河網水動力補水情況，因為此時河網受工程約束，與規劃背景設計條件一致。引水方案設置的邊界條件由望虞河引水水位的計算結果確定。針對規劃水系的閘門控制條件，筆者制定了6個方案。相關方案見表1，水動力模型結果見表2。

表1 尚湖虞西河網引水調配方案

表2 不同引水調度方案中的河網水資源分流比 %

現狀條件下，望虞河補水口沒有建設閘門，可自由補水。區域內水系存在多處斷頭浜，且河道局部規模較小，淤積嚴重，致使水系流通不暢。水資源分配過程中，56.2%的引水流量經由錫北運河排出。除官塘、北莊橋塘、南干河、陳塘河局部引水區域水流較為順暢外，其他區域水流多為停滯或緩慢流動狀態，現狀河網引水效果不佳。其中主要河道如新深涇河(斷面2)分流比僅為0.5%，陳塘河(斷面6)為1.5%，沖基河(斷面7)為0.3%，面杖塘(斷面10)為3.0%，塘下浜(斷面12)為3.6%，羅清河(斷面19)和查村河(斷面20)等河道水體近于停滯狀態。不同水利調度方案中的河網水資源分流比見表2。現狀河網條件下，水流流動條件差，局部河網的換水率低，補水效果很難達到預期目標。現狀模擬為水系連通規劃提供了依據，后續的優選方案及工程均在此基礎上進行河網規劃。

根據水系連通規劃和現狀水動力模擬結果，分析以下6個邊界引水約束方案。方案1～3為望虞河西控閘門調度情況(表1)。方案1僅依賴官塘補水，60%的引水流量經由錫北運河排入走馬塘，南、北河網補水量分別占引水總流量的27.5%和12.5%。主要河道如面杖塘(斷面10)分流比僅為1.0%，新深涇河(斷面2)為4.0%，沖基河(斷面8)為4.5%，南干河(斷面18)、羅清河(斷面19)、查村河(斷面20)、陳塘河(斷面21)和北莊橋塘(斷面24)水體近于停滯狀態。方案2和3均開啟官塘、南干河閘、陳塘河閘、錫北運河套閘(表2)，該方案條件下，南、北河網的補水比率和總量都得到提高，北莊橋塘沿線的水動力條件位明顯改善，但整個河網引水流量中錫北運河所占比分流比仍較大。南干河補水調動了南部水系的流動性，沿線的流量分配也顯著提高，但陳塘河沿線受到水流擠壓，流動性趨緩。方案4～6為錫北運河套閘與望虞河各口門閘聯合調度方案(表1)。方案4中，在錫北運河與官塘西側建閘門控制，北部河網區占引水總流量的33.5%，南部河網區占引水總流量的66.5%。但河網內水量的分配不均勻(表2)。方案5是在方案4基礎上打開南干河閘，較好地改善了南片水網補水條件，但北部水網水量分配較少。方案6中，將望虞河所有口門打開，并關閉官塘西側套閘，整個河網水流較為通暢，死水區明顯減少，區域分流比較為均勻，北莊橋塘(斷面3)分流比為11.9%，南干河(斷面18)為15.5%，沖基河(斷面7)為17.1%，塘下浜(斷面12)為10.6%，北莊橋塘(斷面24)為9.7%，金壩河(斷面26)為7.4%。可見大部分主要河道的分流比在10%以上，整個河網的水量分配比較均勻。

測算分析以上模擬方案，可知方案6為最佳引水方案。該方案中，多條河道的引水效果較好，同時能夠更好控制河網引配水及分配效率。推薦方案中，面杖塘需要直接或者間接充分利用官塘的補水，因此建議將該處的西控規劃閘門西移至面杖塘與錫北運河交接的西側，保證面杖塘與官塘之間有引排水通道。另外，水動力模擬也為局部修正河道拓浚工程量提供了定量依據。

4 結語

約束型河網水系規劃是水資源有效利用的基礎和前提。本文以典型的約束型河網為研究對象，針對河網水資源空間的可達性規劃和約束型河網水利調配的可行性分析，運用河網水動力學模型對規劃條件下各水利控制工程和河道連通工程的有效性進行了論述。定量約束型河網水資源配置方案能在一定范圍內優化水系規劃布局。約束型河網水流分配不僅依賴于河網連通規劃的合理性，還依賴于邊界引水調度方案的合理性。虞西河網水動力條件的改善取決于多閘口聯合優化調度。

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Typical restricted river network planning

ZHOU Tianyi
(College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

Taking a typical restricted river network(RRN)located in the Yuxi District of Shanghu Town，in Changshu City，as a case study，we conducted planning research on the structural connectivity of the RRN and the water resources allocation in rivers using the river network hydrodynamic model.The results show that coupling spatial structural connectivity with flow quantification can meet the water resources allocation demands in the Yuxi river network of Shanghu Town under restricted conditions and provide a method for optimizing the functions of local river networks.Of multiple types of schemes for water resources allocation，the optimum scheme，which can fully enhance the water mobility in the river network，was based on the combination of controlling multiple watergates along the Wangyu River and the sleeve gates of the Xibei Canal.In this scheme，the water resources supply and demand balance in each sub-region and potential ecological water demands can be met.This method provides suitable project scale and design parameters for river network planning and provides technical support for the protection of RRNs.

restricted river network;river system planning;hydraulic regulation;river network hydrodynamic model;water diversion scheme;river system optimization

TV212.5

A

1004-6933(2014)03-0065-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.013

國家自然科學基金青年項目(51309078，51209071);中央高校基本科研業務費專項(2013/B13020033)

周天逸(1993—)，男，本科生，港口航道與海岸工程專業。E-mail:may@hhu.edu.cn

book=69,ebook=153

(收稿日期:2013-10-11 編輯:彭桃英)