周 宏，劉 俊，劉 鑫，丁明梅，李 朋(.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 0098；. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 0098)

1 工程概況

2007年5月底，太湖藍(lán)藻大面積暴發(fā)造成無(wú)錫市供水危機(jī)，引起了國(guó)內(nèi)外各方面的高度關(guān)注。根據(jù)國(guó)務(wù)院要求，有關(guān)部門(mén)編制了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》，方案中提出為了治理太湖水環(huán)境，有效增加流域引江濟(jì)太進(jìn)入太湖水量，改善太湖水環(huán)境，需實(shí)施擴(kuò)大引江濟(jì)太調(diào)水工程，在此基礎(chǔ)之上需實(shí)施望虞河西岸控制工程[1]。然而，在望虞河引長(zhǎng)江水入太湖期間，西岸支河缺乏有效控制，與望虞河的水流交換頻繁。由于望虞河西岸地區(qū)的水質(zhì)較差，對(duì)引江濟(jì)太期間入湖水質(zhì)產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步增加望虞河入湖水量和水質(zhì)，改善流域水環(huán)境，增加流域泄洪和供水能力，對(duì)望虞河西岸實(shí)施有效控制，引水期間望虞河西岸滯留河道改由走馬塘排長(zhǎng)江。

按設(shè)計(jì)，在引水期，西控工程的運(yùn)行按“五年一遇以下暴雨”(即小水)和“五年一遇以上暴雨”(即大水)兩種運(yùn)行模式，小水時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，望虞河西岸的圩區(qū)改向走馬塘排澇。大水時(shí)，閘門(mén)打開(kāi)，按未進(jìn)行西控前的原有方式進(jìn)行泄洪排澇。非引水期，按未西控時(shí)的方式進(jìn)行泄洪排澇。

2 研究方法

望虞河西岸地區(qū)屬武澄錫虞區(qū)，為平原河網(wǎng)感潮地帶，區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)為五年一遇。西控工程實(shí)施后，在遇到五年一遇以下的暴雨時(shí)，走馬塘與望虞河之間的澇水要反向通過(guò)走馬塘排入長(zhǎng)江，走馬塘的水位抬高，導(dǎo)致望虞河西岸與走馬塘之間地區(qū)的水位同步升高，部分沒(méi)有設(shè)圩的半高地地區(qū)受淹風(fēng)險(xiǎn)增加。為研究望虞河西控工程對(duì)望虞河西岸與走馬塘之間無(wú)錫地區(qū)的影響，需通過(guò)排澇水文計(jì)算模擬五年一遇暴雨情況下西岸封閉時(shí)，河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的水位、流量過(guò)程、洪水位、高水位持續(xù)時(shí)間及半高地淹沒(méi)狀況與五年一遇暴雨情況下西岸未封閉時(shí)進(jìn)行比較，得出望虞河西控工程對(duì)無(wú)錫的排澇產(chǎn)生的影響。

為準(zhǔn)確進(jìn)行計(jì)算，本次研究采用丹麥水利研究所(DHI)研制的MIKE 11中的降雨徑流模塊(NAM)和水動(dòng)力模塊(HD)耦合模型進(jìn)行排澇水文計(jì)算。MIKE 11模型系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證的模型，適用于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算，是模擬一維水流和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件[2]。本次研究將NAM的計(jì)算結(jié)果作為水動(dòng)力模型的流量輸入條件，并添加可控水工建筑物，實(shí)現(xiàn)降雨徑流模型(NAM)與水動(dòng)力學(xué)模型(HD)的耦合及水閘、泵站的調(diào)度模擬。

在MIKE 11中，NAM模型通過(guò)連續(xù)計(jì)算積雪儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層、土壤和植物根區(qū)儲(chǔ)水層和地下儲(chǔ)水層4個(gè)不同且相互影響的儲(chǔ)水層的含水量來(lái)模擬產(chǎn)匯流過(guò)程。它表示了陸面的水文循環(huán)過(guò)程，以及4 種儲(chǔ)水層中不同的土壤狀態(tài)和水分的運(yùn)動(dòng)途徑[3]。作為一個(gè)集總式模型[4]，NAM 模型各個(gè)參數(shù)和變量取流域的平均值，其初始值先根據(jù)流域的自然特征初定，然后利用歷史水文資料進(jìn)行率定。

水動(dòng)力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程公式如下。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

可控水工建筑物是指模擬過(guò)程中按照各種預(yù)設(shè)的調(diào)度規(guī)則，模型可自動(dòng)判斷調(diào)整運(yùn)行方式(如閘門(mén)開(kāi)啟度、過(guò)閘流量等)的一類建筑物，包括水閘、橡膠壩、水泵等。MIKE11 的可控建筑物模塊提供了極豐富的閘門(mén)操作設(shè)計(jì)，有迭代、表格、全開(kāi)等9 種計(jì)算模式，可設(shè)置不同的調(diào)度方案及其優(yōu)先級(jí)，細(xì)化調(diào)度目標(biāo)和調(diào)度時(shí)機(jī)，極大地豐富和提高了MIKE 11對(duì)各類實(shí)際工程情況的模擬能力[5]。而且，該模塊中設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置直觀而簡(jiǎn)單，調(diào)度方式的設(shè)置手段也非常豐富，使MIKE 11能非常靈活方便地模擬各種防洪和水資源調(diào)度方案。

3 模型構(gòu)建

因走馬塘以西部分排水方向不變，并且有運(yùn)東大包圍工程，強(qiáng)排能力較強(qiáng)。但走馬塘與望虞河之間區(qū)域地處長(zhǎng)江與京杭大運(yùn)河的中間地帶，泄洪和調(diào)排水距離都相對(duì)較遠(yuǎn)，當(dāng)“小水年”時(shí)排水方向改變，由原來(lái)的“西水東流”變?yōu)槟嫦蚺畔蜃唏R塘，這部分區(qū)域河流流向?qū)⒏淖?，流速將大大降低，甚至滯流，河流自凈能力也將下降。再加上望虞河西岸地區(qū)的未設(shè)防半高地較多，增加了無(wú)錫部分地區(qū)的河道水位及排澇壓力。因此，西控工程對(duì)望虞河以西與走馬塘之間這部分區(qū)域的負(fù)面影響最大，從而確定這部分區(qū)域?yàn)楸敬窝芯康闹攸c(diǎn)區(qū)域，具體水系圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域水系圖Fig.1 Generalized graph of research area

3.1 河網(wǎng)概化

本次計(jì)算范圍屬平原河網(wǎng)區(qū)，區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，連結(jié)成網(wǎng)。在河網(wǎng)內(nèi)部還有眾多湖泊以及水閘、泵站、涵洞等水工建筑物。如果將所有的河道都概化在模型中，那么必將費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且有些河道調(diào)蓄作用很小或者基本不起輸水作用，概化與否對(duì)水位流量的影響結(jié)果很小。因此，在河網(wǎng)概化的過(guò)程中以骨干河道為基礎(chǔ)，以基本反映天然河網(wǎng)的水力特性為基本原則進(jìn)行合理的河道和湖泊概化，使概化后的計(jì)算河網(wǎng)能盡可能真實(shí)地反映天然河網(wǎng)的水力情況[6]。

因此本次概化以望虞河、錫澄運(yùn)河-京杭大運(yùn)河、沈?yàn)^港-走馬塘、白屈港、十一圩港、東橫河、南橫套、張家港河、九里河、伯瀆港為干流，其他河道為支流形式匯入干流。對(duì)研究范圍的河道進(jìn)行了細(xì)化，評(píng)價(jià)區(qū)域加密至村級(jí)河道。計(jì)算范圍內(nèi)的其他區(qū)域的河道只概化規(guī)模較大的河道，對(duì)于調(diào)蓄作用較小的河道結(jié)合水面率的要求作為陸域面上的調(diào)蓄水面；湖泊概化為調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，對(duì)于只有景觀作用而無(wú)調(diào)蓄做的湖泊類似于小河道滿足水面率要求。河網(wǎng)共概化河道137條，河道節(jié)點(diǎn)共901個(gè)，河道概化見(jiàn)圖2。

圖2 河道概化圖Fig.2 Generalized graph of rivers

3.2 集水區(qū)域的劃分

平原河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，數(shù)目眾多，同時(shí)由于人為干預(yù)(水利分片治理、行政區(qū)劃的范圍等)以及河網(wǎng)概化等因素的影響，直接用DEM數(shù)據(jù)提取時(shí)誤差較大，使得降雨徑流在集水區(qū)域內(nèi)部之間的分配變得比較困難[7]。本次研究以各主干河道為基本邊界，綜合考慮河流的流向、地形特點(diǎn)以及最新下墊面資料等條件，根據(jù)排水方向進(jìn)行集水區(qū)域的劃分，同時(shí)綜合考慮水系的完整性、邊界條件的穩(wěn)定性以及周?chē)鷧^(qū)域?qū)ρ芯繀^(qū)域洪澇水位的影響等因素，選定基本邊界為北至長(zhǎng)江、南至太湖、西至錫澄運(yùn)河-京杭大運(yùn)河、東至望虞河，集水區(qū)域的劃分見(jiàn)圖3。

圖3 集水區(qū)域的劃分Fig.3 Division of catchment areas

3.3 水工建筑物概化

平原河網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力模擬過(guò)程中，不可避免地要涉及堰、閘、泵等水工建筑物。在這些建筑物處，圣維南方程組已經(jīng)不再適用，必須根據(jù)水工建筑物的水力學(xué)特征作特殊處理。在MIKE11模型中水工建筑物的設(shè)置一般非常的直觀，直接輸入設(shè)計(jì)參數(shù)即可，同時(shí)也可以自定義其他各種水工建筑物。在本次研究中主要涉及可控水工建筑物的設(shè)置，每個(gè)可控建筑物都可能有多種調(diào)度方式，比如一座閘可以用于防洪、也可用于水污染控制調(diào)度等等，那么在這些調(diào)度方式中存在一個(gè)優(yōu)先度的問(wèn)題，在MIKE11中，這些調(diào)度方案的優(yōu)先度是通過(guò)設(shè)定的Priority值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，值越小優(yōu)先度越高。

本次概化將主要的水工建筑物進(jìn)行了概化，包括望虞河西岸的水閘、泵站，無(wú)錫運(yùn)東大包圍的水閘、泵站以及長(zhǎng)江沿岸的水閘、泵站等，可控建筑物的概化見(jiàn)圖4。

圖4 可控水工建筑物概化Fig.4 Generalized graph of controllable hydraulic structures

3.4 參數(shù)率定

為了保證模型參數(shù)的精確，本次率定選用武澄錫虞區(qū)2012年8月1日至8月25日的實(shí)測(cè)降雨過(guò)程，其中最大1日126.1 mm，最大3日141.2 mm，最大7日149.9 mm，最大15日234.5 mm；邊界水位選取長(zhǎng)江實(shí)測(cè)潮位、太湖實(shí)測(cè)水位等邊界資料；參數(shù)的率定選取計(jì)算范圍內(nèi)有實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)的水文站，甘露站、青旸站、陳墅站。率定結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 各測(cè)站率定結(jié)果Fig.5 Results of parameter calibration

由圖5可知，模型計(jì)算的各測(cè)站率定值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)一致，能較好吻合，計(jì)算誤差不大，能較好地反映實(shí)際情況，可見(jiàn)參數(shù)率定合理，模型計(jì)算可靠，可以用于后面的5年一遇排澇水位的計(jì)算。

3.5 遭遇5年一遇暴雨時(shí)排澇水位計(jì)算

選用武澄錫虞區(qū)12個(gè)雨量測(cè)站1951-2013年共63年逐日降雨量資料。采用年最大值法點(diǎn)繪選最大1、3、7、15、30日雨量頻率曲線，根據(jù)最大7日雨量得出5年一遇設(shè)計(jì)暴雨，與1975年實(shí)測(cè)值相近。因此采用1975年6月20日至6月26日實(shí)測(cè)降雨過(guò)程分別作為五年一遇典型暴雨過(guò)程，然后根據(jù)同頻率縮放得到逐時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，詳見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域5年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程 mmTab.1 Regional design rainstorm process

將各計(jì)算結(jié)果輸入模型，設(shè)定邊界及水工建筑物調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行模型計(jì)算。

4 計(jì)算成果分析

4.1 水位變化

5年一遇暴雨情況下西控工程封閉與否各支河口門(mén)最高水位對(duì)比情況表見(jiàn)表2。

表2 各支河入望虞河口門(mén)水位變化情況 mTab.2 Water level change of branch rivers into the Wangyu River

在遭遇5年一遇暴雨情況下，無(wú)西控工程時(shí)，望虞河西岸支流河口最高水位在3.99～4.05 m；當(dāng)西岸控制工程實(shí)施之后，最高水位上升至4.15～4.22 m，4條主要支流最高水位抬升幅度由北向南分別為14、15、16、23 cm。

結(jié)果表明，在望虞河西岸控制期間，走馬塘成為西岸地區(qū)的主要排水通道，走馬塘與望虞河之間的河道水流流向變?yōu)橛蓶|向西、由南向北，造成望虞河支流河口水位升幅最高，且位置偏南的河道排水路線長(zhǎng)，水位升幅最大。

對(duì)于望虞河以西走馬塘以東區(qū)域，西控實(shí)施前，5年一遇暴雨情況下，各主要河道最高水位為3.97～4.05 m；西岸封閉之后各主要河道最高水位上升為4.18～4.23 m，并具有由北向南遞增的趨勢(shì)。最高水位抬升約15～24 cm，而且具有由北向南，由西向東升高的趨勢(shì)。

另外西控封閉之后河道高水位持續(xù)時(shí)間增加，4.0 m以上水位持續(xù)時(shí)間在2.5～3 d，較長(zhǎng)的高水位持續(xù)時(shí)間對(duì)錫山各地區(qū)防洪壓力增大，圩區(qū)的圩堤、不設(shè)防的半高地、低洼地區(qū)都有一定風(fēng)險(xiǎn)。

走馬塘以東地區(qū)在望虞河西控未封閉時(shí)、封閉后最高水位等值線圖及區(qū)域水位抬升幅度等值線圖見(jiàn)圖6。

圖6 等值線圖Fig.6 Contour maps

4.2 受淹情況

根據(jù)無(wú)錫市歷史洪澇資料統(tǒng)計(jì)，沿河易淹區(qū)主要位于錫山區(qū)，在錫北運(yùn)河及其支流大塘河、張繆舍河、八士港沿線和羊尖塘沿線。5年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，西控工程實(shí)施后，最高水位的升高及高水位持續(xù)時(shí)間的增加，使得不設(shè)防的低洼區(qū)及半高低受淹情況增多，根據(jù)錫山區(qū)半高地和低洼片受淹情況統(tǒng)計(jì)，得出在西控工程實(shí)施后，5年一遇暴雨情況下，錫山區(qū)不設(shè)防區(qū)和半高地受淹情況統(tǒng)計(jì)，其中受淹農(nóng)田面積為2.67 hm2；受淹企業(yè)共5家，總計(jì)面積3 400 m2。

5 結(jié) 論

通過(guò)MIKE 11模型對(duì)望虞河西岸與走馬塘之間河網(wǎng)進(jìn)行概化，將NAM模型與HD模塊進(jìn)行耦合，加進(jìn)水工建筑物模塊并對(duì)調(diào)度方式進(jìn)行模擬計(jì)算，得出主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)于錫山區(qū)不設(shè)防的半高地，在西控實(shí)施前，在5年一遇暴雨情況下基本不受淹。西控工程實(shí)施后，由于澇水位升高，導(dǎo)致受淹地區(qū)增加。

(2)西控工程實(shí)施之后，切斷了望虞河以西區(qū)域向望虞河的5年一遇以下暴雨的排水，望虞河與走馬塘之間河道水流反向，呈自東南向西北流向。望虞河西岸最高水位普遍抬升，望虞河與走馬塘之間的區(qū)域水位抬升在15～24 cm，走馬塘以西河口水位升高也在10 cm以上。受影響區(qū)域內(nèi)高水位持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，超過(guò)4 m的高水位持續(xù)時(shí)間增加2～3 d。

(3)5年一遇區(qū)域最高水位為4.23 m，相當(dāng)于該區(qū)域10年一遇設(shè)計(jì)水位。西控工程封閉之后，對(duì)現(xiàn)狀條件下已經(jīng)達(dá)到10年一遇標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)不會(huì)造成影響，對(duì)于望虞河西岸現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)到10年一遇標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，會(huì)造成洪水淹沒(méi)潛在影響。

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