蘇南運河沿線防汛排澇 聯合調度研究

朱建英， 李淮東， 劉國慶， 周春飛， 陶娜麒， 范子武

(1.江蘇省水旱災害防御調度指揮中心， 江蘇 南京 210029；2.江蘇省太湖地區水利工程管理處， 江蘇 蘇州 215128； 3.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029)

1 概 述

蘇南運河地處長江三角洲地區，涉及江蘇省鎮江、常州、無錫、蘇州等4市。蘇南運河自北向南穿越太湖流域腹地，沿途與太湖平原河網諸水系交匯，是太湖流域整個河網中一條縱貫南北的骨干河道，涉及湖西區、武澄錫虞區、陽澄淀泖區、太湖區、杭嘉湖(蘇)及浦西等水利分區，起著水量調節和承轉作用[1]，直接影響沿線流域、區域及城市防洪排澇安全。在流域、區域遭遇洪澇災害時，通過蘇南運河排泄腹部地區洪澇水。蘇南運河兩岸堤防是沿線地區尤其是低洼地的重要防洪屏障，也是蘇州、無錫和常州市城市防洪的外圍屏障。2015、2016、2017年連續3年蘇南運河沿線及區域出現超歷史洪水位，反映了當時蘇南運河沿線存在區域防洪、城市防洪排澇、圩區排澇之間需要協調的問題。因此，本文系統分析工情變化、圩區泵站限排、骨干工程運行、水位預降等措施對蘇南運河洪水的影響，提出洪澇聯合調度建議，對指導實際防汛工作具有重要意義。

2 洪澇聯合調度研究

2.1 調度模型

蘇南運河沿線流域、區域、城市防汛排澇聯合調度模型構建范圍，西至太湖流域邊界，東臨黃浦江，北瀕長江，南以太湖大堤為界，屬于江蘇省太湖地區，涉及江蘇省鎮江、常州、無錫、蘇州4市以及上海市、浙江省和安徽省部分區域，總面積約2.16萬km2。洪澇調度模型[2]由山丘區、高城鎮化地區水文模型、平原河網區一維水動力、二維洪澇及其耦合模型以及水利工程復雜調度模型組成，模型庫包括了模型網絡庫(河道、圩區、水利工程拓撲關系等)、模型事件庫(邊值條件)、模型邏輯庫(調度規則)。

水文模型[3]產水量是根據太湖地區四大類用地類型即旱地、水田、水面以及建設用地分布，采用不同產流模型分布式計算得到；匯水模擬是根據地形、圩區、城市排澇排水規劃等資料，以及現場調研、泰森多邊形法來劃分匯水單元。每個匯水單元的不同土地類型產匯流過程進行疊加，得到匯流單元流量過程線，再通過匯流路徑分配到相關河段。

一維河道(河網)模型采用水動力學有限差分法直接求解St.Vennant方程組的數值解，上、下游邊界的控制條件采用水位、流量過程控制。

二維模型采用水力學有限體積法求解淺水方程組的數值解，基于地面高程模型，綜合考慮道路、建筑物等的阻擋作用，通過設置不同類型地塊糙率值、下滲值等，關注區域網格局部加密等實現地面積水退水過程的模擬。

一二維耦合模型中一維河網模型與二維洪泛區模型是通過“溢流單元”的連接條件來實現模型耦合，選定側堰流公式實現潰口上下游水流信息的交互。

模型網絡庫包含河道斷面及河網連接、圩區以及水閘、泵站和涵洞等水工建筑物，模型事件庫為模型邊值條件，主要由初始條件和邊界條件組成。初始條件主要考慮水庫水位、不同二級圩區內部控制水位以及與樞紐工程連接的骨干河網水位，模型邊界條件采用長江沿線潮位和太湖水位控制，降雨邊界條件根據雨量站點空間分布劃分為若干降雨單元，也是邊界條件之一。模型邏輯庫包括水閘、泵站、涵洞、水庫的調度規則，其中邏輯控制包括依據關注點水位、工程內外水位差、運行狀態以及綜合條件判定等。

構建聯合調度模型后，利用2015年6月15日至6月21日實況洪水數據進行模型率定，利用2016年7月1日至7月10日實況洪水進行驗證，其中，選取的26個率定驗證站點中，NSE系數大于0.7的占比超過88%，表示模式質量好；可決系數R2基本接近0.9，計算水位曲線形狀與實測水位序列匹配較好，因此模型是可信且精度較好。

2.2 調度方式模擬結果

應用蘇南運河洪澇聯合調度模型，選取運河沿線丹陽、九里鋪、常州(三)、洛社、無錫(大)、望亭(大)、蘇州(楓橋)等7個代表站點，基于2016年工況以及遭遇2016年實況洪水[4]或疊加區域50年一遇24 h降雨，分析代表站點在不同工情、不同調度方式下的水位變化，研究入江通道工情變化、城市防洪大包圍工程及圩區排澇泵站運行、鐘樓防洪控制工程運行、蠡河樞紐排水、河道水位預降等調度措施對蘇南運河防洪的影響。

2.2.1 工情變化對比分析

本文考慮5組計算方案來研究工情變化對蘇南運河沿線洪水的影響，其中計算方案A1為2016年實況工情，A2為新溝河延伸工程投入運行，A3為新孟河延伸拓浚工程投入運行，A4為望虞河西擴投入運行，A5為3個新工程都投入運行。不同計算方案代表站點最高水位統計見表1。

表1 不同計算方案代表站點最高水位統計

根據5個方案對應的蘇南運河代表站計算水位過程，比較水位峰值差、均值差，如圖1所示。

圖1 不同規劃工程運行對運河特征水位影響

由表1、圖1可知，新孟河延伸拓浚、新溝河延伸拓浚、望虞河西擴等工程的運用，都會降低蘇南運河最高洪水位，其中，新孟河延伸拓竣工程可降低運河常州以上洪水位0.25～0.35 m，并且降低湖西區金壇、洮湖、滆湖水位0.16～0.22 m，減輕以上地區防洪壓力；新溝河延伸拓竣工程可降低運河洛社至無錫段水位0.07～0.16 m，從而降低無錫市防洪壓力；望虞河擴大工程可降低運河無錫至蘇州段水位0.11～0.03 m，其對流域防洪效益更為明顯。3個工程如果都投入運行，將進一步降低蘇南運河沿線最高水位，洛社以上段效果最為明顯。

2.2.2 工程限排影響分析

(1)城市防洪大包圍樞紐工程

基于2016年實況洪水及工情下，疊加蘇、錫、常區域50年一遇24 h降雨，分析3個城市防洪大包圍工程泵站按照能力的50%、80%、100%控制運行。計算結果表明，增加外排流量，能有效降低大包圍內河水位，但相應抬高蘇南運河峰值水位，影響主要集中在洛社至蘇州(楓橋)段，影響值約0.04～0.07 m；大包圍適當控制運行是可行的，基于大包圍內外洪水風險均衡，統籌內部控制水位、運河高水位，適時錯峰運行，盡量減輕大包圍運行對蘇南運河洪水的影響。

對蘇錫常大包圍單獨運行與聯合運行進行分析比較，發現城市防洪大包圍工程排水對蘇南運河洪水位的影響范圍主要集中在城市所在河段，疊加效應不明顯。

(2)圩區泵站

考慮太湖地區遭遇50年一遇降雨，圩區泵站排澇按照不限排、限排20%、50%、80%方案共4組，研究工程限排對蘇南運河沿線洪水的影響。

圩區泵站排澇限排對降低蘇南運河沿線水位影響較明顯，在遭遇50年一遇降雨時，與圩區不限排相比，圩區限排20%、50%、80%時，運河沿線各站點水位降低分別為2 cm、2～10 cm、5～21 cm，其中常州至無錫段效果最為顯著。

2.2.3 蘇南運河控制工程運行影響分析

主要考慮鐘樓閘防洪控制工程和蠡河樞紐。在2016年汛期，前者運行超7 d，充分發揮了防洪減災效益，為減輕常州、無錫、蘇州的城市防洪壓力作出了重要貢獻；后者多次開閘排泄蘇南運河洪水入望虞河，一定程度上緩解了蘇南運河沿線的防洪壓力。

考慮2016年實況調度和鐘樓閘提前12 h、24 h啟用，延后12 h、24 h啟用，蠡河樞紐按無錫(大)水位大于3.9 m調度等計算方案共6組，研究兩控制工程運行對蘇南運河沿線洪水的影響。

(1)鐘樓閘控制工程運行有利于統籌蘇南運河上下游防洪壓力。以2016年7月上旬鐘樓閘控制運行為基準，經分析，如提前或更早提前12 h、24 h關閉鐘樓閘，會增加上游丹陽、九里鋪、常州(三)峰值水位，下游無錫(大)、望亭(大)峰值水位會降低，延后關閉效果相反。2016年7月上旬鐘樓閘運行時機是比較合適的，對均衡上下游洪水風險，緩解其下游地區防洪壓力起到重要作用。

(2)蠡河樞紐排水運行有利于降低無錫至蘇州段洪水位。影響主要集中在望亭(大)上下游段，影響范圍上游至無錫洛社，下游可達瓜涇口，其中無錫段洪水降低效果明顯。顯然，以后在流域洪水不遭遇的情況下，適當增加蠡河樞紐的工程規模更能有效緩解運河防洪壓力，蠡河樞紐分洪運用，要統籌流域防洪和區域防洪排澇的關系。望虞河為太湖主要行洪通道之一，也是沿線地區排澇河道，其水位受望亭立交泄洪、武澄錫虞區域澇水以及沿江樞紐運行影響，蠡河樞紐緊挨望亭立交，因此其分洪效果受到望亭立交泄洪以及下游水位影響，需要抓住流域防洪壓力相對不大的機遇，提前搶排蘇南運河洪水。

2.2.4 水位預降措施影響分析

基于2016年實況以及假設區域水位整體預降0.10 m、0.20 m，研究水位預降對蘇南運河沿線洪水位的影響。根據計算結果，在蘇南運河沿線水位均預降0.10 m、0.20 m的情況下，可降低沿線站點洪峰水位0.01～0.03 m、0.02～0.06 m，水位預降措施對降低常州段、蘇州段洪峰水位更顯著。在長江水位較高致使沿江涵閘難以自排的情況下，可提前采用泵排的方式進行水位預降。

3 結論與建議

本文利用所建立的蘇南運河洪澇聯合調度模型，分析研究了新溝河、新孟河、望虞河等大型水利工程運行，城市防洪大包圍及圩區排澇工程限排，鐘樓防洪控制工程及蠡河樞紐運用，河道水位預降等調度措施對蘇南運河沿線最高洪水位的影響，為蘇南運河沿線洪澇聯合調度決策提供了科學依據。研究成果反映了即將建成的新孟河延伸拓浚，目前已經竣工的新溝河延伸拓浚，將要建設的望虞河西擴等骨干工程以及蠡河樞紐工程對蘇南運河沿線洪水位的降低情況，說明蘇南運河沿線分段治理、分段緩解洪水壓力的治水思路是科學合理的，對城市防洪大包圍工程、圩區排澇泵站運行，要統籌考慮蘇南運河防洪與大包圍內、圩區排澇的關系。

為進一步加大蘇南運河沿線防洪排澇能力，建議加強區域水環境治理，以降低直湖港閘等入湖工程啟排水位，進一步緩解所在區域運河段洪水壓力；加大蠡河樞紐工程規模，發揮區域骨干工程緩解蘇南運河洪水壓力的作用；在各區域遭遇洪水以及流域洪水發生時，充分發揮湖西區上游大中型水庫的調蓄能力，實現削峰錯峰，減輕下游防洪壓力。