太湖流域新建工程防洪调度初析——新沟河

马农乐，陆志华

（1.上海东南工程咨询有限责任公司，上海 200434；2.水利部太湖流域管理局水利发展研究中心，上海 200434）

0 引 言

太湖流域是典型的平原河网地区，流域内河流纵横交错，水系沟通，城市化率高、经济社会发达，污染物排放强度和总量大，经济社会的快速发展和水污染治理相对滞后导致水环境不断恶化，特别是2007年发生了无锡供水危机事件，给区域饮用水安全和流域可持续发展造成严重影响。随着太湖流域综合治理的不断推进，太湖流域北部无锡、常州等城区防洪工程建成并投入运行，圩区排涝能力不断增强，导致京杭运河沿线水情变化，其中2015～2017年常州、无锡、苏州水位连创历史新高[1，2]，使得流域和区域面临更加严峻的防洪形势。

新沟河延伸拓浚工程是国务院批复的《太湖流域水环境综合治理总体方案》安排的水环境综合治理引排工程项目之一，是《太湖流域防洪规划》确定的流域洪水北排长江的骨干工程，也是2015年国务院明确的172项重大工程之一[3]。该工程是改善梅梁湖及太湖西北湖湾水环境，提高流域和区域防洪除涝能力、保障经济社会稳定发展和人民生命财产安全的重要措施，是区域水环境综合治理、防洪、水资源各相关规划所确定实施的工程项目，目前工程已基本完成建设任务。通过工程调度运行，将直武地区洪水由现状入湖为主改为北排为主，保障水源地供水安全，进一步提高流域、区域防洪除涝能力。本文主要从发挥新沟河洪水外排角度，设计新沟河工程主要控制建筑物不同的调度方案，模拟计算并分析效果，探索寻找新沟河区域水位限值，为后续调度方案制定提供参考。

1 工程概况

新沟河延伸拓浚工程位于无锡市和常州市交界，河道北起长江南通太湖，从长江沿新沟河现有河道至石堰以南分成东、西两支。东支经现有漕河、五牧河通过立交地涵穿越京杭运河进入西直湖港，再通过立交地涵穿锡溧漕河后经南直湖港入太湖；西支利用现有的三山港平交京杭运河后经武进港至太湖，根据排水需要在京杭运河两岸设置接力泵站，河道总长97.47km，见图 1。

图1 新沟河工程布局及周边水系图

2 情景设置及方案设计

2.1 情景设置

在新中国成立后，一轮治太工程实施完成前，太湖流域曾于1954年、1991年和1999年发生过3次大洪水，均表现为主雨期降雨总量大，洪水历时长，对全流域造成的洪涝灾害严重。《太湖流域防洪规划》根据历史特大暴雨类型和时空分布特征的代表性、水文气象条件相似性和资料充分性的典型暴雨选择原则，设计了不同的典型年设计暴雨。本研究采用“1991年北部”100年一遇设计降雨，潮位边界采用典型年相应的长江实况潮位，初始水位采用年初实测水位。

2.2 方案设计

2.2.1 太湖控制水位

太湖流域现行调度方案主要根据2011年国家防总批复的《太湖流域洪水与水量调度方案》，该方案将洪水调度与水量调度相结合，为流域防洪与水资源统一调度提供了调度依据，方案中确定的全年太湖控制水位过程见图2。

图2 全年太湖控制水位过程

2.2.2 调度方案设计

新沟河延伸拓浚工程调度控制从改善太湖水环境、减轻太湖防洪压力为前提，以常年排水为主。初设报告中明确：当遇超过5年一遇降雨、直武地区（戴溪）水位达到4.50m、且高于太湖水位时允许相机排入太湖。近两年在实际调度中进行积极探索，适当抬升了入湖口门控制水位，取得了一定的经验。因此本研究以初设调度方案为基础方案，从抬高直武地区控制水位和增加江边枢纽排水两个方向进行方案设计。XG1、XG2、XG3适当抬高直湖港闸、武进港闸向太湖排水的调度参考水位，在不显著增加区域防洪压力的条件下，尽可能促使洪涝水北排；XG4基于增加京杭运河及北部区域涝水北排长江的目标，探索新沟河沿江口门配合常州市和无锡市的城市防洪工程启用，增加新沟河工程北排的可能性。各方案调度细则详见表1：不同方案新沟河关键节点工程调度控制水位。

3 数值模拟计算及成果分析

3.1 模拟计算

本次研究采用成熟的太湖流域水量水质数学模型[4]进行数值模拟计算，模型包括降雨产汇流和河网水动力两部分。其中降雨产汇流模型根据分区下垫面不同按水面、水田、旱地和城镇进行分类计算产水量，分平原区、丘陵区和山区分别进行汇流计算。河网水动力模型结合潮位边界，在概化河网基础上模拟水流运动，采用非恒定流圣维南方程组进行四点线性隐式格式进行离散求解。

表1 不同方案新沟河关键节点工程调度控制水位

式中：B为河道宽度，m；A为过水面积，m2；Z为水位，m；Q 为流量，m3/s；q 为旁侧入流，m3/s；K 为流量模数；α为动量校正系数；Vx为旁侧入流流速在水流方向的分量，近似为零。

模型计算范围为太湖流域，骨干河网概化河道1 500余条、调蓄节点60余个、控制建筑物由近1 700个节点相连；边界河道约100条，山区入流流量边界20条。

3.2 成果分析

（1）水位

水位统计情况见表2。抬高直武地区控制水位后，可降低太湖水位，但对太湖高水位的历时影响不明显（超警天数未变化），其中XG3方案降低太湖最高水位1cm。对区域水位影响主要分别为：XG1、XG2方案对地区最高水位基本无影响，部分站点高水位历时略有增加；XG3方案直武地区最高水位达到5.19m，相比基础方案抬升约18cm，无锡（大）、青阳最高水位抬升明显，青阳超警天数增加1～2天，常州（三）、无锡（大）水位超保天数分别增加1天。各方案水位变化表明适度抬高直武地区入太湖控制水位对于区域防洪安全无明显影响，但若进一步抬高入湖控制水位，直武地区水位会抬升明显，因此，综合考虑直武地区入太湖控制水位按4.8m控制为宜。

表2 太湖及武澄锡虞区代表站水位极值情况统计

XG4方案太湖最高水位基本不变，无锡最高水位降低1cm，直武地区、常州（三）和无锡（大）超警天数各减少1天，表明在新沟河工程调度中增加常州、无锡水位作为调度参考站对于控制区域水位有一定作用。

（2）水量

统计汛期新沟河排水情况见表3。抬高直武地区控制水位后，直武地区入太湖水量呈现减少趋势，XG1、XG2、XG3方案排水量变化趋势相同，新沟河江边枢纽、直湖港闸站、遥观南枢纽北排水量均有所增加，遥观北枢纽排水量基本不变。XG4方案则主要表现为江边枢纽北排水量有所增加。

表3 汛期新沟河工程排水水量对比统计亿 m3

汛期水量统计表可以看出，方案XG1、XG2、XG3中直武地区通过直湖港闸站北排水量分别增加0.29亿m3、0.48 亿 m3、0.57 亿 m3，增幅分别为 10.1%、16.9%、20.0%，通过遥观南枢纽北排水量增加0.08亿m3、0.13亿m3、0.17亿m3；直武地区入太湖水量分别减少0.25亿 m3、0.39 亿 m3、0.61 亿 m3，降幅分别为 21.3%、32.6%、51.7%；江边枢纽排江略有增加。XG4方案中遥观北枢纽北排水量增加0.12亿m3，洛社断面向下游水量减少0.14亿m3，江边枢纽北排水量增加1.05亿m3，较基础方案增加较为显著。

综合各方案效果，适度抬高直武地区入太湖控制水位对于区域防洪安全无明显不利影响，但若进一步抬高入湖控制水位，直武地区排水延迟，最高水位会抬升明显，因此以入湖控制水位为4.8m为宜；同时新沟河沿江枢纽工程配合常州市和无锡市城防工程启用进行闸泵排水，有利于加强区域洪水北排长江，对控制区域水位有一定作用。

4 方案优化验证

4.1 优化方案

进一步优化新沟河工程调度，直武地区入太湖控制水位按4.80m控制，同时，在新沟河工程调度中增加常州、无锡水位作为调度参考站，当常州或无锡城防工程启用时，及时启用新沟河沿江枢纽泵站排水，增加新沟河江边枢纽排水力度。

4.2 调控效果分析

经数值模拟计算并统计，相关成果见表4、表5。可知，较基础方案，XG5方案太湖最高水位下降1cm，无锡（大）最高水位降低1cm，常州（三）、青阳、戴溪各站最高水位未因抬高直武地区入湖水位而升高。从高水位历时看，区域高水位历时变化不大，无锡（大）、戴溪站超警天数各减少1天，尽管部分站点超警天数或超保天数略有增加，总体上未增加区域防洪风险。XG5方案入直武地区水量减少0.39亿m3，减幅32.7%；新沟河江边枢纽排水量增加1.09亿m3，增幅15.9%；西直湖港闸站北排水量增加0.46亿m3，增幅16.4%，遥观南枢纽、遥观北枢纽北排水量分别增加0.14亿m3、0.12 亿 m3。

表4 太湖及河网区代表站水位极值情况统计

表5 汛期新沟河工程排水水量对比统计

综上，XG5方案适当抬高直武地区入湖水位至4.80m，同时新沟河江边枢纽、遥观北枢纽配合常州、无锡城防工程启用增加排水力度，在减少直武地区入太湖水量的同时，增加直武地区北排水量，完善了武澄锡虞区防洪排涝格局。

5 结论及建议

5.1 结论

（1）新沟河工程实施完成后，适当抬高直武地区入湖口门控制水位，可以减少地区入太湖水量，降低太湖最高水位，进一步缓解了太湖防洪压力，同时不会明显增加地区和区域的防洪压力。

（2）新沟河沿江枢纽和遥观北枢纽配合常州市和无锡市城防工程启用泵站增加排水，可为京杭运河和区域向北排水创造条件，增加区域通过新沟河北排长江水量。

（3）通过新沟河调度研究，为区域、城市防洪工程控制运用提供了参考和方向。特别是无锡、常州防洪工程启用时，结合潮位情况及时开启沿江口门泵站进行排水，增加区域洪水北排长江出路，充分发挥流域北排长江的作用。

5.2 建 议

随着区域城镇化进程加快和联圩并圩的实施，区域下垫面发生剧烈变化，平原河网地区防洪形势新老问题交织，仅靠新沟河排水对解决武澄锡虞区及京杭运河防洪问题作用有限，建议加强湖西区、武澄锡虞区沿江口门和区域内工程体系的联合调度研究，通过对现有工程联合调度实现向长江增排水量，以利于解决京杭运河及区域防洪问题并进一步缓解太湖流域的防洪形势。