崔 冬,趙庚潤,盧永金

(上海市水利工程設計研究院,上海 200061)

黃浦江上接太湖,下通長江口,穿越上海市中心城區(qū),是區(qū)域行洪除澇的重要排水河道,其兩岸防汛墻是保障上海市區(qū)防汛安全的重要屏障。受全球氣候變化、地面沉降及流域工情和水情變化等因素的影響,當前黃浦江兩岸防汛墻實際防御水平由原定的千年一遇降為約200年一遇[1],遠低于國家要求的千年一遇設防標準,急需采取有效措施以提高城市防汛能力。

風暴潮是上海地區(qū)防汛面臨的最大問題[2],僅20世紀上海遭遇的特大和嚴重潮災就有 10次,災害損失嚴重。參照國外許多成功案例,有關研究認為在黃浦江河口建閘擋風暴潮是徹底解決上海中心城區(qū)防汛保安問題的有效措施之一[3-4],而擋潮效果是進行河口建閘前期決策的重要依據(jù),展開相關研究非常必要,但受流域來水、閘門運行等條件的限制,河口閘的擋潮效果難以計算。

針對上述問題,本文研究了擋潮效果的計算水情和水閘調度運行方案,采用3種尺度的河網(wǎng)模型計算建閘前后閘內進潮量和閘內高潮位的變化,對建閘擋潮效果進行定量分析,還研究了水閘不同起關潮位與關閘歷時對擋潮效果的影響,可為項目的前期決策提供重要技術支撐,也可為類似工程提供參考。

1 黃浦江自然條件及初擬水閘閘址方案

黃浦江是太湖流域最大的入江河流,也是流域目前唯一敞口的通江河道。干流自米市渡至吳淞口長約80km(圖1),水深河寬,上、中段水深7～10m,下段水深達12m,河寬400～500m,絕大部分河段已形成了與來水來沙相適應的相對穩(wěn)定的河床。黃浦江水系為平原感潮河網(wǎng),潮汐屬于非正規(guī)淺海半日潮。口門吳淞站平均高潮位為3.24m(上海吳淞基面 ,下同),歷史最高潮位為 5.99m(發(fā)生于“9711”號臺風期間),千年一遇設計高潮位為6.60m[5]。

圖1 黃浦江河網(wǎng)模型模擬范圍

黃浦江下游段岸線利用已經(jīng)飽和,前期經(jīng)過多輪遴選,初定了離河口5.8km的長航錨地閘址方案(圖1),但該方案存在拆遷量大、水流不夠順暢、閘下岸線過長等不利因素[6]。當前有關部門正在組織開展吳淞口閘址方案的相關研究,該方案閘址位于黃浦江入長江口口門,是最能發(fā)揮建閘擋潮效益的理想選址,但因吳淞口的重要地位及其對黃浦江河勢的控制作用,該方案是否可行尚無定論。本文僅針對前期初定的長航錨地閘址方案展開相關研究,其中閘址斷面江面寬度約為 550m,河床形態(tài)呈“V”字形,深槽側靠浦西,最低高程為-12m,初擬閘孔總凈寬為375m,閘底高程為-12m[7]。

2 計算模型與計算條件

2.1 河網(wǎng)模型

一維數(shù)學模型是研究河網(wǎng)水動力問題的有效手段[8-10],但由于水閘調度運行期間會將黃浦江的流態(tài)由往復流改變?yōu)橄蛳碌膯蜗蛄?勢必會對上游較大范圍內的水流邊界條件產(chǎn)生一定影響。為消除這種影響,需考慮建閘對流域來水的影響,因此應擴大模型范圍,在上海市區(qū)乃至太湖流域范圍展開相關研究,但大尺度河網(wǎng)模型在模擬局部問題時往往存在精度不高的缺點。

為考慮建閘對上游流域來水的影響并保證模型模擬局部問題時的精度,采用太湖流域河網(wǎng)模型[11]、上海市區(qū)河網(wǎng)模型[12]、黃浦江河網(wǎng)模型[13]等3種尺度的模型聯(lián)合分析計算,其中太湖流域河網(wǎng)模型用來為上海市區(qū)河網(wǎng)模型提供建閘前后的水流邊界條件,上海市區(qū)河網(wǎng)模型用來為黃浦江河網(wǎng)模型提供建閘前后的水流邊界條件,黃浦江河網(wǎng)模型用來精細模擬研究方案。

黃浦江河網(wǎng)模型和太湖流域河網(wǎng)模型的模擬范圍如圖1、圖 2所示,限于篇幅,僅介紹黃浦江河網(wǎng)模型。由于黃浦江兩岸支流均已采用泵閘控制,黃浦江河網(wǎng)模型模擬范圍主要集中在上游米市渡至下游吳淞口之間的干流段。模型采用丹麥水力學研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 11一維模型中的水動力學模塊(HD模塊)進行模擬計算,基本方程為一維非恒定流的圣維南方程組,解法為“追趕法”。該模型可以較為方便地設置水利樞紐控制結構物的各種調度規(guī)則,可以精確模擬水閘復雜的調度運行方式。模型采用2002年10月6—10日的實測水文資料對黃浦江主要測站的潮位過程、流量過程進行率定驗證,率定驗證成果符合相關規(guī)范要求[13]。

圖2 太湖流域河網(wǎng)模型模擬范圍

2.2 計算條件

除水閘閘址、閘孔規(guī)模外,研究擋潮效果的重要基礎條件還包括計算水情、水閘調度運行條件等,這些基礎條件的選取與設定直接影響擋潮效果的定量分析成果。

2.2.1 計算水情

計算水情應根據(jù)水閘防洪(潮)標準進行選擇。根據(jù)國家有關規(guī)定,上海市區(qū)防洪(潮)標準為千年一遇。根據(jù)CJJ50—1992《城市防洪工程設計規(guī)范》規(guī)定,城市范圍內的河道及沿岸土地利用必須服從行洪要求,各項工程建設及其防洪標準不得低于該城市的防洪標準。因此,水閘建成后的防御對象主要為千年一遇標準以內的風暴潮,選取黃浦江遭遇千年一遇風暴潮時的水情作為研究擋潮效果的計算水情,具有較好的代表性和較高的保證率。

由于千年一遇風暴潮水情并未發(fā)生過,需采用實際發(fā)生過的較大水情進行構造。以引發(fā)黃浦江吳淞口歷史最高潮位的“9711”號臺風期間水情為基礎,對下游吳淞口“9711”號臺風期間實測潮位過程進行同倍比放大,放大后的潮型高高潮位為千年一遇設計高潮位6.60m,最大潮差為4.8m。上游流域各邊界仍采用“9711”號臺風期間實況水位過程,區(qū)間降雨采用“9711”號臺風期間實況降雨過程。模擬時段內黃浦江兩翼地區(qū)按照防汛排澇安全要求實行統(tǒng)一調度,向黃浦江排水。

2.2.2 水閘調度運行條件

水閘調度運行條件包括調度方式及起關潮位與啟閉歷時等。

a.調度方式。黃浦江河口建閘實施擋潮調度的目的是阻擋閘下高潮位的上溯,保證上游流域來水的及時排泄以及閘內的防汛安全。采用漲潮擋水、落潮泄水的調度方式可實現(xiàn)此目的。較為理想的調度方式為當閘址處水流方向朝上游時關閘擋潮,當落潮過程閘內外兩側水位齊平時開閘泄水。但由于水流運動的復雜性及閘門啟閉操作的延時性,上述調度方式在實際操作過程中很難實現(xiàn),尤其是漲潮過程閘門起關時刻較難把握。相對而言,漲至某一特定潮位時關閘擋潮較為現(xiàn)實。因此,為研究擋潮效果,初步擬定水閘的調度方式為:漲潮過程中漲至某一特定高潮位時關閘擋潮,落潮過程中當閘內外水位齊平時開閘泄水。需要說明的是,由于水閘規(guī)模大,水閘實際調度運行中可能不會如此頻繁啟閉,上述擬定的調度方式仍然較為理想。

b.起關潮位。由于潮位上漲速度較快,過低的起關潮位可能導致閘內外過大的潮位差進而影響水閘結構安全;而潮位過高則影響擋潮效果,增加閘內防汛墻的防汛壓力。擬根據(jù)建閘后閘內各站點的警戒水位設置水閘起關潮位,即水閘的起關潮位應保證關閘后閘內站點水位基本不超過警戒水位。根據(jù)黃浦公園4.55m的警戒水位要求,認為水閘的起關潮位可初擬為3.75m左右。

c.啟閉歷時。啟閉歷時包括開閘歷時與關閘歷時(即完成一次開閘或關閘運行所需的時間),其中關閘歷時的長短直接影響擋潮效果。關閘太快會產(chǎn)生激振波,太慢則影響水閘擋潮功能的發(fā)揮。國外大型擋潮閘關閘歷時大多在30min以上,如荷蘭的馬斯蘭特閘、意大利的威尼斯瀉湖閘關閘歷時為2.5h,荷蘭的東謝爾德閘關閘歷時為1h,英國的泰晤士閘、俄羅斯的涅瓦河口閘關閘歷時為30min。為研究擋潮效果,初步擬定黃浦江河口閘的關閘歷時為40min。

3 計算結果分析

運用上述3種尺度的河網(wǎng)模型聯(lián)合計算,采用初步擬定的計算水情及水閘調度運行條件,通過分析建閘前后閘址斷面進潮量與閘內高潮位的變化,對黃浦江建閘擋潮效果進行定量研究,進一步分析水閘不同調度運行參數(shù)(起關潮位及關閘歷時)對擋潮效果的影響。

3.1 建閘前后閘址斷面進潮量的變化

在計算水情下,建閘前后閘址處漲落潮流量過程曲線如圖3所示(圖中流量正值表示落潮流量,負值表示漲潮流量,下同),漲潮過程累積進潮量如圖4所示。

圖3 建閘前后閘址處流量過程曲線

圖4 建閘前后閘址處累積進潮量

由圖3和圖4可以看出:遭遇計算水情時,建閘前后一個漲潮過程內通過閘址斷面的累積進潮量分別為1.6×108m3與0.3×108m3,建閘后進潮量比建閘前減少了約80%。因此,黃浦江河口建閘可大幅度減少風暴潮期間漲潮過程的進潮量,有效阻止高潮位的上溯。

3.2 建閘前后閘內高潮位的變化

遭遇計算水情時,建閘前后閘址處上游側潮位過程曲線如圖5所示,黃浦江閘內河段沿程高潮位的分布情況如圖6所示。

圖5 建閘前后閘址處上游側潮位過程曲線

圖6 建閘前后黃浦江閘內河段沿程高潮位的分布

由圖5和圖6可以看出:遭遇計算水情時,建閘前閘址斷面(距米市渡73.5km)最高潮位可達6.6m,而建閘后最高潮位降至4.2m,降幅達2.4m。建閘前黃浦江閘內河段高潮位在5.3～6.6m之間,上游低下游高,外灘黃浦公園(距米市渡54.8km)處為6.4m;而建閘后通過閘門的調度,可將黃浦江閘內河段高潮位普遍控制在3.6～4.2m之間,與建閘前相比閘內沿程高潮位有1.7～2.4m的降幅,且自金匯港北閘(距米市渡25.5km)至閘址段降幅均在2m以上。因此,黃浦江河口建閘能有效降低風暴潮期間閘內河段的高潮,對減輕閘內防潮壓力極為有利。

綜上,若閘址選在長航錨地,閘孔總凈寬375m,水閘按起關潮位3.75m、關閘歷時40min進行調度,則在遭遇千年一遇風暴潮水情時閘址內側進潮量減少80%,黃浦江閘內干流段高潮位普遍降低1.7～2.4m,擋潮效果明顯,能有效提高上海市區(qū)防汛能力。

3.3 起關潮位的影響

起關潮位共研究了3.00m,3.75m和4.50m這3組工況(關閘歷時以 40min為例)。圖 7為不同起關潮位下建閘前后閘址處流量過程曲線。計算結果表明,3組起關潮位下,閘址斷面一個漲潮過程內累積進潮量分別為 0.164×108m3,0.318×108m3,0.508×108m3,與建閘前相比分別降低了 90%,80%,68%。即3組起關潮位均能起到較好的擋潮效果,且水閘起關潮位越低,擋潮效果越好。

圖7 不同起關潮位下閘址處流量過程曲線

3.4 關閘歷時的影響

關閘歷時共研究了20min,40min和60min這3組工況(起關潮位以3.75m為例)。圖8為不同關閘歷時下建閘前后閘址處流量過程曲線。計算結果表明,3組關閘歷時下,閘址斷面一個漲潮過程內累積進潮量分別為 0.214×108m3,0.318×108m3,0.426×108m3,與建閘前相比分別降低了 87%,80%,73%。即3組關閘歷時均能起到較好的擋潮效果,且關閘歷時越短,擋潮效果越好。

圖8 不同關閘歷時下閘址處流量過程曲線

4 結 語

本文在前期已有成果所推薦的閘址和規(guī)模的基礎上,初步擬定計算水情、水閘調度運行方案等重要基礎條件,采用太湖流域、上海區(qū)域和黃浦江干流3種尺度的河網(wǎng)模型聯(lián)合分析計算,對黃浦江河口建閘的擋潮效果進行定量分析,并研究了不同調度參數(shù)對擋潮效果的影響。研究結果表明,若閘址選在長航錨地,閘孔總凈寬375m,水閘按起關潮位 3.75m、關閘歷時40min進行調度,則在遭遇千年一遇風暴潮水情時,閘址內側進潮量減少80%,黃浦江閘內干流段高潮位普遍降低1.7～2.4m,擋潮效果明顯,能有效提高上海市區(qū)防汛能力。就水閘調度參數(shù)對擋潮效果的影響而言,水閘起關潮位越低,關閘歷時越短,擋潮效果越好。

致謝:本研究得到了太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心楊洪林教授級高級工程師、章杭惠高級工程師,上海市水務規(guī)劃設計研究院徐貴泉教授級高級工程師、唐迎洲工程師的大力協(xié)助,在此致以衷心的感謝!

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[1]盧永金.上海市防御臺風戰(zhàn)略對策探討[J].城市道橋與防洪,2007(4):29-33.

[2]林榮,李國芳.黃浦江風暴潮位、區(qū)間降雨量和上游來水量遭遇分析[J].水文,2000,20(3):1-5.

[3]上海市防汛信息中心課題組.國內外沿海河口大城市防洪防潮標準及對策措施的調研[R].上海:上海市防汛信息中心,2000.

[4]陳美發(fā).黃浦江河口建閘工程規(guī)劃研究[J].水利水電科技進展,2001,21(5):12-13.

[5]黃浦江潮位分析課題組.黃浦江潮位分析(修編)[R].上海:上海市水文總站,2004.

[6]胡欣,徐貴泉,黃士力,等.黃浦江河口建閘工程選址研究報告[R].上海:上海市水務規(guī)劃設計研究院,2005.

[7]盧永金,劉新成,崔冬,等.黃浦江河口擋潮閘的設防標準和閘孔規(guī)模研究[R].上海:上海市水利工程設計研究院,2011.

[8]崔冬,劉新成,潘麗紅.一、二維耦合數(shù)學模型在水利樞紐通航水流條件研究中的應用[J].水利水電科技進展,2009,29(1):35-39.

[9]董傳紅,王保東.一維不恒定流河網(wǎng)數(shù)學模型研究與應用[J].水利水電技術,2005(4):18-20.

[10]蘇飛,王士武,陳雪,等.平原河網(wǎng)一維水流計算模型在洪水期和枯水期的應用[J].中國農(nóng)村水利水電,2008(1):34-36.

[11]楊洪林,章杭惠,李琛,等.黃浦江河口規(guī)劃水閘泄洪能力研究[R].上海:太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心,2010.

[12]徐貴泉,陳長太,唐迎洲,等.黃浦江河口規(guī)劃閘內設防水位研究[R].上海:上海市水務規(guī)劃設計研究院,2010.

[13]劉新成,崔冬,趙庚潤,等.黃浦江河口擋潮閘一維、二維數(shù)模專題研究[R].上海:上海市水利工程設計研究院,2010.