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計院有限公司, 江蘇 蘇州 215600; 2.河海大學水文水資源學院, 江蘇 南京 210098)
洪水災害歷來是我國危害最大、影響面最廣、發(fā)生頻率最高的自然災害之一[1]。因此正確評估城市排水防澇的風險,準確預報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,建立區(qū)域水文水動力模型,分析預測城市洪水風險,對解決城市防洪排澇問題具有重要意義[3]。近年來,隨著治水思路的不斷拓展,“洪水資源化”概念已逐漸成為學界共識[4],科學開發(fā)利用洪水資源成為重要趨勢[5]。在有效控制洪水風險的前提下科學合理地利用和調(diào)度流域水利工程,有效利用洪水,解決水資源短缺危機和提高洪水資源化利用程度越來越受到重視。
以張家港市中心城區(qū)為研究對象,分析計算超標準洪水條件下的河道風險以及可利用的洪水資源量,為張家港市中心城區(qū)防洪預報、洪水資源配置提供依據(jù)。
論文研究區(qū)域位于張家港市中心城區(qū),張家港市地處長江下游南岸,江蘇省東南部,屬長江流域太湖水系,北部長江水域?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,河網(wǎng)相互交織、貫通,水文條件復雜。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。
由于張家港市受長江風暴潮、武澄錫虞區(qū)域洪水和當?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)多余過境洪水仍以排為主,未能在滿足防洪安全的前提下科學合理地利用洪水資源。因此,有必要對中心城區(qū)的防洪風險以及洪水資源化利用進行研究,以增強張家港市中心城區(qū)防洪預警能力,緩解水資源短缺等問題。
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?;A建立研究區(qū)水文水動力模型。主要采用MIKE11模型的水動力(HD)模塊完成河網(wǎng)模型的建立,該模塊主要包括河道長度、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行了概化。
河網(wǎng)概化以張家港市中心城區(qū)為范圍,概化市級骨干河道,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。
根據(jù)現(xiàn)狀水利工程布設以及防洪調(diào)度規(guī)則,比較模型計算出的節(jié)點水位與設計水位。采用《張家港市城市防洪規(guī)劃(2015—2030年)》報告中南橫套、谷瀆港、界羅港、蘆浦塘4處典型斷面的50年一遇和100年一遇設計水位值進行驗證。率定與驗證結(jié)果見圖1、圖2。
圖1 50年一遇設計水位率定結(jié)果
圖2 100年一遇設計水位驗證結(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)點平均誤差0.05 m,說明模型計算結(jié)果基本可以反映實際情況,模型所率定參數(shù)成果可靠。
張家港市河網(wǎng)水位計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個雨量站,資料系列長度為1965—2015年。采用年最大值法選樣并進行頻率計算,通過適線法得到不同時段的面雨量各統(tǒng)計參數(shù)及200年一遇設計面雨量。
對張家港市歷年洪澇災害情況分析表明,1954、1962、1991、2005、2011、2015年是張家港市城市洪澇災害的代表性年份?;趯埣腋凼械湫秃闈车姆治?,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程,采用同頻率法按1 d、3 d、7 d雨量縮放得到逐日設計面雨量過程,再采用同倍比法縮放獲得張家港市7×24 h的200年一遇設計暴雨過程,作為模擬的降雨輸入數(shù)據(jù),設計暴雨過程見圖3。
圖3 張家港市7×24 h的200年一遇設計暴雨過程
張家港市域南部以張家港河水位為控制邊界,北部以長江潮位為邊界,采取較為不利的潮情組合,長江潮位邊界條件采用1991年張家港市沿江閘邊界實際逐時潮位過程。根據(jù)1991年江陰肖山站、常熟滸浦閘長江逐潮高低潮位資料插補推求1991年張家港市沿江閘邊界逐時潮位過程,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潮時。
在現(xiàn)狀工況下,利用MIKE11模型模擬計算200年一遇降雨條件下張家港市中心城區(qū)骨干河網(wǎng)的設計洪水過程,得到200年一遇超標準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)點的最高水位見表1。
表1 城區(qū)主要河道節(jié)點超標準洪水最高水位
從張家港市域超標準洪水計算模擬結(jié)果來看,中心城區(qū)在遭遇200年一遇超標準洪水時,河道水位均未超過5.5 m,現(xiàn)有堤防高度基本可以滿足該標準的要求,城市現(xiàn)狀防洪圈遇超標洪水漫頂決口的可能性較小。城區(qū)部分骨干河段超標準洪水最高水位可達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),在遭遇超標準洪水時,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,應著重對相關河道的險工險段進行加固。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年一遇超標準洪水的要求。
根據(jù)研究區(qū)域骨干河道的常水位和超標準洪水位,結(jié)合河長及斷面等資料分別計算出2種水位條件下中心城區(qū)8條骨干河道的槽蓄量,從而推求出超標準洪水(200年一遇)條件下研究區(qū)域的洪水資源量。具體計算成果見表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m3,而在超標準洪水(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m3。因此,在超標準洪水(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m3。
表2 超標準洪水(200年一遇)條件下研究區(qū)域洪水資源量
基于上述超標準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,不斷推進洪水資源化的深入研究,結(jié)合國內(nèi)外研究成果與實踐經(jīng)驗,立足自身區(qū)位優(yōu)勢,因地制宜開展洪水資源化工作,不斷提高防洪減災能力與洪水資源化管理水平,實現(xiàn)人水和諧。從工程措施和非工程措施兩方面實現(xiàn)洪水資源科學有效利用。
4.2.1 工程措施
(1)推進河道水利工程的建設進程,利用攔河閘等水利設施,將河流分為若干段,逐段就地利用河流洪水資源,增強河道的攔蓄總量,提高對洪水的調(diào)蓄能力。
(2)在加快攔河閘建設的同時,修建引、蓄、排配套工程,增強控制洪水和利用洪水資源的能力。
4.2.2 非工程措施
(1)加快洪水資源開發(fā)利用決策支持系統(tǒng)建設,加強對洪水資源的科學管理和統(tǒng)一調(diào)度,充分利用現(xiàn)代科學技術手段管理和調(diào)度洪水資源,為建立洪水資源科學利用和調(diào)度信息系統(tǒng)奠定基礎。
(2)強化洪水資源意識,優(yōu)化洪水資源配置,能夠發(fā)揮其最大的經(jīng)濟效益,推進法制建設的步伐,建立健全洪水資源利用與管理的運行機制。
張家港市中心城區(qū)在遭遇200年一遇超標準洪水時,河道水位均未超過5.5 m,現(xiàn)有堤防高度基本可以滿足該標準的要求,城市現(xiàn)狀防洪圈遇超標洪水漫頂決口的可能性較小。在超標準洪水(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m3,可基于上述洪水資源量,提出洪水資源利用的相關措施。