新孟河延伸拓浚工程首次防洪排澇調(diào)度效益分析

鮑建騰， 唐 仁， 劉 濤,3

(1.江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心， 江蘇 南京 210029；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215106；3.江蘇省灌溉總渠管理處， 江蘇 淮安 223200)

1 工程概況

新孟河工程位于湖西區(qū)，北起長江，自大夾江向南新開河道接老新孟河，沿老新孟河拓浚至京杭運(yùn)河，過京杭運(yùn)河后新開河道向南延伸至北干河，拓浚北干河連接洮湖、滆湖，拓浚太滆運(yùn)河和漕橋河入太湖，河道全長116.47 km。工程在入江口處新建界牌水利樞紐，在新孟河與京杭運(yùn)河交匯處新建奔牛水利樞紐；在太滆運(yùn)河北側(cè)的武宜運(yùn)河上新建牛塘水利樞紐，在太滆運(yùn)河與錫溧漕河交匯處北側(cè)的錫溧漕河上新建前黃水利樞紐。

界牌水利樞紐節(jié)制閘設(shè)計引水及排水流量均為745 m3/s、泵站規(guī)模為引排雙向300 m3/s；奔牛水利樞紐穿京杭運(yùn)河立交地涵設(shè)計引水流量565 m3/s，設(shè)計排水流量498 m3/s；節(jié)制閘溝通京杭運(yùn)河與新孟河北段，設(shè)計排水流量為128 m3/s。

新孟河主河道工程于2018年11月全面開工建設(shè)，截至2021年8月底，主河道工程界牌水利樞紐、奔牛水利樞紐已基本建成。目前，新孟河工程河道已全線通水，具備動力引江能力。

2 啟用背景

第6號臺風(fēng)“煙花”于2021年7月24日凌晨開始影響江蘇，帶來長時間超強(qiáng)風(fēng)力和巨量降雨，疊加上游過境洪水，多地水位發(fā)生超警超保。太湖地區(qū)累計17條河流28個站點(diǎn)水位超警，占比97%，最大超警幅度0.25～1.20 m。臺風(fēng)期間，暴雨內(nèi)澇與超強(qiáng)風(fēng)暴潮疊加，7月24日起，長江鎮(zhèn)江以下河段高潮位全線超警，最高潮位超警0.77～0.84 m。

為做好臺風(fēng)“煙花”防范應(yīng)對提前預(yù)降河網(wǎng)水位，2021年7月21日下達(dá)調(diào)度指令要求沿江主要口門停止引水轉(zhuǎn)為排水，21—24日累計排水1.23億m3，預(yù)降河網(wǎng)水位0.15～0.77 m。2021年7月24日起，根據(jù)水利部太湖流域管理局《關(guān)于做好“煙花”臺風(fēng)強(qiáng)降雨防御工作的通知》和《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)太湖流域水利工程排水的通知》等要求，啟用新孟河工程界牌、奔牛樞紐參與排水；太湖地區(qū)其他沿江水利工程，于2021年7月24日11時起啟用閘泵聯(lián)合運(yùn)行全力排水；7月31日，調(diào)度奔牛樞紐節(jié)制閘關(guān)閉，地涵視上下游水情適時開啟，北排洮渦地區(qū)澇水；8月3日，調(diào)度界牌樞紐泵站停止運(yùn)行，節(jié)制閘乘潮排水；8月4日，調(diào)度界牌樞紐節(jié)制閘停止排水，奔牛樞紐地涵關(guān)閉。至此，新孟河工程首次啟用行洪歷時12 d，外排洪水5 500萬m3，有效提高了流域和區(qū)域的防洪排澇能力，減輕了太湖湖西地區(qū)以及大運(yùn)河防洪壓力，發(fā)揮了巨大效益。

3 新孟河工程首次啟用效益分析

3.1 分析計算模型

新孟河工程效益分析采用河海大學(xué)開發(fā)的太湖流域水文水動力模型進(jìn)行計算，模型由降雨徑流模型和河網(wǎng)水動力模型兩部分組成[2]，計算范圍為整個太湖流域，面積36 895 km2。

3.1.1 降雨徑流模型

為便于對設(shè)計洪水成果進(jìn)行比較，本次選取崇禮水文站斷面作為設(shè)計洪水計算斷面，分別計算10年、30年一遇設(shè)計洪水。

降雨徑流模型分為產(chǎn)流與匯流兩部分。

(1)產(chǎn)流計算

根據(jù)太湖流域不同區(qū)域地貌特征和產(chǎn)流特性，將全流域分為平原區(qū)、湖西山丘區(qū)和浙西山區(qū)分別計算產(chǎn)流。平原區(qū)和湖西山丘區(qū)產(chǎn)流根據(jù)不同下墊面類別，按水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)4類下墊面計算產(chǎn)水。浙西山丘區(qū)產(chǎn)流采用三水源、三層蒸發(fā)模式的新安江模型進(jìn)行模擬。

(2)匯流計算

平原區(qū)匯流計算分圩內(nèi)和圩外，其中圩內(nèi)匯流考慮排澇模數(shù)限制，圩區(qū)產(chǎn)生的凈雨深超過圩區(qū)排澇模數(shù)的部分滯蓄在圩內(nèi)，并根據(jù)次日的凈雨深情況，判別是否能全部或部分排出；圩外日凈雨按照40%、40%、20%過程分配，分3 d匯入河網(wǎng)。湖西山丘區(qū)匯流計算采用綜合單位線法，浙西山丘區(qū)匯流計算采用新安江模型進(jìn)行模擬。

3.1.2 河網(wǎng)水動力模型

河網(wǎng)水動力模型采用一維非恒定流動的基本方程組——圣維南方程組來模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動。以降雨徑流模型計算得到的山丘區(qū)流量、圩內(nèi)外凈雨深，結(jié)合典型年實(shí)測潮位邊界，在平原河網(wǎng)和水利工程概化的基礎(chǔ)上，模擬一維河網(wǎng)水流運(yùn)動情況。描述水流在棱柱形明渠中一維非恒定流動的基本方程組為圣維南方程組，即

連續(xù)方程：

(1)

動力方程：

(2)

式中：x、t分別為距離和時間；Q、A、AT、Z分別為河道斷面流量、過水面積、調(diào)蓄水面積和水位；α為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；qL為單寬旁側(cè)入流，入流為正、出流為負(fù)；vx為入流沿水流方向的速度，若旁側(cè)入流垂直于主流，則vx=0。

模型采用四點(diǎn)隱式直接差分法離散求數(shù)值解。

3.1.3 概化河網(wǎng)及計算邊界

模型河網(wǎng)概化范圍為流域平原區(qū)，共概化河道1 885條，節(jié)點(diǎn)1 453個，控制建筑物337座，調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)72個；有邊界條件的河道127條，其中外江、海潮位邊界60條，環(huán)太湖水位邊界43條，山區(qū)入流流量邊界20條，其它流量邊界4條。概化河道以外的調(diào)蓄作用及概化河道沿程匯入或取水量通過概化河道附加寬度及沿程出入流量模擬。

流域下墊面數(shù)據(jù)歸為水面、水田、旱地、城鎮(zhèn)四大類。沿長江、沿杭州灣潮位邊界根據(jù)典型年的實(shí)測潮位資料，利用單位潮位過程線推算各潮位站的整點(diǎn)潮位過程，再根據(jù)沿長江及杭州灣各概化河道出口與各潮位站的相對距離，用拉格朗日三點(diǎn)插值得各河口的潮位邊界。

太湖流域產(chǎn)匯流計算技術(shù)路線見圖1。

圖1 太湖流域產(chǎn)匯流計算技術(shù)路線

3.2 防洪效益分析

據(jù)統(tǒng)計，新孟河界牌樞紐首次啟用連續(xù)排水12 d，累計排水5 500萬m3，占太湖湖西區(qū)沿江水利工程總排水量的21%。湖西區(qū)河網(wǎng)水位造峰時段內(nèi)(7月25—28日)，新孟河界牌樞紐共排水2 600萬m3，占湖西區(qū)沿江水利工程總排水量的32%；其中利用泵站抽排水量達(dá)2 400萬m3，占湖西區(qū)沿江泵站抽排水量的44%。臺風(fēng)“煙花”過境期間，適逢天文大潮，受長江高潮位頂托影響，沿江節(jié)制閘排水能力得不到充分發(fā)揮，新孟河界牌樞紐泵站的啟用對加快區(qū)域洪水排江、降低河網(wǎng)水位起到了關(guān)鍵作用。

湖西區(qū)河網(wǎng)水位造峰時段沿江水利工程排水量統(tǒng)計見表1。

表1 湖西區(qū)河網(wǎng)水位造峰時段沿江水利工程閘、泵排水量統(tǒng)計

根據(jù)太湖流域模型分析計算，由于新孟河工程的運(yùn)用，蘇南運(yùn)河湖西區(qū)段丹陽站、九里站、常州(三)站水位峰值分別降低4 cm、11 cm、4 cm，水位超警戒持續(xù)時間丹陽站、常州(三)站均減少2 h，九里站減少9 h(統(tǒng)計時段7月24—31日)。新孟河運(yùn)北段與十里橫河、浦河交叉口處水位峰值均降低24 cm，湖西區(qū)代表站點(diǎn)洮湖王母觀站、滆湖坊前站水位峰值均降低4 cm。

4 優(yōu)化運(yùn)用對策與建議

根據(jù)規(guī)劃，新孟河工程建成后，遇1991年型洪水，漲水期北排湖西地區(qū)洪澇水約8億m3入長江；遇1971年型枯水，引長江水39.8億m3，入太湖21.4億m3，湖西區(qū)可分配18.4億m3。工程對保障太湖地區(qū)防洪和供水安全，改善水生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有至關(guān)重要作用。因此，優(yōu)化新孟河運(yùn)行，充分發(fā)揮其綜合效益，意義重大。

4.1 進(jìn)一步提升工程能力

工程是調(diào)度的根本抓手。新孟河工程為湖西區(qū)河湖安瀾奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)，工程的首次啟用，及時分擔(dān)了湖西區(qū)洪澇水北排的任務(wù)，同時減輕了大運(yùn)河沿線地區(qū)防汛抗洪的壓力。界牌樞紐、奔牛樞紐聯(lián)合運(yùn)行，拉動洮滆湖腹部北片區(qū)域澇水穿過運(yùn)河北排長江，減少了區(qū)域洪水匯入太湖。建議加快河道工程建設(shè)，盡快完成水下方疏浚，分析跨河建筑防洪影響，復(fù)核實(shí)際過流能力，充分發(fā)揮河道行洪納洪能力。

4.2 進(jìn)一步完善調(diào)度方案

方案是調(diào)度的主要依據(jù)，新孟河工程調(diào)度運(yùn)行十分復(fù)雜。工程布局方面，除界牌、奔牛樞紐等主河工程外，還有牛塘、前黃樞紐等28處支河口門控制建筑物；協(xié)調(diào)調(diào)度方面，新孟河工程的規(guī)劃功能與調(diào)度目標(biāo)需要與諫壁、九曲河、新溝河等樞紐聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，流域內(nèi)工情變化較大，流域調(diào)度方案《太湖洪水與水量調(diào)度方案》以及區(qū)域調(diào)度方案《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案(試行)》等均亟需修訂[3]，建議盡快開展新孟河工程調(diào)度方案編制研究，實(shí)現(xiàn)新孟河的整體調(diào)度和區(qū)域工程的協(xié)同調(diào)度。

4.3 進(jìn)一步強(qiáng)化信息采集

監(jiān)測是調(diào)度的重要支撐，信息是精準(zhǔn)調(diào)度決策的基礎(chǔ)保障[4]。新孟河工程首次啟用期間，臨時布置了工程運(yùn)行狀態(tài)信息采集、河道過流信息采集任務(wù)，對重點(diǎn)河段進(jìn)行了臨時應(yīng)急測流。建議加快水文監(jiān)測點(diǎn)的科學(xué)合理布設(shè)，在節(jié)點(diǎn)工程和河湖交匯處部署監(jiān)測任務(wù)。同時，加強(qiáng)水文監(jiān)測新設(shè)備、新技術(shù)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時采集在線查詢，以更精確可靠的數(shù)據(jù)信息支撐新孟河工程優(yōu)化調(diào)度。