平原感潮河網城市通江口門施工度汛方案研究

劉 俊，尹文昊，畢中飛，樊金璐，宋凱璇，汪 惠

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；2.德清縣水利水電工程質量安全中心，浙江 德清 313200)

0 引 言

近年來，濱江城市防洪排澇問題日益突出，尤其是人口密集、水系復雜、地勢平坦的長江下游平原感潮河網地區。此類區域河網密布，水流方向順逆不定，城市洪澇風險較高，常受自身高水位加之遭遇長江高潮位的影響而導致澇水外排不暢，城市內澇問題加劇[1]。在該背景下，通江口門在施工期間面臨極其嚴峻的行洪難題。

基于此，目前國內外水利工作者大多采用導流來解決上述問題。2010年黃河海勃灣水利樞紐工程為保證施工度汛安全，奠定工程順利實施的基礎，采用圍堰攔斷河床，開挖明渠的導流方式[2]；北支江在整治下游船閘、水閘工程的過程中，采用導流明渠施工方案取得了良好的效益[3]。斯里蘭卡K壩工程在建設過程中一次性攔斷河水，并采取導流的方式以保障整個工程的施工[4]。楊建國對水庫導流施工截流采用搭建臨時截流斷面措施，對于度汛提出修建混凝土面板堆石壩、錯峰度汛、修建度汛水渠3項措施[5]。清水河水庫在擴建工程結合現狀采用了導流隧洞和擋水圍堰的度汛方案[6]。

目前，針對該類問題的研究主要從具體水工建筑物設計的角度開展，而量化施工對區域排澇的影響及對比分析導排前后河道排澇情況變化的較少。本文以張家港市的重要通江口門太字圩港閘站施工為例，基于實測資料研究分析，采用MIKE11構建水文數學模型，在充分發揮當地現有行洪格局的基礎上設計方案，分析方案的防洪潮效果，統籌考慮各項因素，制訂合適的度汛方案。

1 研究區概況

張家港市位于江蘇省東南部，擁有百里長江岸線，瀕臨長江，受潮汐影響十分顯著。潮汐為非正規半日潮，每日兩漲兩落，日潮不等現象明顯。每月出現兩次大潮汛和兩次小潮汛，年最高潮位一般出現在8月～9月。這主要是與長江口地區的風暴潮有關；年最低潮位一般出現在1月～2月。高低潮落差在2.35 m左右，潮位高低與吳淞口海潮及上游流量密切相關。一個半日潮周期的平均歷時為12 h 25 min，漲潮平均歷時3 h 31 min，落潮平均歷時8 h 54 min。

隨著城市化的持續推進，相同級別的洪水造成的各類損失日益增大。張家港市經濟建設的發展，同等級別的洪水所造成的經濟損失逐漸增大。長期以來，張家港市防洪工程的建設缺乏一定的系統性和超前性，當遭遇較大暴雨時，往往發生各種不同程度洪澇災害。主要原因是通江口門規模較小，抬高了內河水位。對此，當地正在開展濱江防洪工程建設。張家港市主要河道分布見圖1。

圖1 張家港市主要河道分布

太字圩港屬于張家港西部片區的入江骨干河道，南起南橫套，北至長江，全長約14.0 km，據當地最新的防洪排澇規劃，要求西部片區在50年一遇的降雨條件下控制水位為4.7 m。然而現狀節制閘已不能滿足片區50年一遇的防洪標準，為了改變防洪能力不足的現狀，亟待改建節制閘，增設排澇泵站，加強片區的排水能力。

綜上所述，為解決西部片區的防洪問題，減輕區域汛期澇水壓力，減少區域受澇面積，太字圩港閘站改建工程是十分迫切的。然而，在閘站施工期間攔河圍堰將會導致太字圩港這條重要的行洪通道缺失，勢必會抬高西部片區的整體水位，對太字圩港及周邊河道的防洪安全造成一定的威脅，亟待提出一些針對性的措施。西部片區河流水系及太字圩港施工位置見圖2。

圖2 西部片區水系

2 模型構建

平原感潮河網地區的復雜水系結構是研究水體運移規律的一大難點[7]，當前主要解決辦法是借助數學工具構建水動力與降雨徑流耦合的水文數學模型來模擬產匯流及水體流動的過程[8]。本研究結合張家港降雨洪澇特性以及地理環境特征，構建水文數學模型，對各方案進行模擬計算。

2.1 模型概化

結合研究區域的河網特征和水流特性，以MIKE11為建模工具，選用MIKE11降雨徑流模塊的NAM模型和HD水動力模塊。水動力模塊的基本原理是運用圣維南方程求解方程。降雨徑流模塊的概化依托于NAM模型，NAM模型是一個以簡單定量關系描述水文循環中各種陸相特征連接起來的集總參數的概念性水文模型，用來模擬流域的降雨徑流過程[9]。

將NAM模型計算得出的流量過程作為HD模塊的流量輸入條件。平原感潮河網錯綜復雜，河道數目眾多，地形平緩，流向不定；同時，由于人為干預(水利分片治理、行政區劃的范圍等)等因素的影響。本次研究綜合考慮河道水流的流向、地形特點以及最新下墊面資料等因素，根據河道的陸域寬度對其進行集水區域的劃分，共劃分集水區37個。

根據研究區河網水系布局，考慮水系的完整性、邊界條件的穩定性以及周邊區域對研究區域洪澇水位的影響等因素，在河網概化的過程中以區域骨干河道為基礎，對西部片區的河道加密概化，共概化河道21條，節點54個。有些河道調蓄作用很小或者基本不起輸水作用，將作為調蓄節點概化。此外，概化20多處水工建筑物，張家港市西部片區沿江主要閘站有張家港閘、五節橋閘站、十字港閘、護漕港閘、太字圩港閘站和朝東圩港閘站等(見圖3)。

圖3 河網概化

在模型計算過程中，不僅需要模擬這些涉水工程的規模、位置，也要模擬這些涉水工程的調度運行規則。在水流模擬中，不僅要正確地模擬這些工程措施的規模、位置；同時也要模擬這些工程措施的控制運行方式，并通過設置時間序列以及根據上下游水位關系來模擬控制閘泵的開啟。

2.2 潮位邊界設置

研究區南部以張家港河水位為控制邊界，其外部水位邊界條件由武澄錫虞區錫澄片水文水動力模型計算給出。北部以長江潮位為邊界，采取較為不利的潮情組合。研究區長江的潮位邊界根據1991年江陰肖山站、常熟滸浦閘長江逐潮高低潮位資料插補推求1991年張家港市沿江閘邊界逐時潮位過程，基本方法是根據各閘地理位置采用內插逐潮高低潮位及相應潮時[10]。利用沿江閘門實測逐時潮位資料，推求并綜合得出無因次潮位單位線，并配以數學方程。

由沿江各閘門的逐潮高低潮位及潮時，用漲落潮無因次單位線內插出漲落潮過程中的整點時刻潮位。根據沿江各涵閘逐潮高低潮位及潮時，利用漲落潮無因次單位線分別內插出漲落潮過程中的整點時刻潮位。

2.3 模型率定

NAM是概念性、集總型模型，參數具有一定的物理含義；但由于參數值反映的是各子流域的平均條件，無法通過實測獲得，因此必須進行率定。概念性、集總型模型，其參數都有一定的物理意義；但由于無法實測反映各子流域平均條件的參數值，因此也需進行率定。

NAM帶有一個自動率定程序，它可以自動率定9個最重要的模型參數。自動率定工具基于使4個不同率定目標達到最佳的原則來率定。這4項是總水量平衡、過程線總體形狀、高流量和低流量。自帶一個自動率定程序，可以自動率定模型中9個最重要的參數。率定的原則是使4個不同率定目標達到最佳，這4項分別是總水量平衡、過程線總體形狀、高流量和低流量。

在率定過程中，要對各子流域的參數進行多次調整，直到計算的徑流(坡面流、壤中流和基流之和)與流域出口實測的流量擬合較好為止。模型的主要參數包括地表徑流系數、地表最大儲水量、根區最大儲水量、地表徑流時間常數和根區閾值等。本次參數的取值見表1。

表1 NAM模塊主要參數取值

為進一步保證模型參數的準確性，選擇2012年8月實測降雨、潮位以及水位資料進行率定。邊界水位選取長江實測潮位、太湖實測水位等邊界資料；率定選取計算范圍內有實測水位數據的水文站有無錫站、陳墅站、青旸站和甘露站。率定結果見圖4。

圖4 模型率定結果

率定結果顯示模型計算水位與實測水位的變化趨勢基本一致，峰值較為接近。采用Nash-Suecliffe效率系數評價兩個模型計算水位與實際水位的擬合程度。即

(1)

3 圍堰施工的影響分析

3.1 設計暴雨計算

依據城市排澇設計要求，根據樣本系列的代表性和完整性，分析整理研究區水文站1985年～2019年共計35年的最大1、3、6、12、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率曲線對長歷時暴雨系列進行頻率分析計算，得到不同時段的點雨量分布參數及設計點雨量，河道排澇設計時采用面雨量進行計算，根據《江蘇省暴雨洪水查算圖表》，查得雨量點面折減系數，計算得到50年一遇下的面雨量設計值，選取2015年6月2日0時至6月2日24時的24 h降雨過程作為典型暴雨過程，按同頻率法縮放法得到研究區50年一遇設計暴雨過程，見圖5。

圖5 50年一遇設計暴雨過程

3.2 施工對排澇的影響及分析

研究區的日常閘泵調度主要和長江潮位密切相關。當河道水位高于長江潮位時，打開護漕港閘、嚴子港閘、十字港閘、五節橋港閘和張家港閘等沿江閘門排水。當長江達到高潮位時，沿江河道由于受到長江高水位的頂托排水不暢。此時，各沿江閘門關閉，開啟護漕港泵站排水。為對比分析太字圩港通江口門封堵施工前后對張家港市西部片區河道的排澇影響，模擬計算圍堰前和圍堰后(未采取任何導排措施)的排澇情況，計算結果見表2。

表2 閘站施工對研究區河道排澇影響 m

由表2可知，在圍堰施工之前，即在太字圩港閘站尚未改建時張家港市西部片區在遭遇50年一遇的設計暴雨之時，部分河道水位高于4.70 m。特別是太字圩港最高水位達4.73 m，超過了片區的控制水位。這表明太字圩港閘站改建是必要的。而在圍堰施工之后若不做任何導排措施，將會使張家港市西部片區河道水位上升9～16 cm。由此可知，相同重現期的設計暴雨下，封堵施工后的河道水位漲幅較大，太字圩港最高水位達到4.84 m，明顯超過控制水位，圍堰導致河道的排水壓力增加，對區域的排澇影響不容輕視。

本文將從開挖導流明渠、加強水系連通以調整局部水系和增設臨時泵站以加強河道水動力條件兩個方面進行方案設計，通過模型模擬分析不同方案下的施工度汛效果。

4 方案設計及效果分析

4.1 度汛方案設計

施工的場地濱水臨江，處于建設期間的工程相對比較脆弱，在受到高潮位的頂托下容易遭受洪水的侵襲，對此本文立足于研究區現有的水系及水利工程，在充分挖掘當地行洪潛力的基礎上設計度汛方案。首先在施工期間關掉東橫河閘和南橫套節制閘，使得張家港其他片區水體不進入西部片區以免抬高當地的水位，并合理利用現有的水系、沿江口門參與聯合調度。

此外，為了增強河道對降雨的調蓄作用以降低河道水位、提高區域排水能力，可在太字圩港的河口處開挖導流明渠將澇水排出，并連通太字圩港西側的段山港與朝南港、九橫套，加強水系連通從而減輕太字圩港的行洪壓力。

在經過水系調整之后，可進一步優化度汛措施。由于平原感潮河網地勢平坦，水流順逆不定，流速緩慢，增設強排泵站是常見的工程手段。泵站的規模決定了排澇效果和經濟成本，可在上述水系調整的基礎上在段山港河口處增設5、10、15 m3/s等3種不同規模的泵站，分析不同泵站規模下的排澇影響，見圖6。

圖6 導流明渠及水系連通位置示意

綜上所述，設計方案1為關閉東橫河閘、南橫套節制閘，開挖導流明渠，進行水系連通，不增設強排泵站的工況，方案2、3、4分別為關閉東橫河、南橫套節制閘，開挖導流明渠，進行水系連通，增設5、10、15 m3/s規模強排泵站的工況。分析水系調整與增設泵站組合后對區域排水能力的提升作用，并合理確定泵站的規模。

4.2 方案效果分析

模擬計算得到，以上各方案條件下西部片區遭遇50年一遇的暴雨時主要河道的最高水位(見表3)。

表3 不同方案下50年一遇各河道最高水位 m

由表3可知，相較于圍堰施工后未進行任何導排措施的情況。方案1下最高水位平均下降0.09 m左右，對太字圩港封堵施工引起的排水壓力起到了較好的緩解作用。增強水系連通性后，太子圩港的最高水位下降到4.75 m，段山港因承接了太字圩港的澇水，水位下降效果不明顯。研究區河道水位整體得到了一定的控制，但最高水位仍均超過控制水位。由此可見，僅靠導流明渠，水系連通，而不增設泵站的情況下依舊達不到度汛的目標。方案2在方案1的基礎上增設強排泵站，其規模達到5 m3/s時，相較于圍堰施工前的河道僅有0.01～0.03 m的抬升，部分河道符合控制水位的標準，太字圩港的最高水位下降到4.72 m，仍未達到度汛的目標，方案2尚存提升空間。

方案3下強排泵站的規模達到10 m3/s，研究區的河道水位得到更為理想的控制，基本恢復了圍堰施工前的水平，所有河道水位均在控制水位之下。方案4進一步增加泵站規模達到15 m3/s，然而方案3、4對于降低張家港西部片區河道水位的作用基本一致，部分河道水位較于方案3僅略有下降，相比而言方案3增設10 m3/s泵站已基本可實現相同的水平，且節省了建設及管理成本。

統籌考慮各項因素，在滿足防洪要求下兼顧經濟效益，最優方案應具備可行性和經濟性。故，選取關閉東橫河、南橫套節制閘，開挖導流明渠，連通水系，增設10 m3/s規模強排泵站的工況作為推薦方案。

5 結 論

(1)在參考相關施工期間導流度汛的研究基礎上，結合張家港市的自身水系情況，利用MIKE11構建水文數學模型，對模型進行率定，率定結果表明測站的水位變化趨勢吻合較好，該模型可以用于模擬計算流量水位變化過程。

(2)通過進行水系調整，連通九橫套、朝南港與段山港，使太字圩港澇水經九橫套、朝南港由段山港排出，可在一定程度上降低研究區遭遇50年一遇的最高水位，減輕洪澇風險，

(3)統籌水系布局調整及泵站配置規模設計方案，從防洪排澇效果和經濟效益兩方面分析度汛期間增設泵站的規模，最終確定方案3為最優方案。