平原感潮河网城市通江口门施工度汛方案研究

2022-06-21尹文昊毕中飞樊金璐宋凯璇

水力发电 2022年4期

刘俊，尹文昊，毕中飞，樊金璐，宋凯璇，汪惠

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210024；2.德清县水利水电工程质量安全中心，浙江德清 313200)

0 引言

近年来，滨江城市防洪排涝问题日益突出，尤其是人口密集、水系复杂、地势平坦的长江下游平原感潮河网地区。此类区域河网密布，水流方向顺逆不定，城市洪涝风险较高，常受自身高水位加之遭遇长江高潮位的影响而导致涝水外排不畅，城市内涝问题加剧[1]。在该背景下，通江口门在施工期间面临极其严峻的行洪难题。

基于此，目前国内外水利工作者大多采用导流来解决上述问题。2010年黄河海勃湾水利枢纽工程为保证施工度汛安全，奠定工程顺利实施的基础，采用围堰拦断河床，开挖明渠的导流方式[2]；北支江在整治下游船闸、水闸工程的过程中，采用导流明渠施工方案取得了良好的效益[3]。斯里兰卡K坝工程在建设过程中一次性拦断河水，并采取导流的方式以保障整个工程的施工[4]。杨建国对水库导流施工截流采用搭建临时截流断面措施，对于度汛提出修建混凝土面板堆石坝、错峰度汛、修建度汛水渠3项措施[5]。清水河水库在扩建工程结合现状采用了导流隧洞和挡水围堰的度汛方案[6]。

目前，针对该类问题的研究主要从具体水工建筑物设计的角度开展，而量化施工对区域排涝的影响及对比分析导排前后河道排涝情况变化的较少。本文以张家港市的重要通江口门太字圩港闸站施工为例，基于实测资料研究分析，采用MIKE11构建水文数学模型，在充分发挥当地现有行洪格局的基础上设计方案，分析方案的防洪潮效果，统筹考虑各项因素，制订合适的度汛方案。

1 研究区概况

张家港市位于江苏省东南部，拥有百里长江岸线，濒临长江，受潮汐影响十分显著。潮汐为非正规半日潮，每日两涨两落，日潮不等现象明显。每月出现两次大潮汛和两次小潮汛，年最高潮位一般出现在8月～9月。这主要是与长江口地区的风暴潮有关；年最低潮位一般出现在1月～2月。高低潮落差在2.35 m左右，潮位高低与吴淞口海潮及上游流量密切相关。一个半日潮周期的平均历时为12 h 25 min，涨潮平均历时3 h 31 min，落潮平均历时8 h 54 min。

随着城市化的持续推进，相同级别的洪水造成的各类损失日益增大。张家港市经济建设的发展，同等级别的洪水所造成的经济损失逐渐增大。长期以来，张家港市防洪工程的建设缺乏一定的系统性和超前性，当遭遇较大暴雨时，往往发生各种不同程度洪涝灾害。主要原因是通江口门规模较小，抬高了内河水位。对此，当地正在开展滨江防洪工程建设。张家港市主要河道分布见图1。

图1 张家港市主要河道分布

太字圩港属于张家港西部片区的入江骨干河道，南起南横套，北至长江，全长约14.0 km，据当地最新的防洪排涝规划，要求西部片区在50年一遇的降雨条件下控制水位为4.7 m。然而现状节制闸已不能满足片区50年一遇的防洪标准，为了改变防洪能力不足的现状，亟待改建节制闸，增设排涝泵站，加强片区的排水能力。

综上所述，为解决西部片区的防洪问题，减轻区域汛期涝水压力，减少区域受涝面积，太字圩港闸站改建工程是十分迫切的。然而，在闸站施工期间拦河围堰将会导致太字圩港这条重要的行洪通道缺失，势必会抬高西部片区的整体水位，对太字圩港及周边河道的防洪安全造成一定的威胁，亟待提出一些针对性的措施。西部片区河流水系及太字圩港施工位置见图2。

图2 西部片区水系

2 模型构建

平原感潮河网地区的复杂水系结构是研究水体运移规律的一大难点[7]，当前主要解决办法是借助数学工具构建水动力与降雨径流耦合的水文数学模型来模拟产汇流及水体流动的过程[8]。本研究结合张家港降雨洪涝特性以及地理环境特征，构建水文数学模型，对各方案进行模拟计算。

2.1 模型概化

结合研究区域的河网特征和水流特性，以MIKE11为建模工具，选用MIKE11降雨径流模块的NAM模型和HD水动力模块。水动力模块的基本原理是运用圣维南方程求解方程。降雨径流模块的概化依托于NAM模型，NAM模型是一个以简单定量关系描述水文循环中各种陆相特征连接起来的集总参数的概念性水文模型，用来模拟流域的降雨径流过程[9]。

将NAM模型计算得出的流量过程作为HD模块的流量输入条件。平原感潮河网错综复杂，河道数目众多，地形平缓，流向不定；同时，由于人为干预(水利分片治理、行政区划的范围等)等因素的影响。本次研究综合考虑河道水流的流向、地形特点以及最新下垫面资料等因素，根据河道的陆域宽度对其进行集水区域的划分，共划分集水区37个。

根据研究区河网水系布局，考虑水系的完整性、边界条件的稳定性以及周边区域对研究区域洪涝水位的影响等因素，在河网概化的过程中以区域骨干河道为基础，对西部片区的河道加密概化，共概化河道21条，节点54个。有些河道调蓄作用很小或者基本不起输水作用，将作为调蓄节点概化。此外，概化20多处水工建筑物，张家港市西部片区沿江主要闸站有张家港闸、五节桥闸站、十字港闸、护漕港闸、太字圩港闸站和朝东圩港闸站等(见图3)。

图3 河网概化

在模型计算过程中，不仅需要模拟这些涉水工程的规模、位置，也要模拟这些涉水工程的调度运行规则。在水流模拟中，不仅要正确地模拟这些工程措施的规模、位置；同时也要模拟这些工程措施的控制运行方式，并通过设置时间序列以及根据上下游水位关系来模拟控制闸泵的开启。

2.2 潮位边界设置

研究区南部以张家港河水位为控制边界，其外部水位边界条件由武澄锡虞区锡澄片水文水动力模型计算给出。北部以长江潮位为边界，采取较为不利的潮情组合。研究区长江的潮位边界根据1991年江阴肖山站、常熟浒浦闸长江逐潮高低潮位资料插补推求1991年张家港市沿江闸边界逐时潮位过程，基本方法是根据各闸地理位置采用内插逐潮高低潮位及相应潮时[10]。利用沿江闸门实测逐时潮位资料，推求并综合得出无因次潮位单位线，并配以数学方程。

由沿江各闸门的逐潮高低潮位及潮时，用涨落潮无因次单位线内插出涨落潮过程中的整点时刻潮位。根据沿江各涵闸逐潮高低潮位及潮时，利用涨落潮无因次单位线分别内插出涨落潮过程中的整点时刻潮位。

2.3 模型率定

NAM是概念性、集总型模型，参数具有一定的物理含义；但由于参数值反映的是各子流域的平均条件，无法通过实测获得，因此必须进行率定。概念性、集总型模型，其参数都有一定的物理意义；但由于无法实测反映各子流域平均条件的参数值，因此也需进行率定。

NAM带有一个自动率定程序，它可以自动率定9个最重要的模型参数。自动率定工具基于使4个不同率定目标达到最佳的原则来率定。这4项是总水量平衡、过程线总体形状、高流量和低流量。自带一个自动率定程序，可以自动率定模型中9个最重要的参数。率定的原则是使4个不同率定目标达到最佳，这4项分别是总水量平衡、过程线总体形状、高流量和低流量。

在率定过程中，要对各子流域的参数进行多次调整，直到计算的径流(坡面流、壤中流和基流之和)与流域出口实测的流量拟合较好为止。模型的主要参数包括地表径流系数、地表最大储水量、根区最大储水量、地表径流时间常数和根区阈值等。本次参数的取值见表1。

表1 NAM模块主要参数取值

为进一步保证模型参数的准确性，选择2012年8月实测降雨、潮位以及水位资料进行率定。边界水位选取长江实测潮位、太湖实测水位等边界资料；率定选取计算范围内有实测水位数据的水文站有无锡站、陈墅站、青旸站和甘露站。率定结果见图4。

图4 模型率定结果

率定结果显示模型计算水位与实测水位的变化趋势基本一致，峰值较为接近。采用Nash-Suecliffe效率系数评价两个模型计算水位与实际水位的拟合程度。即

(1)

3 围堰施工的影响分析

3.1 设计暴雨计算

依据城市排涝设计要求，根据样本系列的代表性和完整性，分析整理研究区水文站1985年～2019年共计35年的最大1、3、6、12、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型频率曲线对长历时暴雨系列进行频率分析计算，得到不同时段的点雨量分布参数及设计点雨量，河道排涝设计时采用面雨量进行计算，根据《江苏省暴雨洪水查算图表》，查得雨量点面折减系数，计算得到50年一遇下的面雨量设计值，选取2015年6月2日0时至6月2日24时的24 h降雨过程作为典型暴雨过程，按同频率法缩放法得到研究区50年一遇设计暴雨过程，见图5。

图5 50年一遇设计暴雨过程

3.2 施工对排涝的影响及分析

研究区的日常闸泵调度主要和长江潮位密切相关。当河道水位高于长江潮位时，打开护漕港闸、严子港闸、十字港闸、五节桥港闸和张家港闸等沿江闸门排水。当长江达到高潮位时，沿江河道由于受到长江高水位的顶托排水不畅。此时，各沿江闸门关闭，开启护漕港泵站排水。为对比分析太字圩港通江口门封堵施工前后对张家港市西部片区河道的排涝影响，模拟计算围堰前和围堰后(未采取任何导排措施)的排涝情况，计算结果见表2。

表2 闸站施工对研究区河道排涝影响 m

由表2可知，在围堰施工之前，即在太字圩港闸站尚未改建时张家港市西部片区在遭遇50年一遇的设计暴雨之时，部分河道水位高于4.70 m。特别是太字圩港最高水位达4.73 m，超过了片区的控制水位。这表明太字圩港闸站改建是必要的。而在围堰施工之后若不做任何导排措施，将会使张家港市西部片区河道水位上升9～16 cm。由此可知，相同重现期的设计暴雨下，封堵施工后的河道水位涨幅较大，太字圩港最高水位达到4.84 m，明显超过控制水位，围堰导致河道的排水压力增加，对区域的排涝影响不容轻视。

本文将从开挖导流明渠、加强水系连通以调整局部水系和增设临时泵站以加强河道水动力条件两个方面进行方案设计，通过模型模拟分析不同方案下的施工度汛效果。

4 方案设计及效果分析

4.1 度汛方案设计

施工的场地滨水临江，处于建设期间的工程相对比较脆弱，在受到高潮位的顶托下容易遭受洪水的侵袭，对此本文立足于研究区现有的水系及水利工程，在充分挖掘当地行洪潜力的基础上设计度汛方案。首先在施工期间关掉东横河闸和南横套节制闸，使得张家港其他片区水体不进入西部片区以免抬高当地的水位，并合理利用现有的水系、沿江口门参与联合调度。

此外，为了增强河道对降雨的调蓄作用以降低河道水位、提高区域排水能力，可在太字圩港的河口处开挖导流明渠将涝水排出，并连通太字圩港西侧的段山港与朝南港、九横套，加强水系连通从而减轻太字圩港的行洪压力。

在经过水系调整之后，可进一步优化度汛措施。由于平原感潮河网地势平坦，水流顺逆不定，流速缓慢，增设强排泵站是常见的工程手段。泵站的规模决定了排涝效果和经济成本，可在上述水系调整的基础上在段山港河口处增设5、10、15 m3/s等3种不同规模的泵站，分析不同泵站规模下的排涝影响，见图6。

图6 导流明渠及水系连通位置示意

综上所述，设计方案1为关闭东横河闸、南横套节制闸，开挖导流明渠，进行水系连通，不增设强排泵站的工况，方案2、3、4分别为关闭东横河、南横套节制闸，开挖导流明渠，进行水系连通，增设5、10、15 m3/s规模强排泵站的工况。分析水系调整与增设泵站组合后对区域排水能力的提升作用，并合理确定泵站的规模。

4.2 方案效果分析

模拟计算得到，以上各方案条件下西部片区遭遇50年一遇的暴雨时主要河道的最高水位(见表3)。

表3 不同方案下50年一遇各河道最高水位 m

由表3可知，相较于围堰施工后未进行任何导排措施的情况。方案1下最高水位平均下降0.09 m左右，对太字圩港封堵施工引起的排水压力起到了较好的缓解作用。增强水系连通性后，太子圩港的最高水位下降到4.75 m，段山港因承接了太字圩港的涝水，水位下降效果不明显。研究区河道水位整体得到了一定的控制，但最高水位仍均超过控制水位。由此可见，仅靠导流明渠，水系连通，而不增设泵站的情况下依旧达不到度汛的目标。方案2在方案1的基础上增设强排泵站，其规模达到5 m3/s时，相较于围堰施工前的河道仅有0.01～0.03 m的抬升，部分河道符合控制水位的标准，太字圩港的最高水位下降到4.72 m，仍未达到度汛的目标，方案2尚存提升空间。

方案3下强排泵站的规模达到10 m3/s，研究区的河道水位得到更为理想的控制，基本恢复了围堰施工前的水平，所有河道水位均在控制水位之下。方案4进一步增加泵站规模达到15 m3/s，然而方案3、4对于降低张家港西部片区河道水位的作用基本一致，部分河道水位较于方案3仅略有下降，相比而言方案3增设10 m3/s泵站已基本可实现相同的水平，且节省了建设及管理成本。

统筹考虑各项因素，在满足防洪要求下兼顾经济效益，最优方案应具备可行性和经济性。故，选取关闭东横河、南横套节制闸，开挖导流明渠，连通水系，增设10 m3/s规模强排泵站的工况作为推荐方案。