顧克勤， 宋凱璇， 石永杰， 陸益忠， 徐沛力， 劉 俊

(1.張家港市天源水利設(shè)計(jì)院有限公司， 江蘇 蘇州 215600； 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

洪水災(zāi)害歷來(lái)是我國(guó)危害最大、影響面最廣、發(fā)生頻率最高的自然災(zāi)害之一[1]。因此正確評(píng)估城市排水防澇的風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)城市洪水及其影響范圍顯得尤為重要[2]。目前，利用數(shù)值模擬技術(shù)，建立區(qū)域水文水動(dòng)力模型，分析預(yù)測(cè)城市洪水風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)解決城市防洪排澇問(wèn)題具有重要意義[3]。近年來(lái)，隨著治水思路的不斷拓展，“洪水資源化”概念已逐漸成為學(xué)界共識(shí)[4]，科學(xué)開(kāi)發(fā)利用洪水資源成為重要趨勢(shì)[5]。在有效控制洪水風(fēng)險(xiǎn)的前提下科學(xué)合理地利用和調(diào)度流域水利工程，有效利用洪水，解決水資源短缺危機(jī)和提高洪水資源化利用程度越來(lái)越受到重視。

以張家港市中心城區(qū)為研究對(duì)象，分析計(jì)算超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下的河道風(fēng)險(xiǎn)以及可利用的洪水資源量，為張家港市中心城區(qū)防洪預(yù)報(bào)、洪水資源配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

論文研究區(qū)域位于張家港市中心城區(qū)，張家港市地處長(zhǎng)江下游南岸，江蘇省東南部，屬長(zhǎng)江流域太湖水系，北部長(zhǎng)江水域?qū)掗?，絕大部分是廣袤的平原；境內(nèi)降雨充沛，多年平均降水量約為1 025.7 mm；區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)相互交織、貫通，水文條件復(fù)雜。中心城區(qū)位于張家港市二干河以西、朝東圩港以東、南橫套以南、環(huán)城河以北的區(qū)域，總面積約為53 km2。區(qū)域內(nèi)共有8條骨干河道，分別為朝東圩港、環(huán)城河、一干河、新市河、新沙河、南橫套、東橫河、二干河。

由于張家港市受長(zhǎng)江風(fēng)暴潮、武澄錫虞區(qū)域洪水和當(dāng)?shù)乇┯隄乘娜赝{，大大增加了張家港市中心城區(qū)的防洪排澇壓力，且區(qū)域內(nèi)多余過(guò)境洪水仍以排為主，未能在滿足防洪安全的前提下科學(xué)合理地利用洪水資源。因此，有必要對(duì)中心城區(qū)的防洪風(fēng)險(xiǎn)以及洪水資源化利用進(jìn)行研究，以增強(qiáng)張家港市中心城區(qū)防洪預(yù)警能力，緩解水資源短缺等問(wèn)題。

2 模型構(gòu)建

結(jié)合張家港市中心城區(qū)水文水利特性以及下墊面情況，以MIKE11為建模基礎(chǔ)建立研究區(qū)水文水動(dòng)力模型。主要采用MIKE11模型的水動(dòng)力(HD)模塊完成河網(wǎng)模型的建立，該模塊主要包括河道長(zhǎng)度、斷面尺寸、水面率、河道糙率、斷面形狀、水工建筑物的規(guī)模和調(diào)度方式等。論文對(duì)張家港市中心城區(qū)的骨干河網(wǎng)、主要輸水河道和主要水工建筑物特別是入江閘站進(jìn)行了概化。

2.1 河網(wǎng)概化

河網(wǎng)概化以張家港市中心城區(qū)為范圍，概化市級(jí)骨干河道，包括朝東圩港、一干河、南橫套、沙漕交界河、東橫河、環(huán)城河、新市河、新沙河、二干河、鹽鐵塘、三丈浦、奚浦塘、華妙河、西旸塘、新西河，加密概化二環(huán)范圍內(nèi)的中心城區(qū)河網(wǎng)并概化入江閘站。

2.2 參數(shù)率定

根據(jù)現(xiàn)狀水利工程布設(shè)以及防洪調(diào)度規(guī)則，比較模型計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)水位與設(shè)計(jì)水位。采用《張家港市城市防洪規(guī)劃(2015—2030年)》報(bào)告中南橫套、谷瀆港、界羅港、蘆浦塘4處典型斷面的50年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)水位值進(jìn)行驗(yàn)證。率定與驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 50年一遇設(shè)計(jì)水位率定結(jié)果

圖2 100年一遇設(shè)計(jì)水位驗(yàn)證結(jié)果

率定結(jié)果表明，與《張家港市城市防洪規(guī)劃(2015—2030年)》中計(jì)算的現(xiàn)狀條件下各斷面最高水位相比，最大誤差0.10 m，最小誤差0.01 m，節(jié)點(diǎn)平均誤差0.05 m，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果基本可以反映實(shí)際情況，模型所率定參數(shù)成果可靠。

3 中心城區(qū)防洪安全分析

3.1 長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

張家港市河網(wǎng)水位計(jì)算所選用的雨量站包括張家港閘站、十一圩閘站和楊舍站等3個(gè)雨量站，資料系列長(zhǎng)度為1965—2015年。采用年最大值法選樣并進(jìn)行頻率計(jì)算，通過(guò)適線法得到不同時(shí)段的面雨量各統(tǒng)計(jì)參數(shù)及200年一遇設(shè)計(jì)面雨量。

對(duì)張家港市歷年洪澇災(zāi)害情況分析表明，1954、1962、1991、2005、2011、2015年是張家港市城市洪澇災(zāi)害的代表性年份?；趯?duì)張家港市典型洪澇的分析，選擇張家港市1991年7月1日至7月7日的逐日降雨作為典型暴雨過(guò)程，采用同頻率法按1 d、3 d、7 d雨量縮放得到逐日設(shè)計(jì)面雨量過(guò)程，再采用同倍比法縮放獲得張家港市7×24 h的200年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，作為模擬的降雨輸入數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 張家港市7×24 h的200年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

3.2 潮位邊界

張家港市域南部以張家港河水位為控制邊界，北部以長(zhǎng)江潮位為邊界，采取較為不利的潮情組合，長(zhǎng)江潮位邊界條件采用1991年張家港市沿江閘邊界實(shí)際逐時(shí)潮位過(guò)程。根據(jù)1991年江陰肖山站、常熟滸浦閘長(zhǎng)江逐潮高低潮位資料插補(bǔ)推求1991年張家港市沿江閘邊界逐時(shí)潮位過(guò)程，基本方法是根據(jù)各閘地理位置采用內(nèi)插逐潮高低潮位及相應(yīng)潮時(shí)。

3.3 骨干河道洪水位計(jì)算

在現(xiàn)狀工況下，利用MIKE11模型模擬計(jì)算200年一遇降雨條件下張家港市中心城區(qū)骨干河網(wǎng)的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，得到200年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下各河道不同斷面處的最高水位，城區(qū)主要河道節(jié)點(diǎn)的最高水位見(jiàn)表1。

表1 城區(qū)主要河道節(jié)點(diǎn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水最高水位

3.4 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

從張家港市域超標(biāo)準(zhǔn)洪水計(jì)算模擬結(jié)果來(lái)看，中心城區(qū)在遭遇200年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，河道水位均未超過(guò)5.5 m，現(xiàn)有堤防高度基本可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，城市現(xiàn)狀防洪圈遇超標(biāo)洪水漫頂決口的可能性較小。城區(qū)部分骨干河段超標(biāo)準(zhǔn)洪水最高水位可達(dá)5.45 m以上，接近現(xiàn)有的河道堤防高程，需注意加固堤防，防范防洪安全隱患。

環(huán)城河、東橫河及新市河部分河段位于中部南片防洪分片內(nèi)，在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，河道水位易接近堤防高程，且其靠近中心城區(qū)，一旦潰堤將造成較大損失，應(yīng)著重對(duì)相關(guān)河道的險(xiǎn)工險(xiǎn)段進(jìn)行加固。中心城區(qū)位于其他防洪分片內(nèi)的河道，其堤防高程基本可以滿足200年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水的要求。

4 洪水資源化分析

4.1 洪水資源量計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)域骨干河道的常水位和超標(biāo)準(zhǔn)洪水位，結(jié)合河長(zhǎng)及斷面等資料分別計(jì)算出2種水位條件下中心城區(qū)8條骨干河道的槽蓄量，從而推求出超標(biāo)準(zhǔn)洪水(200年一遇)條件下研究區(qū)域的洪水資源量。具體計(jì)算成果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可知，常水位條件下，研究區(qū)域骨干河道槽蓄量約為629.97萬(wàn)m3，而在超標(biāo)準(zhǔn)洪水(200年一遇)條件下的研究區(qū)域骨干河道槽蓄量約為963.60萬(wàn)m3。因此，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水(200年一遇)條件下，研究區(qū)域可利的洪水資源量約為333.63萬(wàn)m3。

表2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水(200年一遇)條件下研究區(qū)域洪水資源量

4.2 洪水資源化利用

基于上述超標(biāo)準(zhǔn)洪水下的洪水資源量，張家港市仍需加快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)水利思想，不斷推進(jìn)洪水資源化的深入研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，立足自身區(qū)位優(yōu)勢(shì)，因地制宜開(kāi)展洪水資源化工作，不斷提高防洪減災(zāi)能力與洪水資源化管理水平，實(shí)現(xiàn)人水和諧。從工程措施和非工程措施兩方面實(shí)現(xiàn)洪水資源科學(xué)有效利用。

4.2.1 工程措施

(1)推進(jìn)河道水利工程的建設(shè)進(jìn)程，利用攔河閘等水利設(shè)施，將河流分為若干段，逐段就地利用河流洪水資源，增強(qiáng)河道的攔蓄總量，提高對(duì)洪水的調(diào)蓄能力。

(2)在加快攔河閘建設(shè)的同時(shí)，修建引、蓄、排配套工程，增強(qiáng)控制洪水和利用洪水資源的能力。

4.2.2 非工程措施

(1)加快洪水資源開(kāi)發(fā)利用決策支持系統(tǒng)建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)洪水資源的科學(xué)管理和統(tǒng)一調(diào)度，充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段管理和調(diào)度洪水資源，為建立洪水資源科學(xué)利用和調(diào)度信息系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

(2)強(qiáng)化洪水資源意識(shí)，優(yōu)化洪水資源配置，能夠發(fā)揮其最大的經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)法制建設(shè)的步伐，建立健全洪水資源利用與管理的運(yùn)行機(jī)制。

5 結(jié) 論

張家港市中心城區(qū)在遭遇200年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，河道水位均未超過(guò)5.5 m，現(xiàn)有堤防高度基本可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，城市現(xiàn)狀防洪圈遇超標(biāo)洪水漫頂決口的可能性較小。在超標(biāo)準(zhǔn)洪水(200年一遇)條件下，中心城區(qū)可利用的洪水資源量約為333.63萬(wàn)m3，可基于上述洪水資源量，提出洪水資源利用的相關(guān)措施。