太湖流域新建工程防洪調(diào)度初析
——新溝河

馬農(nóng)樂，陸志華

（1.上海東南工程咨詢有限責(zé)任公司，上海 200434；2.水利部太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434）

0 引 言

太湖流域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，流域內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，水系溝通，城市化率高、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)，污染物排放強(qiáng)度和總量大，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和水污染治理相對(duì)滯后導(dǎo)致水環(huán)境不斷惡化，特別是2007年發(fā)生了無錫供水危機(jī)事件，給區(qū)域飲用水安全和流域可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。隨著太湖流域綜合治理的不斷推進(jìn)，太湖流域北部無錫、常州等城區(qū)防洪工程建成并投入運(yùn)行，圩區(qū)排澇能力不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致京杭運(yùn)河沿線水情變化，其中2015～2017年常州、無錫、蘇州水位連創(chuàng)歷史新高[1，2]，使得流域和區(qū)域面臨更加嚴(yán)峻的防洪形勢。

新溝河延伸拓浚工程是國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》安排的水環(huán)境綜合治理引排工程項(xiàng)目之一，是《太湖流域防洪規(guī)劃》確定的流域洪水北排長江的骨干工程，也是2015年國務(wù)院明確的172項(xiàng)重大工程之一[3]。該工程是改善梅梁湖及太湖西北湖灣水環(huán)境，提高流域和區(qū)域防洪除澇能力、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要措施，是區(qū)域水環(huán)境綜合治理、防洪、水資源各相關(guān)規(guī)劃所確定實(shí)施的工程項(xiàng)目，目前工程已基本完成建設(shè)任務(wù)。通過工程調(diào)度運(yùn)行，將直武地區(qū)洪水由現(xiàn)狀入湖為主改為北排為主，保障水源地供水安全，進(jìn)一步提高流域、區(qū)域防洪除澇能力。本文主要從發(fā)揮新溝河洪水外排角度，設(shè)計(jì)新溝河工程主要控制建筑物不同的調(diào)度方案，模擬計(jì)算并分析效果，探索尋找新溝河區(qū)域水位限值，為后續(xù)調(diào)度方案制定提供參考。

1 工程概況

新溝河延伸拓浚工程位于無錫市和常州市交界，河道北起長江南通太湖，從長江沿新溝河現(xiàn)有河道至石堰以南分成東、西兩支。東支經(jīng)現(xiàn)有漕河、五牧河通過立交地涵穿越京杭運(yùn)河進(jìn)入西直湖港，再通過立交地涵穿錫溧漕河后經(jīng)南直湖港入太湖；西支利用現(xiàn)有的三山港平交京杭運(yùn)河后經(jīng)武進(jìn)港至太湖，根據(jù)排水需要在京杭運(yùn)河兩岸設(shè)置接力泵站，河道總長97.47km，見圖 1。

圖1 新溝河工程布局及周邊水系圖

2 情景設(shè)置及方案設(shè)計(jì)

2.1 情景設(shè)置

在新中國成立后，一輪治太工程實(shí)施完成前，太湖流域曾于1954年、1991年和1999年發(fā)生過3次大洪水，均表現(xiàn)為主雨期降雨總量大，洪水歷時(shí)長，對(duì)全流域造成的洪澇災(zāi)害嚴(yán)重?！短饔蚍篮橐?guī)劃》根據(jù)歷史特大暴雨類型和時(shí)空分布特征的代表性、水文氣象條件相似性和資料充分性的典型暴雨選擇原則，設(shè)計(jì)了不同的典型年設(shè)計(jì)暴雨。本研究采用“1991年北部”100年一遇設(shè)計(jì)降雨，潮位邊界采用典型年相應(yīng)的長江實(shí)況潮位，初始水位采用年初實(shí)測水位。

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 太湖控制水位

太湖流域現(xiàn)行調(diào)度方案主要根據(jù)2011年國家防總批復(fù)的《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》，該方案將洪水調(diào)度與水量調(diào)度相結(jié)合，為流域防洪與水資源統(tǒng)一調(diào)度提供了調(diào)度依據(jù)，方案中確定的全年太湖控制水位過程見圖2。

圖2 全年太湖控制水位過程

2.2.2 調(diào)度方案設(shè)計(jì)

新溝河延伸拓浚工程調(diào)度控制從改善太湖水環(huán)境、減輕太湖防洪壓力為前提，以常年排水為主。初設(shè)報(bào)告中明確：當(dāng)遇超過5年一遇降雨、直武地區(qū)（戴溪）水位達(dá)到4.50m、且高于太湖水位時(shí)允許相機(jī)排入太湖。近兩年在實(shí)際調(diào)度中進(jìn)行積極探索，適當(dāng)抬升了入湖口門控制水位，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。因此本研究以初設(shè)調(diào)度方案為基礎(chǔ)方案，從抬高直武地區(qū)控制水位和增加江邊樞紐排水兩個(gè)方向進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。XG1、XG2、XG3適當(dāng)抬高直湖港閘、武進(jìn)港閘向太湖排水的調(diào)度參考水位，在不顯著增加區(qū)域防洪壓力的條件下，盡可能促使洪澇水北排；XG4基于增加京杭運(yùn)河及北部區(qū)域澇水北排長江的目標(biāo)，探索新溝河沿江口門配合常州市和無錫市的城市防洪工程啟用，增加新溝河工程北排的可能性。各方案調(diào)度細(xì)則詳見表1：不同方案新溝河關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程調(diào)度控制水位。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及成果分析

3.1 模擬計(jì)算

本次研究采用成熟的太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[4]進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型包括降雨產(chǎn)匯流和河網(wǎng)水動(dòng)力兩部分。其中降雨產(chǎn)匯流模型根據(jù)分區(qū)下墊面不同按水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)進(jìn)行分類計(jì)算產(chǎn)水量，分平原區(qū)、丘陵區(qū)和山區(qū)分別進(jìn)行匯流計(jì)算。河網(wǎng)水動(dòng)力模型結(jié)合潮位邊界，在概化河網(wǎng)基礎(chǔ)上模擬水流運(yùn)動(dòng)，采用非恒定流圣維南方程組進(jìn)行四點(diǎn)線性隱式格式進(jìn)行離散求解。

表1 不同方案新溝河關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程調(diào)度控制水位

式中：B為河道寬度，m；A為過水面積，m2；Z為水位，m；Q 為流量，m3/s；q 為旁側(cè)入流，m3/s；K 為流量模數(shù)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向的分量，近似為零。

模型計(jì)算范圍為太湖流域，骨干河網(wǎng)概化河道1 500余條、調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)60余個(gè)、控制建筑物由近1 700個(gè)節(jié)點(diǎn)相連；邊界河道約100條，山區(qū)入流流量邊界20條。

3.2 成果分析

（1）水位

水位統(tǒng)計(jì)情況見表2。抬高直武地區(qū)控制水位后，可降低太湖水位，但對(duì)太湖高水位的歷時(shí)影響不明顯（超警天數(shù)未變化），其中XG3方案降低太湖最高水位1cm。對(duì)區(qū)域水位影響主要分別為：XG1、XG2方案對(duì)地區(qū)最高水位基本無影響，部分站點(diǎn)高水位歷時(shí)略有增加；XG3方案直武地區(qū)最高水位達(dá)到5.19m，相比基礎(chǔ)方案抬升約18cm，無錫（大）、青陽最高水位抬升明顯，青陽超警天數(shù)增加1～2天，常州（三）、無錫（大）水位超保天數(shù)分別增加1天。各方案水位變化表明適度抬高直武地區(qū)入太湖控制水位對(duì)于區(qū)域防洪安全無明顯影響，但若進(jìn)一步抬高入湖控制水位，直武地區(qū)水位會(huì)抬升明顯，因此，綜合考慮直武地區(qū)入太湖控制水位按4.8m控制為宜。

表2 太湖及武澄錫虞區(qū)代表站水位極值情況統(tǒng)計(jì)

XG4方案太湖最高水位基本不變，無錫最高水位降低1cm，直武地區(qū)、常州（三）和無錫（大）超警天數(shù)各減少1天，表明在新溝河工程調(diào)度中增加常州、無錫水位作為調(diào)度參考站對(duì)于控制區(qū)域水位有一定作用。

（2）水量

統(tǒng)計(jì)汛期新溝河排水情況見表3。抬高直武地區(qū)控制水位后，直武地區(qū)入太湖水量呈現(xiàn)減少趨勢，XG1、XG2、XG3方案排水量變化趨勢相同，新溝河江邊樞紐、直湖港閘站、遙觀南樞紐北排水量均有所增加，遙觀北樞紐排水量基本不變。XG4方案則主要表現(xiàn)為江邊樞紐北排水量有所增加。

表3 汛期新溝河工程排水水量對(duì)比統(tǒng)計(jì)億 m3

汛期水量統(tǒng)計(jì)表可以看出，方案XG1、XG2、XG3中直武地區(qū)通過直湖港閘站北排水量分別增加0.29億m3、0.48 億 m3、0.57 億 m3，增幅分別為 10.1%、16.9%、20.0%，通過遙觀南樞紐北排水量增加0.08億m3、0.13億m3、0.17億m3；直武地區(qū)入太湖水量分別減少0.25億 m3、0.39 億 m3、0.61 億 m3，降幅分別為 21.3%、32.6%、51.7%；江邊樞紐排江略有增加。XG4方案中遙觀北樞紐北排水量增加0.12億m3，洛社斷面向下游水量減少0.14億m3，江邊樞紐北排水量增加1.05億m3，較基礎(chǔ)方案增加較為顯著。

綜合各方案效果，適度抬高直武地區(qū)入太湖控制水位對(duì)于區(qū)域防洪安全無明顯不利影響，但若進(jìn)一步抬高入湖控制水位，直武地區(qū)排水延遲，最高水位會(huì)抬升明顯，因此以入湖控制水位為4.8m為宜；同時(shí)新溝河沿江樞紐工程配合常州市和無錫市城防工程啟用進(jìn)行閘泵排水，有利于加強(qiáng)區(qū)域洪水北排長江，對(duì)控制區(qū)域水位有一定作用。

4 方案優(yōu)化驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化方案

進(jìn)一步優(yōu)化新溝河工程調(diào)度，直武地區(qū)入太湖控制水位按4.80m控制，同時(shí)，在新溝河工程調(diào)度中增加常州、無錫水位作為調(diào)度參考站，當(dāng)常州或無錫城防工程啟用時(shí)，及時(shí)啟用新溝河沿江樞紐泵站排水，增加新溝河江邊樞紐排水力度。

4.2 調(diào)控效果分析

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算并統(tǒng)計(jì)，相關(guān)成果見表4、表5。可知，較基礎(chǔ)方案，XG5方案太湖最高水位下降1cm，無錫（大）最高水位降低1cm，常州（三）、青陽、戴溪各站最高水位未因抬高直武地區(qū)入湖水位而升高。從高水位歷時(shí)看，區(qū)域高水位歷時(shí)變化不大，無錫（大）、戴溪站超警天數(shù)各減少1天，盡管部分站點(diǎn)超警天數(shù)或超保天數(shù)略有增加，總體上未增加區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)。XG5方案入直武地區(qū)水量減少0.39億m3，減幅32.7%；新溝河江邊樞紐排水量增加1.09億m3，增幅15.9%；西直湖港閘站北排水量增加0.46億m3，增幅16.4%，遙觀南樞紐、遙觀北樞紐北排水量分別增加0.14億m3、0.12 億 m3。

表4 太湖及河網(wǎng)區(qū)代表站水位極值情況統(tǒng)計(jì)

表5 汛期新溝河工程排水水量對(duì)比統(tǒng)計(jì)

綜上，XG5方案適當(dāng)抬高直武地區(qū)入湖水位至4.80m，同時(shí)新溝河江邊樞紐、遙觀北樞紐配合常州、無錫城防工程啟用增加排水力度，在減少直武地區(qū)入太湖水量的同時(shí)，增加直武地區(qū)北排水量，完善了武澄錫虞區(qū)防洪排澇格局。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）新溝河工程實(shí)施完成后，適當(dāng)抬高直武地區(qū)入湖口門控制水位，可以減少地區(qū)入太湖水量，降低太湖最高水位，進(jìn)一步緩解了太湖防洪壓力，同時(shí)不會(huì)明顯增加地區(qū)和區(qū)域的防洪壓力。

（2）新溝河沿江樞紐和遙觀北樞紐配合常州市和無錫市城防工程啟用泵站增加排水，可為京杭運(yùn)河和區(qū)域向北排水創(chuàng)造條件，增加區(qū)域通過新溝河北排長江水量。

（3）通過新溝河調(diào)度研究，為區(qū)域、城市防洪工程控制運(yùn)用提供了參考和方向。特別是無錫、常州防洪工程啟用時(shí)，結(jié)合潮位情況及時(shí)開啟沿江口門泵站進(jìn)行排水，增加區(qū)域洪水北排長江出路，充分發(fā)揮流域北排長江的作用。

5.2 建 議

隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和聯(lián)圩并圩的實(shí)施，區(qū)域下墊面發(fā)生劇烈變化，平原河網(wǎng)地區(qū)防洪形勢新老問題交織，僅靠新溝河排水對(duì)解決武澄錫虞區(qū)及京杭運(yùn)河防洪問題作用有限，建議加強(qiáng)湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)沿江口門和區(qū)域內(nèi)工程體系的聯(lián)合調(diào)度研究，通過對(duì)現(xiàn)有工程聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)向長江增排水量，以利于解決京杭運(yùn)河及區(qū)域防洪問題并進(jìn)一步緩解太湖流域的防洪形勢。