太湖流域上游宜興市洪澇安全保障方案研究

摘要：

宜興市地處太湖流域湖西地區入太湖骨干行洪通道上，汛期防洪壓力較大。為解決該城區洪澇隱患，以不影響區域行洪為前提，利用流域一維河網模型模擬妥善處理上游洪水、本地澇水和南部山洪的“控泄結合”最優方案；通過外洪、山洪、本地澇水造峰時段和遭遇機遇分析，對來水條件復雜區域的抽排規模進行調洪演算。研究結果表明：① 宜興城區規劃格局形成后，遇 50 a一遇設計暴雨時，上游下泄洪量56%外撇出城，44%入城抽排，城區河道經新增350 m3/s泵站抽排，最高洪水位下降88 cm，區域泄洪和城區防洪排澇安全得到保障；② 不同范圍的洪澇水峰值控制時段不同，一般區域洪水7～15 d、本地澇水24 d、山洪6 h，外排泵站規模應充分考慮三者峰值的合理組合，避免工程建設浪費。研究成果可為同類洪澇條件地區防洪方案制定提供參考。

關 鍵 詞：

城市防洪； 山洪； 排澇； 控泄結合； 宜興市； 太湖流域

中圖法分類號： TV212.5+3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.004

0 引 言

近年來隨著全球氣候變化，各地極端天氣頻發，短歷時暴雨強度不斷提高，防洪形勢日趨嚴峻、復雜。城市是社會人口、產業、財富集中地區，洪澇風險和受災損失更大，例如河南“7·20”特大暴雨災害，因此亟待加快鞏固提升城市防洪減災能力［1］。

關于防洪建設，國內外已積累了大量防洪減災、應對內澇的智慧和手段。美國有8.7%人口居住于洪泛區，主要防洪措施包括修建防洪水庫、防洪堤，河道整治、開辟分洪道等，以及建立完善的洪水預警系統［2］；日本東京、大阪等大城市十分重視防洪排澇問題，防洪儲排建設并重，注重發揮河道防洪功能，同時大力發展城市下水道系統［3］。中國是世界上水情最復雜、治水任務最繁重的國家之一，防洪建設主要經歷了堵、避、導、御等過程［4-5］。據2017年初步統計，中國有防洪任務的城市639座，大多數防洪標準偏低，80%城市不足50 a一遇防洪標準，60%不足20 a一遇，防洪能力偏弱［6］。城市低洼地區一般采用防洪大包圍自保，大包圍可有效保障城區洪澇安全，但由于減少了外部區域行洪通道、調蓄水面，對周邊地區防洪將產生一定的影響［7］，城市防洪自保需求和區域面上防洪安全矛盾突出，因洪致澇、因澇致洪問題交替。處于骨干行洪通道區域的城市，想要通過完全控制上游洪水、解決汛期防洪壓力在規劃和建設層面難度更大。太湖流域是中國經濟最發達地區之一，也是洪澇災害威脅比較嚴重的地區。太湖流域防洪工程體系分為流域、區域、城市3個層次，研究不同城市的地形、防洪特點，協調好城市防洪與區域、流域防洪的關系，是城市防洪特別是特殊區域城市防洪建設的關鍵。本文以位于太湖流域上游湖西地區入湖行洪通道上的宜興市為例，針對其位置特殊、地形復雜、洪澇不分等特點，通過水文分析和一維河網模型模擬其復雜來水條件，研究擬定洪澇協調的城市防洪方案和關鍵工程節點抽排規模，以期為平原水網特殊區位復雜來水地區的城市洪澇安全保障方案制定提供參考。

1 宜興市防洪概況

1.1 現有的防洪工程體系

宜興市位于太湖流域上游湖西區，屬東南丘陵向長江下游平原的過渡地帶，區內地形復雜，山、平、圩兼有，又屬典型水網地區，湖（氿、蕩）、庫眾多，水系發達，水面率16.8%。橫貫市境的南溪-西氿、團氿、東氿-大浦港是承泄上游洪水入太湖的主要通道。宜興中心城區即位于該通道上的團氿、東氿之間，汛期防洪壓力非常大。受上游洪水下泄暢通要求，城區歷來以敞開式防洪為主，局部洼地依靠沿河堤防擋洪，目前建成小圩區3個，防洪堤防長14.45 km，堤頂高6～7 m，排澇流量3.5 m3/s。現有防洪能力不足50 a一遇。圖1為宜興市所在湖西區位置和宜興城區水系圖。

1.2 存在的問題

宜興城區特殊地理位置決定了其防洪與流域、區域面上水情、工情關系密切，客水入境加快和東泄太湖不暢問題突出，洪澇威脅機率明顯增加［8］。

（1） 上游工情變化，洪水來量增加、速度加快、峰值增大。① 宜興市所在區域湖西區不透水面積增長迅速，現狀城市建設用地面積1 676 km2，較1997年的893 km2翻了一番，暴雨徑流量增加；② 上游城市大包圍及圩區運行過程中缺乏上下游統籌協調調度，不合理的抽排縮短了洪峰形成時間，峰值抬高；③ 入城行洪通道上游段航道提標整治，進一步增加了上游洪水下泄量，宜興城區防洪受區域洪水的影響更為直接。

（2） 太湖高水頂托、洪水下泄受阻，城區高水位持續時間長。根據實測資料，20世紀50年代以來太湖

最高水位超過4.00 m的年份共14次，其中20世紀80～90年代發生了9次，2015，2016，2020年又連續出現超4.00 m高水位，這明顯增加了外排出路以入太湖為主的湖西區特別是其南部腹部地區的防洪壓力。

（3） 山水直接下泄，山洪威脅亟需解決。宜興城區南部部分山水通過自然沖溝入城區河道下泄，源短流急的山水易對城區防洪安全構成威脅。近年來環山開發區建設力度的加大，城市重心的南移，對山洪治理提出了更高要求，山洪問題亟需解決。

1.3 洪澇災害

據不完全記載，宜興市自公元278～1948年，共發生洪澇災害121次。1949年后，在1954，1991，1999，2015，2016，2020年等流域、區域性大水年中，宜興市均遭受了不同程度的洪澇災害。典型的2016年流域大洪水，暴雨中心位于宜興市所在區域湖西區，宜興市下游太湖水位達歷史第二高，本地汛期雨量又達常年3倍多，上游洪水的“下壓”及下游太湖高水“頂托”導致城區發生歷史最高水位5.55 m，超警戒水位1.35 m，全市累計發生決口、坍塌等各類險情742處，城區62個小區、19條道路被淹，累計受災人口18萬人，直接經濟損失5.72億元，為有水文記錄以來的最大洪澇災害，嚴重影響正常生產生活。

2 防洪方案構建

2.1 研究思路

通過宜興市地理區位、所處水利分區、水系和地形特征分析，宜興市城市防洪有3大特點：① 上下游關系復雜，城區處于湖西區南河水系下游，要保留足夠的行洪通道滿足上游來水行洪需要；② 地形復雜，城區高低地相間，南部還有山洪入城，山洪治理需求迫切；③ 城區內部湖泊水域面積大，需同時關注防洪安全和水生態保護的相互協調，發揮水利綜合效益?；谏鲜鎏攸c，宜興市防洪格局研究考慮統籌以下要求：

（1） 保證不削弱湖西區入湖能力。南河是湖西區最主要的泄洪通道，宜興市城市防洪方案不得削弱湖西區入湖能力。

（2） 降低城區內部河湖洪水位。增加城區洪澇調控手段，降低穿城河湖的汛期高水位，減輕城市防洪壓力，避免因洪致澇［9］。

（3） 為城區河湖水位自由調控創造條件。統籌考慮城市水生態保護需求，防洪除澇規劃和工程布置能夠為城區河湖水位自由調控創造條件，助力改善城市水景觀，利于打造城市涉水產品［10］。

2.2 防洪方案

統籌考慮宜興市城市防洪與流域、區域面上防洪的關系，按照不影響區域行洪、滿足城市發展對防洪保障的客觀需求和水生態城市發展的多目標要求，借鑒太湖流域平原河網地區典型的蘇州、常州、無錫城市防洪大包圍洪澇調節模式，并充分利用無錫市航道網規劃確定的蕪申運河宜興市繞城段“四改三”提標整治使宜興市繞城行洪通道擴大后帶來入城洪水外撇契機，分析了“基于現狀的敞開式洼地分散包圍”“集中控制大包圍”“控泄結合大包圍”等對城區外洪不同控制級別的治理方案。從利于城市防洪建設的推進，實現防洪、排澇、排水能力的系統提升，兼顧為城區河湖水位自由調控創造條件出發，本文提出了適應宜興市特點的 “控泄結合”包圍治理方案：在城區上游團氿西端和下游東氿中部處分別建閘設控，同時在下游東氿控制閘處新增大流量排澇泵站，外圍結合蕪申運河航道提標改造等，擴大上游洪水下泄出路。洪水期，上游入境洪水一部分經上游整治河道、航道撇出城，其余經城區上游團氿閘控制泄流入城，與南部山洪和城區澇水共同由東氿大泵站抽排，城區建成一個約80 km2控泄結合的半控式包圍圈。宜興市“控泄結合”防洪方案及工程總體布局如圖2所示。

3 基于來水遭遇組合優選工程規模

宜興市“控泄結合”半控式防洪方案與周邊金壇區、溧陽市等城市大包圍不同，其防洪圈擋洪期間并不完全關死，通過上下游閘泵的合理調度，啟用包圍圈擋洪期間仍具有承泄上游部分洪水入城下泄任務。因此，做好上游入城洪水、本地降雨產生的澇水、南部入城山洪的合理調控和科學外排是統籌協調好宜興城區防洪排澇安全保障需求和不影響上游區域泄洪基本原則的關鍵。研究大包圍上邊界團氿樞紐、下邊界東氿泵站兩個控、泄節點的規模對妥善處理好三類來水、保障宜興市城市防洪安全至關重要，本文重點研究關系城區洪澇及時外排的下游東氿泵站的規模。

3.1 來水遭遇分析

東氿泵站位于城區防洪圈下邊界東氿中部，承擔上游區域部分入城洪水、本地降雨形成的澇水及南部下泄的山洪，三類來水峰值形成時間不同，分析其遭遇組合是確定泵站規模的關鍵。

目前對洪水遭遇規律的分析主要采用水文分析法進行，洪水遭遇過程根據遭遇次數和程度一般分為洪峰遭遇和過程遭遇兩種情況［11-13］。根據宜興市城市防洪來水特點來看，洪水遭遇為造峰7 d左右的區域洪水和城區24 h左右的短歷時暴雨產生的澇水及山洪的組合，這兩類來水洪水歷時較短，屬洪峰遭遇，因此通過考慮不同來水的造峰情況來分析遭遇組合。

3.1.1 上游洪水

雨洪模擬方法有水文學法、水動力學法，以及兩者同時考慮的水文水動力學法［14］。宜興市所在地區太湖流域屬典型的平原河網地區，洪澇水上下游相互影響，關系復雜，水位、流量、洪水過程受工程調度影響較大，在考慮工況及下墊面變化的條件下，本文采用設計暴雨推求區域設計洪水的方法，并利用太湖流域和區域規劃中常用且比較成熟的流域一維河網水文水動力模型進行模擬，模型包括產匯流和河網動力模型兩部分［15］。同時，就本次分析對象和精度要求，對河網模型進行完善，細化宜興城區和所在區域湖西區河、湖、閘、站等工程和調度情況。全流域平原地區共概化河道1 885條，節點1 523個，控制建筑物337個，湖庫調蓄節點72個。

宜興城市規劃防洪標準為50 a一遇。城區位于湖西區域下游地區，汛期主要受湖西區上游來水影響［16］。根據《江蘇省湖西區水利治理規劃》研究成果，湖西區域設計暴雨典型年為1991年，設計時段從6月30日至7月6日共7 d，設計暴雨量為315.7 mm，峰值雨量為7月1日的167.8 mm。暴雨時空組合方案為：湖西區設計時段7 d內時段降雨為50 a一遇；區域設計時段7 d外，按全流域面平均最大30，60 d和90 d降雨量分時段與流域北部地區相應時段降雨量50 a一遇同頻率控制，其他分區相應控制［17］，設計暴雨過程見表1。

經太湖流域一維河網水文水動力模型分析計算，區域洪水東排入湖，下泄過程中受湖蕩等調蓄后，下泄入城洪峰峰值流量出現在7月5日，為287.4" m3/s，入城流量過程見圖3（a），當天形成宜興市西氿最高洪水位5.73 m，西氿水位過程見圖3（b）。即區域暴雨后，入城洪水峰值滯后區域暴雨峰值約4 d。

3.1.2 本地澇水

宜興城區河道規劃排澇標準為20 a一遇，地區雨水管道暴雨重現期為3 a。

根據宜興站短歷時降雨頻率分析，20 a一遇最大24 h降雨量為207.2 mm、6 h為159.2 mm、1 h為82.0 mm。宜興城區規劃均為利用管渠系統匯集入河的雨水管網區，雨水管網設計雨量根據當地暴雨強度公式計算，3 a一遇管網設計雨量為56.2 mm。

對宜興站歷年短歷時暴雨資料進行分析可知，24 h降雨量較大的年份主要有1957，1994，2006，2016年等。對上述典型降雨過程按最大24，6 h和1 h設計雨量進行同頻率縮放，對各典型實況暴雨經縮放后的逐時降雨過程進行分析?！?994年型”設計降雨過程雨量在2/3處及前期雨量相對集中，集中降雨的時段中，除控制的小時設計雨量外，其余時段雨量相對均勻，雨型分布相對更符合排澇設計雨型。因此，選用宜興站1994年10月9日09：00至10日09：00的24 h降雨作為排澇設計降雨典型過程，24 h時段過程按1，6 h和24 h同頻率縮放。宜興城區20 a一遇排澇設計暴雨過程見表2。

3.1.3 南部山洪

宜興城區南側為山丘區，山洪下泄經寺溪河、西缶廠河入城，由大溪港等匯集后東排。山丘區匯流計算采用瞬時單位線法，根據《江蘇省暴雨洪水圖集》確定瞬時單位線滯時參數m1和阻滯時間的變化系數m2。根據m1，m2值，查m1與Δt=1 h單位線關系表，線性插值各匯水區1 h單位線，乘以各時段徑流量，錯開相加后得到各分區設計洪水過程線，宜興市南部山丘區各片區山洪水利計算結果見表3。

3.1.4 組合分析

南部山洪與城區24 h內澇形成的暴雨類型相同，其中山洪洪峰形成時間短。由20 a一遇24 h短歷時暴雨形成的平原區、山丘區徑流過程分析，山洪峰值較平原區提前4 h，城區澇水、南部山洪洪水過程線見圖4，因此兩類來水按錯峰4 h考慮，統一形成城區內澇。

在山洪與城區澇水錯峰形成小組合后，與上游來水進行遭遇組合?？紤]同時遭遇設計標準的洪、澇，以及形成歷史洪水位的2016年大水年降雨情況，設計兩種不同組合：

（1） 50 a一遇區域洪水+20 a一遇城市內澇。具體為城區20 a一遇內澇遭遇上游50 a一遇洪水入城峰值，外圍河道按規劃規模整治后外撇一部分洪水，控制性泄流入城最大流量約300 m3/s。

（2） 50 a一遇區域洪水+歷史大洪水年（2016年）實況最大日雨量形成的城市內澇。具體為2016年城區最大日降雨（142.5 mm）形成的城區澇水遭遇上游50 a一遇洪水入城峰值（約300 m3/s）。

根據實際降雨規律分析，以及區域洪水和城區暴雨內澇造峰控制時段的不同（上游來水洪峰入宜興市境較暴雨峰值滯后4 d），兩峰值遭遇概率低，第一種情況按外洪和內澇峰對峰考慮，組合偏惡劣，按此設計工程更偏安全，但投資體量大、運維經費高。第二種情況以實際發生的形成宜興市歷史最高水位的2016年流域大洪水為典型，期間城區最大日降雨頻率約5 a一遇，上游來水與城區澇水組合更為合理、經濟。

3.2 規模擬定

確定來水組合后，包圍圈設計排澇規模在合理確定河道排澇控制水位的基礎上由調洪演算確定。首先分析包圍圈排澇控制水位以確定可調蓄空間。根據類似地區排水經驗，最高控制水位較地面宜有不少于50 cm的超高以利于管網排水［18］。通過地形高程分析，宜興城區低洼地高程在5.2～5.3 m，為保證該部分區域排澇安全，確定內部最高水位為4.80 m；最低控制水位即包圍圈泵站停用水位，考慮堤防安全和太湖地區一般圩區運行規則，取最高控制水位以下0.80 m即為4.00 m；按防汛要求，城區水位達4.30 m時啟用包圍。

當區域50 a一遇洪水下泄同時遭遇城區典型點暴雨時，三類來水疊加形成的洪水經內部9.5 km2河湖調蓄，與初擬規模的抽排量逐步時段進行蓄排分析，包圍圈調洪演算分析見表4。演算結果表明：當城區抽排規模達到350 m3/s時，時段內河湖最高水位為4.78 m，滿足洪澇及時外排不超過最高水位4.80 m的要求，排澇是安全的，因此確定泵站規模為350 m3/s。

同時考慮到東氿泵站是保障湖西區域和宜興城市洪澇水安全下泄的最關鍵節點，工程規模的確定不僅要滿足標準內的洪澇外排，還需適當考慮一定的冗余度，為湖西區域骨干入湖通道進一步治理和城區南部山丘區山洪防治標準的提高預留空間，建議工程設計時加裝一定的備用機組。

4 效果評價

宜興城區按“控泄結合方案”建設后，利用太湖流域一維河網水動力模型模擬遇 50 a一遇設計暴雨時的洪澇安排，其中上游下泄入西氿處最大流量約700 m3/s，其中24%洪水在入西氿前經航道提標整治后的蕪申運河東排，11%入了西氿后由云愛河繞城東排，21%在團氿經城區段蕪申運河分泄，其余44%通過團氿閘的控制泄流入城，入城后與城區澇水、南部山洪經湖泊調蓄后共同由城區350 m3/s排澇泵站抽排，可有效保障城區內部最高水位不超過4.80 m。上游區域下泄洪量安排和城區內部河湖最高水位見表5。

5 結論與建議

5.1 結 論

（1） 宜興城區地處湖西區骨干行洪通道上，南部為山丘區，城市洪澇風險高。本文基于城區防洪安全及城市區域統籌協調原則，在一般城市建設完全控制性防洪大包圍方式上，考慮安全、經濟和生態綜合要求，提出了適應特殊區位特點的城市防洪格局 “控泄結合”防洪圈。汛期通過防洪圈節點工程科學調度，既不影響區域面上行洪，又能保證城區防洪安全，有效解決行洪通道區域城區防洪自保難的問題。

（2） 東氿泵站是宜興城市防洪包圍圈關鍵節點工程，承擔上游洪水、南部山洪和本地澇水外排任務。本文通過不同來水成災暴雨特點和洪水造峰歷時分析，合理確定三類來水相遇時機，結合歷史大洪水年分析，進行合理錯鋒確定城區防洪設計來洪過程。經調洪演算確定合適的排澇規模，既保證設計標準的洪澇安全外排，又避免工程建設浪費。

（3） 宜興市通過建設防洪控制工程并拓浚擴大外圍河道的行洪通道，補償了區域行洪能力，

城內則通過大泵站抽排部分上游洪水下泄，但其控制圈的建設實際仍是占用了區域行洪通道未來潛在擴挖通道，因此，工程規模擬定時，除按設計標準內洪澇水外排要求外，還需適當考慮一定的冗余度，為區域骨干入湖通道進一步治理預留空間。

5.2 建 議

宜興城市防洪位于區域骨干行洪通道上，其防洪控制圈的建設和后期調度與流域、區域的協調性至關重要，當城市防洪建設與區域治理相互影響時，須遵循先敞后控、統一調度原則。

（1） 嚴格建設時序。宜興市城市防洪格局與區域防洪密切相關，規劃防洪格局應以不影響區域行洪為條件，策劃外圍行洪和城區節點工程時，必須先行實施外圍行洪工程，以此作為防洪圈建設特別是東氿泵站和團氿閘兩大節點工程的建設和運行的基礎。

（2） 強化調度管理。規劃防洪圈上團氿閘和東氿泵站位置和功能特殊，在保障宜興城市防洪安全同時不能影響區域行洪，兩樞紐均需服從江蘇省防汛抗旱指揮部統一指揮調度，包圍啟用需報江蘇省防汛抗旱指揮部核準。

（3） 科學用好水位預降。雨前充分預降水位是保障區域洪澇安全的重要措施［17］，建議充分利用城區團氿、東氿大型水域調蓄能力，預報有強降雨過程時，適時提前啟用泵站預降內湖水位，增加對洪水的調節能力。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on flood safety guarantee scheme of Yixing City in upper reaches of Taihu Lake Basin

WU Xiaojing，WU Xinyi

（Jiangsu Taihu Water Conservancy Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Suzhou 215128，China）

Abstract：

Yixing City，Jiangsu Province，located in the major passage of upstream flood from western area into the Taihu Lake，is threatened with great flood control pressure in flood season.In order to solve the flood problems in its urban areas，this paper studies an optimal scheme of combination of control and discharge to properly deal with the upstream flood，local flood and southern mountain torrent by using one-dimensional river network model on the premise of not affecting regional flood discharge.Based on the analysis of peak-arriving time and encounter opportunity of external flood，mountain flood and local waterlogging，a reasonable drainage scale of the urban area is calculated and routed.The results show that：① After the formation of the urban planning pattern in Yixing City，in case of a 50-year designed rainstorm，56% of the upstream flood volume will be detoured around the city，44% still enter the city but is pumped out of the city.And according to the planning，the maximum flood level will drop by 88 cm through the newly added pumping station with 350 m3/s pumping and drainage flow，so the regional flood discharge and urban flood control and drainage will be guaranteed.② Controlling periods of flood peaks from different areas are diverse.In general，regional flood lasts for 7～15 days，local flood lasts for 24 hours，and mountain flood lasts for 6 hours.The reasonable combination of the three peak values should be fully considered in determining the scale of the drainage pump stations to avoid cost waste in engineering construction.The research results can be used as a reference for the study of flood control schemes in urban areas with similar flood and waterlogging conditions.

Key words：

urban flood control；mountain flood；drainage；combination of control and discharge；Yixing City；Taihu Lake Basin