徐 馳，董慶華，張宏雅，張浮平

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430015)

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)地快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，人口、產(chǎn)業(yè)、財(cái)富向城市快速集中，城市應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害的防御能力需要不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大約有2/3的城市不同程度的遭受洪水災(zāi)害[1, 2]，其中大部分都坐落在長(zhǎng)三角和珠三角等強(qiáng)降雨地區(qū)。根據(jù)要求，我國(guó)一等城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為200年，但部分城市目前的防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期僅有50年一遇～100年一遇(例如南京)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步提升。同時(shí)，由于降雨的年內(nèi)分配不均，我國(guó)的800多座城市中有將近一半處于缺水的狀態(tài)，其生產(chǎn)生活供水保證率還需要進(jìn)一步提高[3, 4]。

近些年，我國(guó)城市面臨的資源型缺水和水質(zhì)型缺水問(wèn)題越來(lái)越凸顯，水資源保障、防洪減災(zāi)、水生態(tài)修復(fù)、水景觀等城市涉水需求逐漸加大。城市河湖水網(wǎng)連通是城市除水患、興水利、惠民生的重要舉措，其防洪和水資源利用效益對(duì)提高城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要作用。提高水網(wǎng)防洪安全和水資源利用效益的重要舉措之一是利用城市中的河湖水網(wǎng)調(diào)蓄汛期雨洪資源，化害為益，在枯期保障供水安全。這種方法由城市雨水利用、城市排水和防洪中衍生出來(lái)，即為城市雨洪資源利用，國(guó)外也稱城市雨洪管理。目前，科學(xué)利用水網(wǎng)中的閘門(mén)、泵站等控制建筑物調(diào)節(jié)雨洪資源是發(fā)揮水網(wǎng)綜合效益的關(guān)鍵[5]。MIKE系列模型結(jié)構(gòu)清晰、界面友好、考慮涉水要素全面，在河口、河流、河湖水網(wǎng)模型構(gòu)建方面應(yīng)用廣泛[6-8]，非常適合研究我國(guó)南部水網(wǎng)密布地區(qū)的水動(dòng)力情況，其FLOOD模塊可將一維河道和二維湖泊有機(jī)整合，在模擬過(guò)程中充分重現(xiàn)河湖串聯(lián)水網(wǎng)地區(qū)湖泊水力邊界受河流動(dòng)態(tài)變化的影響，是研究河湖水網(wǎng)的重要工具[9]。南京市高淳區(qū)水系發(fā)達(dá)，境內(nèi)固城湖是最重要的水源地，周邊修建有以水碧橋閘、楊家灣閘為代表的一批水利工程，具有得天獨(dú)厚的水網(wǎng)構(gòu)建模式研究基礎(chǔ)。

本次研究以南京市高淳區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)MIKE FLOOD模型分析河湖水網(wǎng)的防洪及雨洪資源利用效益，提出一種汛期滿足地區(qū)防洪安全，枯期保障供水安全的高淳區(qū)水網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行模式。

1 研究區(qū)概況

高淳區(qū)位于南京市最南端(北緯31°13′～31°26′、東經(jīng)118°41′～119°12′)，北臨溧水，東界溧陽(yáng)，南部和西部與安徽郎溪、宣州、當(dāng)涂三縣(市)接壤[10]。高淳南北相距29 km，東西最大相距49 km，總面積802 km2，其中陸地面積566.5 km2，占70.65%，水域面積235.5 km2，占29.35%。

高淳區(qū)多年平均氣溫16.2 ℃，多年平均降水量達(dá)1 194.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為861.9 mm。多年平均風(fēng)速為2.8 m/s，多年平均相對(duì)濕度77.9%。降水量在時(shí)空上分布不均勻，汛期(5-9月)降水量占全年降水量的60%，其中夏季降水量平均占全年40%，且大部分集中于梅雨季節(jié)的6月中旬至7月中旬；冬季(12-2月)最少，占全年的14%。

高淳區(qū)以茅東閘為界，分屬水陽(yáng)江和太湖兩個(gè)水系。水陽(yáng)江水系境內(nèi)有兩個(gè)湖泊，即固城湖、石臼湖；有水碧橋河、官溪河、石固河、胥河四條主要河流將兩個(gè)湖泊相連。本次研究的城市河湖水網(wǎng)構(gòu)建模式以固城湖、水碧橋河、官溪河、石固河、胥河為研究重點(diǎn)，石臼湖和水陽(yáng)江作為邊界條件[11](圖1)。

圖1 高淳區(qū)重點(diǎn)河流、湖泊組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of key rivers and lakes of Gaochun District

2 模型建立

2.1 MIKE模型介紹

數(shù)值模擬是研究河湖水網(wǎng)的基礎(chǔ)，其核心問(wèn)題是河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的建立及求解，模型求解的控制方程為圣維南方程。本次模擬使用在生產(chǎn)實(shí)踐中屢經(jīng)檢驗(yàn)的丹麥MIKE系列模型。該系列模型可劃分為三個(gè)維度，分別是基于一維非連續(xù)流方程的MIKE 11一維非連續(xù)流模型，基于二維淺水方程的MIKE 21二維漫流模型，一、二維耦合的MIKE FLOOD模型。其中MIKE 11常應(yīng)用于模擬洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)圖繪制，分洪道、水工建筑物和調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)等；MIKE 21能夠較好地模擬湖泊、河口、海灣等二維自由表面流的流體狀態(tài)；MIKE FLOOD 模型將一維與二維模型耦合，能發(fā)揮各自的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，在模擬過(guò)程中充分重現(xiàn)河湖串聯(lián)水網(wǎng)地區(qū)湖泊水力邊界受河流動(dòng)態(tài)變化的影響，更精確地模擬河湖水網(wǎng)的水流特征[12, 13]。

2.2 模型建立步驟

(1)模型概化。研究以高淳區(qū)最主要的水源固城湖為核心，以周邊水碧橋河、官溪河、石固河、胥河四條最重要的河流為對(duì)象，概化出高淳水網(wǎng)模型。概化過(guò)程充分依據(jù)收集到的河道斷面數(shù)據(jù)、湖泊水下地形數(shù)據(jù)，河流水系等實(shí)測(cè)地理信息數(shù)據(jù)，并使用ArcGIS地理信息系統(tǒng)交互處理，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行處理，最終生成可供MIKE軟件識(shí)別的文件[14]。

(2)設(shè)定邊界條件和主要參數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定固城湖的初始水位為9.5 m；水碧橋河、官溪河、石固河、胥河與固城湖相連，在模型中設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)連接；降雨、蒸發(fā)、風(fēng)場(chǎng)等邊界條件基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定。模型中糙率取0.03，河床阻力取0.32 m1/3/s，最大迭代次數(shù)取20，水體密度設(shè)為常數(shù)，渦黏系數(shù)取0.28，其他重要參數(shù)求解見(jiàn)圖2。

水陽(yáng)江和石臼湖作為模型的外邊界條件，其中水陽(yáng)江根據(jù)調(diào)查實(shí)際情況分別設(shè)置為上游流量、下游水位邊界，石臼湖做簡(jiǎn)化處理，設(shè)置為8 m的固定水位邊界。

(3)模型原理。一維水動(dòng)力模型方程組為：

(1)

式中：x為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；g為重力加速度；t為時(shí)間；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；Q為流量；q為旁側(cè)入流量；h為水位;a為動(dòng)量分布系數(shù)。上式中第一個(gè)方程為質(zhì)量守恒方程，第二個(gè)方程為動(dòng)量守恒方程[8, 15, 16]。

圖2 MIKE 模型主要參數(shù)的設(shè)定Fig.2 Setting the main parameters of the MIKE model

二維非恒定淺水運(yùn)動(dòng)方程組為：

(2)

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；h為水深；η為水位；u、v分別為x、y方向上的速度分量；g為重力加速度；ρ為水的密度;C為謝才系數(shù)；τxx、τyy、τxy分別有效剪應(yīng)力分量；S為源項(xiàng)；Ω為科氏力系數(shù)；f(V)是風(fēng)摩擦力系數(shù)；V、Vx、Vy分別為風(fēng)速及風(fēng)速分量；Pa為大氣壓[17]。

(4)設(shè)定控制建筑物及調(diào)度規(guī)則。根據(jù)實(shí)際情況及研究需求，本次研究設(shè)定的控制建筑物包括4個(gè)閘門(mén)和兩個(gè)泵站，其中4個(gè)閘門(mén)為水碧橋閘、楊家灣閘、蛇山閘、茅東閘；兩個(gè)泵站為楊家灣泵站、蛇山泵站。本次研究為閘門(mén)和泵站設(shè)定了三組調(diào)度規(guī)則(見(jiàn)表1)，其中蛇山閘和茅東閘在調(diào)度規(guī)則中均處于關(guān)閉狀態(tài)。

(5)模型使用資料。本次模擬使用了高淳區(qū)高淳站2016年實(shí)測(cè)的降雨、蒸發(fā)、風(fēng)場(chǎng)等水文氣象數(shù)據(jù)。由于缺乏長(zhǎng)系列水文氣象數(shù)據(jù)，因此研究以2016年為基礎(chǔ)，并將系列較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)可靠的國(guó)家氣象信息中心南京站1980-2009三十年長(zhǎng)系列降雨數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充數(shù)據(jù)。在長(zhǎng)度達(dá)20年后(1999年后)，南京站降雨數(shù)據(jù)的累積均值與多年平均值的相對(duì)誤差已穩(wěn)定在3%以內(nèi)，差積曲線包含了完整的豐、平、枯周期，以上分析說(shuō)明數(shù)據(jù)可靠。

表1 控制建筑物調(diào)度規(guī)則設(shè)定Tab.1 Setting regulation rules of control structure

經(jīng)分析，2016年的實(shí)測(cè)降雨量為1 273.9 mm，以此為基礎(chǔ)，確定模型中豐(5%)、平(50%)、枯(95%)的降雨量分別為1 819.8、1 049.9和722.5 mm?？紤]到水陽(yáng)江汛期時(shí)間比固城湖早，天然水網(wǎng)和分洪水網(wǎng)模擬時(shí)間為7月1日至8月25日；雨洪資源利用水網(wǎng)僅針對(duì)固城湖，其模擬時(shí)間為汛期一個(gè)月，即從7月26日至8月25日。根據(jù)調(diào)研，固城湖堤防50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的水位是13 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，汛期模擬期間降雨-徑流系數(shù)取0.7。

本次研究中豐水年水網(wǎng)的調(diào)度模擬是研究重點(diǎn)，平水年和枯水年水網(wǎng)的模擬僅作對(duì)比分析使用。

(6)模型構(gòu)建。為對(duì)比分析河湖水網(wǎng)的防洪及雨洪資源利用效益，本次研究在設(shè)定閘門(mén)和泵站的調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，建立了4個(gè)汛期的河湖水網(wǎng)模型，分別賦予高淳河湖水網(wǎng)為天然水網(wǎng)，分洪水網(wǎng)和雨洪資源利用水網(wǎng)三類功能特性(表2)。其中天然水網(wǎng)模型是不采取任何調(diào)度措施，維持水網(wǎng)的自然連通性模型(模型一)。分洪水網(wǎng)模型是根據(jù)現(xiàn)實(shí)中高淳水網(wǎng)汛期的調(diào)度規(guī)則建立的模型，該模型在保障高淳區(qū)防洪安全的前提下，水網(wǎng)在汛期有幫助水陽(yáng)江分洪的功能(模型二)。雨洪資源利用模型是假設(shè)的模型，目的是發(fā)揮高淳水網(wǎng)作為“城市水庫(kù)”的功能，以固城湖匯水區(qū)為研究對(duì)象，在保障防洪安全的前提下，合理蓄積洪水資源保證枯期供水安全(模型三和模型四)。該水網(wǎng)不考慮幫助水陽(yáng)江分洪的效益。

表2 高淳水網(wǎng)模型信息統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics table of model information of water network in Gaochun

3 結(jié)果與分析

3.1 天然水網(wǎng)模擬分析

模擬開(kāi)始時(shí)間是7月1日，此時(shí)恰遇水陽(yáng)江汛期開(kāi)始，固城湖水位受外江(水陽(yáng)江)水位影響，水位短期內(nèi)顯著上升，于7月6日升至13.35 m，已經(jīng)超過(guò)了地區(qū)50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)水位，之后內(nèi)湖水位由外江水位和本地降雨控制，開(kāi)始緩慢下降(圖3)。豐水年、平水年、枯水年的模擬結(jié)果相差不大，因?yàn)楣坛呛换居伤?yáng)江水位控制。天然水網(wǎng)的模擬表明固城湖水位完全由水陽(yáng)江水位控制，若沒(méi)有閘門(mén)控制，高淳區(qū)極易遭受洪水災(zāi)害。

圖3 天然水網(wǎng)的水位過(guò)程模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of water level process in natural water network

3.2 分洪水網(wǎng)模擬分析

該水網(wǎng)模擬了實(shí)際過(guò)程中固城湖幫助水陽(yáng)江的分洪過(guò)程[18]。在模擬初始時(shí)刻，水陽(yáng)江水位設(shè)定為9.5 m，楊家灣閘保持開(kāi)始狀態(tài)，水陽(yáng)江與固城湖連通，此時(shí)水陽(yáng)江流域洪水過(guò)境，江水位迅速提升并以最大570 m3/s的流量流入固城湖水網(wǎng)。固城湖水位迅速抬高，一日后水位即高于12 m，楊家灣閘立即關(guān)閉防止固城湖水位進(jìn)一步升高。

7月3日，水陽(yáng)江水位高于12.5 m，固城湖水位為10.9 m(小于12 m)時(shí)，根據(jù)調(diào)度規(guī)則，固城湖需要承擔(dān)部分水陽(yáng)江的防洪任務(wù)，此時(shí)水碧橋閘開(kāi)啟承擔(dān)分洪任務(wù)，過(guò)閘流量最大達(dá)到112 m3/s。至7月8日，固城湖已幫助分洪水量共3 472 萬(wàn)m3，水位上漲至12 m，此時(shí)水碧橋閘關(guān)閉，防止高淳區(qū)遭受洪災(zāi)(圖4)。

圖4 水陽(yáng)江、固城湖的模擬水位變化Fig.4 Simulated water level change of Shuiyang river and Gucheng Lake

7月20日以后，水陽(yáng)江水位降至12 m以下，楊家灣閘重新開(kāi)啟，維持水陽(yáng)江和固城湖的連通性。至模擬結(jié)束時(shí)，固城湖水量較大，水位高于水陽(yáng)江，水網(wǎng)通過(guò)官溪河向外排水21 340 萬(wàn)m3。

3.3 雨洪資源利用水網(wǎng)模擬分析

(1)模型三。雨洪資源利用水網(wǎng)是為了研究雨洪資源利用的效益，在不考慮水網(wǎng)幫助水陽(yáng)江的分洪效益的前提下，通過(guò)閘門(mén)、泵站等控制固城湖的水位，在保障防洪安全的前提下，最大限度利用雨洪資源保障枯期供水安全[19]。本研究考慮了模型三和模型四(表2)兩個(gè)雨洪資源利用水網(wǎng)，其中模型三是僅有兩個(gè)泵站，模型四還考慮了閘門(mén)。

根據(jù)模擬，在枯水年(5%)和平水年(50%)，固城湖不斷屯蓄雨水，最終水位分別10.72 m和11.45 m，未達(dá)到11.5 m(圖5)，兩個(gè)泵站沒(méi)有達(dá)到開(kāi)啟條件，固城湖是高淳區(qū)的蓄水池，汛期蓄水供枯期供水使用。

在豐水年(5%)，固城湖水位在8月12日達(dá)到11.5 m，官溪河泵站、石固河泵站開(kāi)始以20 m3/s流量分別向水陽(yáng)江和石臼湖排水。水位開(kāi)始緩慢下降，至8月18日，水位降至11.05 m；至8月25日，水位維持在12.5 m。模擬時(shí)間段固城湖湖區(qū)降雨和周邊匯集雨水量共計(jì)14 031.0 萬(wàn)m3，通過(guò)固城湖囤蓄量共9 307.8 萬(wàn)m3，通過(guò)泵站抽排水量共4 723.2 萬(wàn)m3，雨洪資源利用率達(dá)到66.3%。

但是，模擬期間固城湖遭遇20年一遇暴雨(8月19日)，降雨量達(dá)到182.96 mm，水位在8月20日達(dá)到12.98 m，接近50年一遇防洪水位，高淳區(qū)防洪安全受到嚴(yán)重威脅。模擬結(jié)果說(shuō)明僅依靠楊家灣泵站、蛇山泵站20 m3/s的抽排能力已經(jīng)不能滿足防洪的需求。這種方案在實(shí)際調(diào)度中不可接受，可考慮結(jié)合已建的閘門(mén)輔助泄洪。

圖5 模型三固城湖的水位變化過(guò)程模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of water level change process in Gucheng lake of model Ⅲ

(2)模型四。在加入水碧橋閘、楊家灣閘輔助泄洪的功能后，8月19日至20日期間，楊家灣閘最大分洪流量達(dá)到300 m3/s，水碧橋閘最大分洪流量達(dá)到150 m3/s。固城湖水位在8月20日可控制在12.68 m，地區(qū)防洪安全得到保障。通過(guò)模擬，汛期一個(gè)月固城湖匯集雨水量共計(jì)14 031.0 萬(wàn)m3，通過(guò)固城湖囤蓄量共7 150 萬(wàn)m3，通過(guò)泵站抽排水量4 721.0 萬(wàn)m3，通過(guò)閘門(mén)外排水量2 160.0 萬(wàn)m3，雨洪資源利用率達(dá)到51.0%[20]。

同時(shí)，模擬結(jié)束時(shí)(8月25日)固城湖水位為11.66 m，比分洪水網(wǎng)模型(模型二)中相同時(shí)刻的水位(水位為9.82 m)高1.84 m，固城湖可利用水資源量增加約4 400 萬(wàn)m3，雨洪資源利用成效顯著(圖6)。

圖6 模型三和模型四固城湖的水位變化過(guò)程模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of simulation results of water level change process in Gucheng lake in model Ⅲ and model Ⅳ

4 結(jié) 論

固城湖是高淳區(qū)最重要的水源地，與水陽(yáng)江、石臼湖、官溪河、石固河、水碧橋河、胥河等組成連通水網(wǎng)，是地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源支撐。但是，和長(zhǎng)三角、珠三角部分城市一樣，高淳區(qū)面臨汛期防洪壓力，枯期供水壓力。一個(gè)科學(xué)的解決途徑是在水網(wǎng)中合理布置控制建筑物、制定適合的調(diào)度規(guī)則，充分挖掘水網(wǎng)在防洪中的重要作用，免受水害威脅，更可以充分利用雨洪資源，在防洪安全的前提下，化害為益，屯蓄汛期洪水保障枯期供水安全。

通過(guò)模擬可知，遇到豐水年，在天然水網(wǎng)狀態(tài)下，受水陽(yáng)江過(guò)境洪水影響，高淳區(qū)水位升至13.35 m，超過(guò)50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)水位(13 m)，地區(qū)防洪形勢(shì)嚴(yán)峻；通過(guò)在水網(wǎng)地區(qū)設(shè)定閘門(mén)、泵站等控制建筑物調(diào)控天然水量后，可將固城湖水位控制在13 m以內(nèi)，顯著提高地區(qū)防洪安全[21]。相對(duì)而言，分洪水網(wǎng)僅具有防洪效益沒(méi)有考慮水資源利用，而雨洪資源利用水網(wǎng)則能在保障防洪安全的前提下，囤蓄雨洪資源量約4 400 萬(wàn)m3，供枯水月份使用，是本研究的推薦方案。研究建議在水網(wǎng)密度的我國(guó)東南沿海、部分中部地區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)城市水網(wǎng)的雨洪資源利用，在保障地區(qū)防洪安全的前提下，提高雨洪資源利用效益，提高地區(qū)水安全。

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