望虞河西控工程对区域防洪影响研究

庄宝庆，张 浩，柳 杨，刘国庆，杨 帆

(1.无锡市锡山区水利局，江苏 无锡 214000；2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水利部太湖流域水治理重点实验室，江苏 南京 210029)

望虞河西岸控制工程(以下简称“望虞河西控工程”或“西控工程”)是太湖流域重要的防洪工程，也是完善望虞河引江清水通道，实现望虞河“引江济太”期间引排分开、清污分流的重要工程[1]。但是，在西控工程建成实施后，影响了西岸地区的防洪排涝方式[2]，即在望虞河西岸地区遇到5年一遇以下的暴雨时，望虞河与走马塘之间的涝水要反向通过走马塘排入长江。按照如此调度方式，导致了区域内走马塘及望虞河西岸与走马塘之间地区的水位同步升高，给望虞河西岸地区的区域防洪带来一定影响，尤其是对望虞河和走马塘之间不设防的半高地地区影响明显。

望虞河西控工程涉及无锡市新吴区、锡山区和苏州市相城区、常熟市2市4区，近年来，武澄锡虞区作为望虞河西控工程可能影响的重要区域，为掌握西控工程实施对该区的防洪影响，数学模型是开展防洪影响研究的重要手段[3]，为此，本文以武澄锡虞区为研究对象，构建区域精细化河网模型，选择区域遭遇不同频率的设计暴雨工况，模拟分析望虞河西控工程对武澄锡虞区的防洪影响，研究成果将为区域和城市防洪安全保障提供技术支撑。

1 研究区域概况

武澄锡虞地区位于太湖北部，是太湖流域内的低洼平原区，西以武澄锡西控制线为界，与太湖湖西区相邻，东至望虞河，涉及无锡、常州、苏州3市15个区(县)，包括无锡市、江阴、张家港市全部和常州、常熟市的一部分[4]。武澄锡虞区以白屈港为界分为武澄锡低片和澄锡虞高片，根据地形特点，武澄锡虞区水系以苏南运河为界，分成苏南运河北部和南部2部分，苏南运河北部地区以南北向通江河道为主，苏南运河以南以南北向入湖河道为主。武澄锡虞区列入省湖泊保护名录中的湖泊有4个，分别为五里湖、官塘、暨阳湖和宛山荡，其中，宛山荡和官塘位于武澄锡虞区防洪保护区内[5]。武澄锡虞区内部水利工程众多，其中，望虞河西岸太湖环湖大堤至长江段共建有支河口门建筑物78个[6]。区域现状防洪标准为20～50年一遇，除涝标准为20年一遇。

2 研究方法

本文采用数值模拟的方法研究望虞河西控工程对区域防洪的影响。通过对研究区域水文气象、基础地理、水利工程及调度、历史洪水等基础资料的收集与处理、现场踏勘与补充测量，构建武澄锡虞区水文-水动力精细化河网模型，并与江苏省太湖地区流域级水动力河网模型[7]耦合，形成流域与区域多尺度嵌套模型；采用武澄锡虞区50、100年一遇设计暴雨过程作为模型计算边界条件，根据区域河网初始场，考虑入江、入湖、圩区群和望虞河西控工程等调度，制定不同情景模拟工况，模拟计算区域遭遇50、100年一遇设计暴雨工况下望虞河西控工程未建成与建成后区域河网水位的变化情况，分析西控工程对区域的防洪影响。

3 数学模型构建

3.1 水文模型

本文研究区域处于太湖流域平原河网地区，下垫面既有硬质地面性质的城市区域，同时还存在透水性好的产流面，因此本文根据下垫面集水单元土地利用类型，将固定比例径流模型(Fixed)与初期损失模型Green-Ampt入渗模型相结合进行不同下垫面的产流模拟计算；地表汇流计算采用非线性水库模型进行计算。

3.2 水动力模型

河道内的洪水运动具有明显一维特征，采用St.Vennant方程组描述：

连续方程：

(1)

运动方程：

(2)

3.3 精细化河网模型

本文的洪水分析范围为武澄锡虞区，构建的模型范围包括水文模型、水动力模型。

3.3.1水文模型构建

本文根据王船海等[8]的研究成果，将太湖流域水资源分区市县级行政分区下垫面资料以及1∶10000下垫面电子地图划分的39种类型合并成旱地、水田、水面以及建设用地4种类型，采用泰森多边形法进行集水单元和汇水单元划分，同时，研究范围内包含众多的圩区，因此汇水单元的划分需要结合地形、圩区、城市排水管网等资料。

3.3.2水动力模型构建

收集整理武澄锡虞区河道断面、排水管网、水利工程等数据进行模型构建，对于河网交叉位置、泵站、水闸、涵洞等节点进行断面加密，以保证模型刻画的精度；根据区域水系特点和水流方向，进行河网拓扑关系构建；以线对象概化闸门、泵站、涵洞，并输入建筑物对应的几何尺寸信息和调度规则；为了提高模型计算效率，并充分考虑流域边界条件的影响，将武澄锡虞区模型与江苏省太湖地区模型进行了耦合嵌套模拟，考虑相关水文机制，实现精细化模型计算过程中外部边界条件自动获取，为区域洪水分析模型提供合理边界条件。

3.3.3模型率定与验证

模型的率定验证主要用于调整模型中的相关参数，以提高模拟结果的精确度，一维模型中的主要影响因子为河道糙率[9]。河道糙率值主要根据人工渠道以及天然河道的经验值初步拟定为0.020～0.040。采用2015年6月15日00:00—6月21日00:00时段数据进行模型率定，采用2016年7月1日00:00—7月10日00:00的时段数据进行模型验证，最终确定本区域内各河道的糙率。

按照模型率定验证相关规范要求，率定验证中采用Nash-Sutcliffe系数(NSE)和可决系数R2对模型有效性进行评定，结果表明，NSE系数都大于0，表明模式质量好或者模拟结果接近观测值的平均值水平，可决系数R2结果表明相关性中等偏上，模型范围内甘露和陈墅2个站点的计算水位序列和实测水位序列峰值水位差均小于20cm，模型总体结果可信，如图1所示。

4 结果与分析

4.1 计算方案情景

为分析望虞河西控工程建设对区域洪水的影响进行，选择武澄锡虞区50、100年一遇设计暴雨工况作为降雨条件，设置2类模拟方案，即西控工程建设前、西控工程建设后洪水模拟计算方案，共4组计算方案，见表1。

表1 模拟计算方案表

4.2 模拟结果分析

以青阳、大运河沿线典型站点为分析对象，分析西控工程建设后相关站点的水位变化过程，如图2—3所示，重点关注水位峰值的影响，望虞河工程建设前后峰值水位差对比如图4所示。

从典型站点水位过程线可以看出，区域遭遇50年一遇设计暴雨时，望虞河西控工程建成运行后，无锡(大)、走马塘和青阳的水位在大部分时段内均高于望虞河西岸未建成工况，各站点水位峰值分别抬升3.4、23.8、5.2cm；区域遭遇100年一遇设计暴雨情景下，无锡(大)、走马塘和青阳的计算水位也基本大于望虞河西控工程未建成工况，各站点的水位峰值分别抬升4.1、31.8、6.7cm。

从各水位站点水位峰值抬升结果来看，50年一遇设计暴雨工况的影响小于100年一遇工况；从各水位站点的影响程度来看，望虞河西控工程的建设对走马塘的影响明显高于相对较远的青阳和无锡(大)。

望虞河西控工程建设前后，锡澄地区向望虞河的排水量统计结果如图5所示。可以看出，在区域遭遇50、100年一遇设计暴雨时，与望虞河西控工程未建成时相比，锡澄地区向望虞河的排水量分别减少5058万、6867万m3，由此可见，在此工况下，望虞河西控工程的建设减少了锡澄地区向望虞河的排水量。

从空间影响程度来看，主要影响在靠近望虞河西侧附近河道，较远处影响较小，如图6所示。

综上所述，望虞河西控工程建设对武澄锡虞区防洪具有一定的影响，且区域遭遇的降雨量级越大其洪水峰值影响程度越严重。另外，望虞河西控工程的建设运行减少了锡澄地区向望虞河的排水量，减少排水量约5000～6000万m3。

5 结语

针对望虞河西控工程建设后对区域防洪影响的问题，采用数值模拟分析的方法，计算了武澄锡虞区遭遇不同频率设计暴雨、望虞河西控工程未建及建成运行多组方案，分析了无锡(大)、青阳及走马塘几个典型断面水位变化情况，结果表明，望虞河西控工程的建设运行抬高了区域洪水位，特别是望虞河以西河网区水位，且降雨量级越大，影响程度越明显，同时，望虞河西控工程的建设建少了锡澄地区向望虞河的排水量。不同边界组合下影响程度是有差异性的，因此，对于望虞河以西区域而言，应进一步研究水利工程优化调度、工程建设等应对措施，以减轻西控工程对区域的防洪影响，保障区域防洪安全。