长江南京河段新济洲水源地防洪技术方案研究

2021-02-04曹双，曾瑞，刘沛，蔡磊

人民长江 2021年1期

曹双，曾瑞，刘沛，蔡磊

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011)

长江下游干流河道为冲积平原河流，由于下游河道坡度较缓，河宽较上游水道展宽，南京河段两岸江堤间河宽最大达到5～10 km(新济洲、八卦洲)，水流从上游挟带而来的大量泥沙因水流流速减缓而沉积，在下游干流河道内形成了大量的洲滩[1-2]。这些洲滩不仅是长江河道的组成部分，也是极其宝贵的土地资源，南京市为经济发达区域，优质土地资源稀缺，依法、科学、适度、安全地利用洲滩资源具有重要的经济效益和社会效益[3-4]。

马建华[5]在其相关研究中认为：长江下游洲滩利用存在管理缺位、开发无序、堤基薄弱、防灾减灾体系缺失等问题，并提出了“人与水和谐相处”“以人为本”的指导思想，同时还提出了分段控制与类别划分，可以将洲滩利用分为几个类别：① 恢复河道行洪能力的洲滩，② 小水行蓄洪的洲滩，③ 小水保、大水行蓄洪的洲滩。

陈肃利等[6]在相关研究中认为：在保障防洪安全的前提下，可以合理有序地开发利用长江中下游干流河道洲滩资源，并提出了洲滩分段控制、分类管理的思路；同时介绍了分类管理原则和洲滩规划开发利用的具体标准与方式。

周建春[7]在相关研究中给出了洲滩利用和管理方面的建议，主要包括：坚持人水和谐的利用理念、坚持实事求是的科学态度、落实分类指导的规划原则、编制科学合理的利用规划、完善洲滩安全的工程措施、加强开发利用的监督管理。

上述研究人员分别从行政决策、基层管理、规划设计的角度出发得到了较一致的观点：长江下游洲滩可以利用，但是要落实分段控制、分类管理使用的思路，并加强审批和监管。本文以新济洲水源地为例，主要从技术角度充分研究新济洲水源地行蓄洪能力、推荐防洪标准以及制定防洪技术方案。

1 基本情况

1.1 项目概况

随着南京市江宁区的飞速发展，需水量日益增长，而目前江宁区未建设应急备用水源供水工程，因此难以有效应对突发原水污染事件、保障供水安全。

受陆域用地限制，南京市江宁区选择新济洲作为应急水源地。对新济洲凤凰湖进行疏浚扩容，并将现状渠道截断，形成封闭水库水源地，以利于水源地保护。水库通过引水闸、排水闸与长江联通，对水库进行进水换水。通过输水隧洞，采用“平战结合”方式将水库蓄水输送至江宁水厂取水泵房前池。当长江发生水污染事件时，将关闭引水闸、排水闸，形成与长江隔绝的水源地，输水泵站运行应急工况，为江宁区提供20万m3/d的应急水量[8]。待污染物过境后，再回到平时工况。

1.2 河道概况

新济洲汊道段起始端慈湖河口，为苏皖两省分界点，河宽为2.50 km，终端下三山河宽为1.85 km，干流长25 km。河道为顺直分汊河型，中部河身宽阔，最宽处达4.60 km，河段内洲滩发育演变频繁，水流分散，从上而下分布着新生洲、新济洲、子母洲和新潜洲(见图1)。左岸有石跋河、驻马河，右岸有慈湖河、铜井河、牧龙河注入长江，各河均为小河流，对长江流量影响很小。河段内河漫滩相对狭窄，新济洲洲堤内洪水位下洲滩面积约5.8 km2，占长江河道库容约2 200万m3。

图1 新济洲供水工程位置示意Fig.1 Location of Xinjizhou water source site

1.3 堤防加固情况

(1) 江堤。长江右岸大堤(江宁主江堤)为2级堤防。2014年底，南京市江宁区长江干堤防洪能力提升工程实施完成后，堤顶总宽度为8 m，堤顶平均高程11.52 m。背水坡设4 m宽戗台，堤后填塘固基，堤身采用多头小直径深层搅拌桩防渗处理。

(2) 洲堤。2017年对新济洲洲堤进行了提升加固工程，主要内容包括堤防防渗灌浆、加高加固防浪墙、增设贴坡反滤体，以解决堤防渗漏及防洪安全问题。修复堤顶道路，以解决防汛道路不畅，道路标准低下的问题。加固后，堤顶平均高程为10.10 m，挡浪墙顶部平均高程10.90 m。文中出现的高程均为1985年国家高程基准。

1.4 新济洲整治工程情况

2015年实施了新济洲整治工程，内容包括：新生洲头导流坝，坝根滩面采用雷诺石垫护滩，左右两翼采用水下抛石护岸。封堵新生洲与新济洲之间的中汊、减少河道分汊、坝体上游和下游端分别与新生洲洲堤和新济洲洲堤连接，坝顶高程为8.00 m。通过实施新生洲右汊进口两岸护岸工程、护底工程及洲头鱼嘴工程，遏制右汊进一步发展。通过实施新济洲洲头鱼嘴工程、左右缘护岸工程及七坝护岸工程加固，适当改善了新潜洲右汊水域条件[9]。

2 近期洪水

2.1 新济洲洪水成因

新济州洪水成因一是流域持续性强降雨，二是上游来水[10-12]。上游来水主要包括武穴以上、鄱阳湖水系及区间来水。武穴以上流域面积约占大通以上面积的89.2%，武穴以上来水量占大通洪水径流组成的70%～80%；鄱阳湖湖口以上集水面积占大通以上流域面积的9.3%，而逐月水量在大通来水组成中至少占12%以上，鄱阳湖五河来水是一个相当重要的组成部分；大通与南京之间的区域面积占大通以上流域面积的2%左右，主汛期的逐月来水量占全部来量的5%以上。

2.2 历年洪水情况

受地理位置、降水特点和地形特征的共同影响，南京极易发生洪涝灾害。据历史资料统计，自西汉惠帝五年(公元前190年)至2010年的2 000多年间，南京共发生洪水灾害283次，平均约8 a发生一次[13]。

1954年，在长江洪水和本地暴雨共同作用下，大通站最大洪峰流量为92 600 m3/s，南京站超警戒水位历时长达115 d，全年洪水总量为13 590亿m3，均为有水文记录资料以来最大值；新济洲洲堤等级较低、堤身薄弱，溃堤行洪。1983年和1991年，新济洲洲堤虽发生散浸、渗漏等局部损毁情况，但整体未破堤行洪；1998年，虽有局部险情但未破堤行洪；2016年新济洲洲堤未破堤行洪。

长江下游资料系列较长的测站有九江水文站、大通水文站、南京水文站，彭泽、安庆、芜湖、马鞍山、南京、镇江、江阴潮(水)位站，距工程较近的有马鞍山水位站及南京水位站，分别位于拟建过江管道断面上游16.1 km及下游约33.9 km处，本次水文计算的资料依据站为南京水位站。通过建立马鞍山水位站与南京水位站高低水资料的相关关系，将南京站各水位推算至拟建过江管道断面[14]。图2为长江下游部分水文(水位)站网示意图。

图2 长江下游部分水文(水位)站网示意Fig.2 Network of hydrological(water level)stations in the lower Yangtze River

2.3 实测洪水过程

考虑到大通站至工程段长江汇流区面积增加仅2.0%～3.0%，采用大通站实测水位、流量过程资料作为代表性分析(见表1)。通过分析1949年以来大通站实测的几次典型洪水过程发现：1954年流域性大洪水、1998年流域性大洪水以及三峡工程运行以来的2016年洪水过程，可以用于支撑防洪预案研究。实例洪峰流量过程线如图3所示。

表1 工程位置处历史实测大洪水水位推算Tab.1 Projected historical flood level calculation at the project location

由实测数据分析可知：1954年，日平均流量大于85 400 m3/s的天数约为10 d，1998年及2016年的最大日平均洪峰流量未达到该值；从过程上看，流量、水位在峰值附近持续的时间逐次递减，尤其是2016年洪水，水位消退尤其迅速，说明三峡工程的运用对削峰调洪作用明显。另外，近期洪水过境时，新济洲及新生洲都未破堤行洪，未影响到两岸及上下游的防洪形势。从三峡工程的削峰作用及两岸堤防加固等级提高的角度考虑，若发生1954年型洪水，可以先发挥新济洲蓄水调配功能再考虑破堤行洪。图4为实例洪峰水位过程线。

图3 实测洪峰流量过程线Fig.3 Measured flood peak flow process

图4 实测洪峰水位过程线Fig.4 Measured flood peak water level process

3 行洪影响分析

为了分析水源地启用对长江行洪的影响，本次计算模型选择DHI公司旗下的MIKE21平面二维水流运动数学模型进行专门的研究。该模型采用三角网格，求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。

3.1 计算方案

本模型主要用于研究新济洲防洪、蓄洪、行洪时对工程河段及上下游的影响。工况1按照按1998年型洪水设计，设计流量为79 800 m3/s，设计水位为9.18 m；工况2～7按1954年型洪水设计，相应设计流量为85 400 m3/s[15]，设计水位为9.68 m。计算工况列于表2。

表2 计算工况说明

3.2 计算成果

为了研究新济洲防洪、蓄洪、行洪对上下游的影响，在新生洲左汊和右汊、新济洲左汊和右汊、新济洲尾以及南京水文实验站(大胜关)选取了6个对比点提取水位和流速进行对比分析，对比点位置如图5所示。

图5 模型对比点布置示意Fig.5 Model comparison point layout

(1) 同流量条件下新济洲不行洪时的计算。在新生洲、新济洲洲堤不拆不行洪的情况下，1998年型洪水(工况1)与1954年型洪水(工况2)的影响计算情况列于表3。

表3 工况1与工况2特征点水位流速统计

从表3可以看出，1954年型洪水各对比点水位比1998年型洪水升高了0.4～0.5 m左右，洲堤依然具有挡水能力，没有漫堤过水，但是水位已经接近洲堤堤顶高程。对比点的流速增大0.1～0.2 m/s左右，增大了10%以内。

(2) 相同流量条件下拆洲堤行洪与不拆洲堤行洪计算。1954年型洪水条件下，新生洲、新济洲拆堤行洪与不拆堤行洪的计算结果对比列于表4。

表4 工况2与工况3特征点水位流速统计

新生洲、新济洲破堤，即洲堤高程全部降至6.0 m，洲滩最宽处断面过水面积增大约6 000 m2，滩面流速在0.5 m/s左右，此处分流流量约为3 000 m3/s，占1954年型洪水流量的3.5%，可以在一定程度上缓解洪水压力。由表4可以看出：新生洲、新济洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速减小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同时新济洲尾水位略有升高，流速略有减小，南京水文实验站流速和水位没有变化。

4 调蓄能力分析

洪峰过境时，考虑将新济洲作为蓄洪区，在洲尾设置进洪口。可以将进洪口的地形视作宽顶堰处理，采用矩形直角宽顶堰的流量公式[16]计算过堤流量：

式中：Q为流量，m3/s；m为流量系数，m=0.35；b为堰宽，即进洪口宽度，m；g为重力加速度，m/s2；P为堰高，m；H为水头差，m，由于洲尾行进流速为顺堤防方向，垂直堤防方向流速为0，因此H仅为水位差。随着新济洲堤防内水位上涨，流量逐渐减小，根据水力学公式计算蓄水时间，计算得到不同进洪口宽度下的流量与新济洲蓄满时间列于表5。洲尾开口15 m时，蓄满时间需要80.3 h;开口30 m时蓄满时间需要40.2 h。在新济洲上、下游同时开口行洪(见图7)时各特征点水位流速变化情况列于表6。

图6 1954年型洪水破堤与不破堤行洪流场对比示意Fig.6 Flood current field comparison of 1954 type flood breaking and unbreaking

表5 最大流量与蓄满时间

图7 行洪出入口位置示意Fig.7 Entrance and exit of the flood

由表6可以得出：当洲头、洲尾开口15 m时，与新济洲不行洪变化不大，水位降低仅0.001 m左右，流速减小仅0.02 m/s左右。随着开口增大，水位下降值增大，流速减小值也增大，洲头、洲尾开口60 m时水位降低最大值为0.008 m，流速减小最大值为0.10 m/s。新济洲尾水位、流速变化很小，南京水文实验站水位、流速不变。

表6 工况2，4，5，6，7特征点水位流速

5 防洪技术方案拟定

5.1 综合分析

(1) 长江水利委员会水文局编撰的专著《1954年长江的洪水》中，“根据频率计算的结果宜昌、汉口、大通等主要控制站汛期总量均相当于100 a一遇，日平均最大流量大通为167 a一遇”；三峡工程建成后，考虑到其调配、削峰作用，1954型流域性大洪水暴发的频率相比较要降低。

(2) 根据数模计算结果新济洲洲堤全部破除行洪对缓解两岸行洪压力并不显著：新生洲、新济洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速减小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同时新济洲尾水位略有升高，流速略有减小，南京水文实验站流速和水位没有变化。

(3) 两岸江堤经过达标建设和加固平台，防洪能力比20世纪有显了著提升。

(4) 1998年和2016年新济洲未破堤行洪，未对本河段行洪、防洪安全造成较大影响。

(5) 洪水位情况下，新济洲有2 200万m3的槽蓄量。

基于以上5点考虑，将新济洲作为蓄洪区调配，口门宽度考虑15～60 m(矩形截面)4种方案下洲堤内灌满洪水时间为20.1～80.3 h。根据长江中下游相关类似工程经验(天兴洲民垸)，在新济洲尾部右缘及新济洲洲头左缘各设置一宽30 m的进出洪口，对于启用概率低的分洪口，一般不考虑建闸，后期管理运用较为复杂，因此推荐采用临时扒口裹头式的分洪口，裹护工程设计以防止堤头继续冲溃坍塌为原则，满足洪水冲刷要求。

5.2 防洪技术方案

(1) 1998年洪水重现期超过20 a(约30 a)[17]，2016年洪水重现期在5～10 a之间[18]，虽新济洲未破堤行洪，但从安全角度考虑[19]，建议确定20 a一遇以下洪水时，新济洲水源地正常启用；如发生20 a一遇以上甚至1998型流域大洪水时，应及时关注水文情势及两岸江堤防洪压力，接受防汛部门指导，做好启用分洪口的准备。

(2) 如长江发生1998型和1954型流域性大洪水时，根据防汛部门的指令择机启用分洪口分洪，先扒开新济洲下游出洪口进洪蓄水，若未待新济洲堤内灌满，洪水已经消落，则上游进洪口不开，尾门已注入洪水自流排出后再启用水源地蓄水工程。

(3) 如新济洲上洪水蓄满，长江洪水仍维持在1954型洪水及以上，则扒开上游进洪口，上下游进出洪口全开，形成分洪道；综合考虑1954年85 400 m3/s以上洪峰持续时间约10 d以及目前两岸江堤等级较高的因素，加上蓄满洪水时间接近2 d，因此分洪时间暂定3 d。

(4) 如上下分洪口全开3 d后，长江洪水流量仍维持在85 400 m3/s及以上，则将新济洲洲堤全部破除，全面过洪。前期蓄水加上开口行洪，拟定新济洲洲堤抵御1954年型洪水5 d(按照实测洪峰流量一半时间折算)。

(5) 被动行蓄洪时水源地停用，输水管道两端设置的闸门关闭，防止江水顺管道流入南岸江堤内，造成水淹；设计施工时将工作井地面出口高程设置在防洪设计水位9.68 m以上0.5 m，并实施地基加固，退水后，水源地工程经过修复能快速再次启用。

(6) 根据SL 252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》要求，承担县市级及以上城市主要供水任务的供水工程永久性水工建筑物级别不宜低于3级。新济洲水源地规划设计工程等别为Ⅲ等，主要建筑物如蓄水池工程、泵站、水闸工程级别为3级(防洪标准重现期20～30 a)，次要建筑物级别为4级(防洪标准重现期10～20 a)，与防洪技术方案一致。