嘉興地區聯圩分級調度對圩區排澇及太浦河的影響分析

張 培，劉曙光，鐘桂輝，章杭惠,2

(1.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；2.水利部太湖流域管理局， 上海 200434)

嘉興地區屬于太湖流域杭嘉湖水利分區，其中杭嘉湖東部平原地勢平坦，泄水條件差，洪澇災害頻發。千百年來區內百姓就有修圩筑堤、圍堰保家的歷史[1]。杭嘉湖低洼地區多建設圩區工程，圩區建設是太湖流域平原河網地區的重要防洪排澇措施[2]。隨著經濟社會發展，流域各地實施聯圩、并圩，圩區規模不斷擴大，圩區防洪排澇標準不斷提高，對區域及流域防洪均產生重要影響[3]。然而，圩區工程相應建設配套泵站水閘工程建筑物，這些工程的排澇能力以及調度情況也會受到圩外河道水位的影響。

其中比較突出的一個問題是“因洪致澇”，即太浦河承泄太湖洪水與嘉興北部圩區排澇泄洪之間的相互影響與矛盾。這是由于太浦河在大量承泄太湖洪水時，特別是本區同時也受到強降雨影響的情況下，太湖水位過高會增大下游地區的防洪風險，區域需要承擔本地降雨以及圩區排澇的同時還需要承泄一部分太湖洪水，因此，區域往往受到本地暴雨與外來洪水的疊加影響[4]，本區的排澇能力與太浦河水位、圩外骨干河道水位密切相關。

因此，本文希望通過調整、優化嘉興地區圩區的工程調度方式來協調這一矛盾。通過實地調研與走訪，了解到嘉興地區在汛期特有的“聯圩分級調度”，即：各個圩區平時按照本圩損失最小的方式調度，根據當地防澇排澇標準與調度原則控制水閘與泵站，但是在汛期當參考站點水位達到設定值時，開啟聯圩分級調度，即聯圩內小圩區停機關閘，大聯圩外圍泵站開啟進行排澇，以降低圩內主要河道的水位。

為分析“聯圩分級調度”可能對太浦河、區域骨干河道以及圩區排澇等方面產生的影響，本文基于MIKE FLOOD對太浦河兩翼地區建立一二維水動力耦合模型，模擬“聯圩分級調度”工況，并對比分析分級調度對： ①圩外骨干河道水位、②圩區淹沒情況、③太浦河水位這3個方面的影響，以期用于防汛指揮以及嘉興地區防洪的實踐。

1 太浦河兩翼地區水動力耦合模型

1.1 研究區域概況

太浦河兩翼地區以太浦河為中心，太浦河以北的淀泖區位于太湖流域東部，面積為2 393 km2，地形以平原為主，屬流水地貌型，區域地勢低平，地形呈西北高、東南低，沿江高、腹部低，在一個大的碟形盆地中又分布著許多小片碟形盆地，地貌形態較為復雜，區域內大部分地區低于防汛警戒水位，是太湖流域三大洼地之一，也是流域內水面率最大的地區之一[5]。太浦河以南的杭嘉湖區位于太湖流域東南部，區域北抵太湖及太浦河，東臨浦西水利分區，南濱杭州灣及錢塘江，西靠東苔溪導流，總面積為7 436 km2。本區主要水系是運河水系，主要包括北排入太浦河、東排入黃浦江、西接太湖的河道，是流域水面率最高的地區之一[6]。其中嘉北地區屬于低洼重澇地區，包括桐鄉的西北部、南湖區部分、秀洲區大部和嘉善的北部，總面積約1 200 km2，該區域河蕩交錯，地勢低洼，極易遭受洪澇災害。

根據本文研究區域范圍和水文站點的分布情況，確定本文模型范圍北抵吳淞江，南至古運河-嘉興城區-嘉善塘一線以及浙-蘇省際邊界，西至太湖，東至上海市太南片與浦南西片，不包括蘇州城區以及嘉興城區。

1.2 數據收集與前處理

1.2.1 基礎資料收集

基礎地理資料主要包括淀泖區、杭嘉湖區的地形地貌、河流水系、行政區劃、交通路網等?；A地理信息電子地圖包括等高線、高程點、DEM數據、行政區劃、居民點、道路交通、土地利用和河流水系等主要圖層。模型需要的邊界條件主要包括區域內部的雨量站、水位站以及流量站實測數據。

1.2.2 數據前處理

基礎數據的前處理工作主要包括：地物提取，提取不同圖層，包括水系圖層、基礎設施圖層、土地利用圖層等，高程的賦值，空間坐標系的統一。

1.3 模型搭建與率定驗證

1.3.1 控制方程

本文計算分析采用水動力學法。分析模型擬采用丹麥DHI公司開發的MIKE軟件。其中的MIKE11水動力模塊、MIKE21水動力模塊能單獨建模，獨立運行，又能無縫化耦合。本文采用的模塊有MIKE11水動力模塊、MIKE21水動力模塊和MIKE FLOOD耦合模型。

其中一維河網非恒定流問題最后都歸結為一維圣維南方程組的求解問題，圣維南方程組為模型的理論基礎。它的基本假設有不可壓縮、各向同質性，河床坡度小，水流被概化為一維系統(流速等均勻分布)，靜水壓力均勻分布和亞臨界流。一維圣維南方程組可以表示成如式(1)：

(1)

式中：x為距離坐標；t為時間坐標；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；q為旁側入流量；n為河床糙率系數；R為水力半徑；g為重力加速度。

在二維洪水模擬中，由于洪水波的影響范圍廣泛，其淹沒影響范圍(水平方向尺度)遠大于淹沒水深(垂直方向尺度)，水力參數在垂直方向的變化比水平方向的變化要小得多，而水壓力分布也近似靜水壓強分布，即具有典型的二維淺水波特征，因此可用二維淺水方程來進行二維洪水數值模擬。MIKE21采用基于非結構網格有限體積法進行洪水數值模擬。

模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stockes方程，服從Bousinesq渦黏假定和靜水壓力假定蛙跳格式(Leap Frog)非結構網格、通過控制體積法求解連續方程和動量方程。圖1是假設的連續性方程的控制體。

圖1 連續性方程控制體示意圖Fig.1 Sketch of control volume of continuity equation

MIKE FLOOD是一個耦合了一維和二維模塊----MIKE11和MIKE21用于模擬洪水和風暴潮分析的模型系統，可以同時對河道一維動態流模擬和洪泛區二維動態流模擬。將河道和洪泛區通過側向連接或標準連接實現河道與泛濫區之間洪水的傳遞。

模型采用側向連接模擬降雨匯流和河道漫堤，側向連接是指Mike 21中的一系列網格以旁側的方式同Mike 11的部分或者整個河道相連。通過側向連接的水流利用水工建筑物公式或者水位-流量關系來計算。

1.3.2 模型邊界條件

模型的邊界條件設置包括一維河網模型邊界以及二維產匯流模型邊界。

其中一維河網模型邊界有水文水位站點：瓜涇口、洞庭西山(三)、蘇州站、周巷站、趙屯站、黃渡站、青陽匯站、嘉興站、嘉興(杭)、桐鄉站、崇德站、新市站；潮位站點：泖甸站、夏字圩站、米市渡站、泖港站、洙涇站、嘉善站；口門：蘇申外港-吳淞江口門、斜塘河-吳淞江口門、青陽港-吳淞江口門、六里塘-胥浦塘口門、楓涇塘-嘉善塘口門；北排通道流量邊界：橫古塘-新橋港口門、白米塘-頔塘口門、橫港-潘家塘口門以及瀾溪塘-紫荇塘口門。

二維產匯流模型邊界包括降雨邊界條件與網格閉邊界，降雨分布按照實測降雨值進行泰森多邊形劃分，并制作場文件作為降雨邊界，降雨場文件示意圖如圖2；網格計算開閉邊界設置中則考慮到每部分網格按照實際圩區進行剖分，通過一二維側向連接的耦合模型進行水量交換，因此設置為閉邊界，二維網格剖分如圖3所示。

圖2 二維模型降雨邊界示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rainfall boundary of 2D model

圖3 二維網格剖分與泰森多邊形劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of 2D mesh subdivision and Tyson polygon division

1.3.3 河網、湖泊與水工建筑物概化

本文中的河網模型共概化河道933條，其中圩外河道418條(包括研究區域所有流域區域性骨干河道、重要跨縣河道、重要縣域河道和部分一般性河道)，圩內河道共計575條(段)。模型中計算水位點4 067個、計算流量點2 038個。

區域內水工建筑物眾多，體現在模型中的可控水工建筑物包括泵站406個、水閘52個。

1.3.4 網格剖分與側向連接

區域內共有圩區389個，將每個圩區單獨進行網格剖分，共生成網格172 904個，平均網格面積0.04 km2，其中最大網格面積為0.096 km2。在二維模型中，地形、糙率與降雨等隨空間變異的數據需要通過插值轉換為場文件的形式輸入。其中地形數據為DEM柵格文件中提取出的散點文件，其精度為50 m×50 m，滿足插值所需的精度要求。本文共建立耦合側向連接554條，其中所有圩區內部河道與二維地形網格進行側向連接，建立側向連接的河道可以與二維模型耦合發生水量交換。

1.3.5 模型率定與驗證

模型中河道糙率值采用“太湖流域水文水動力模型”中河道的糙率值，該模型是由河海大學程文輝教授經過多年研究開發并不斷修改完善的，其早期版本經過1984、1985年兩年資料的率定，后在“太湖流域河網水質研究”課題中又經1987、1988年兩年資料率定，以及1995、1996年兩年資料驗證，并經過多年的實踐，該套模型能較好地擬合太湖流域河網水流情況，區域內骨干河道糙率值采用模型中的糙率值是較可靠的。具體糙率取值見表1。

模型率定選取2012年8月1日至8月31日內部測站的實測水位過程進行率定，測站位置見圖4，率定結果對比圖如圖5。經過率定后，區域內河道糙率基本確定在0.022 5～0.03 5之間，選取2013年10月1日至10月15日降雨進行模型驗證，各測站計算水位過程與實測水位變化趨勢一致，數值吻合較好。如圖6和圖7所示。

2 圩區分級調度模擬

2.1 分級調度處理

2.1.1 聯圩分級調度原理

“聯圩分級調度”規則如圖8所示，小圩區通過內部圩區二級泵站向小圩區圩外河道排水，當圩外河道水位達到某個特定值時，內部圩區泵站停機，開啟聯圩外圍一級泵站，降低小圩區圩外河道水位，通過圩外骨干河道向太浦河排水。圖8對聯圩與小圩區之前的排澇關系說明。

表1 河道糙率值選取表Tab.1 Channel roughness value

圖4 率定驗證測站位置圖Fig.4 Sketch location of station for validation and calibration

圖5 銅鑼站水位過程對比Fig.5 Water level comparison between measured/simulated value on Tong-luo station during 2012.8

圖6 銅羅站水位過程對比圖Fig.6 Water level comparison between measured/simulated value on Tong-luo

圖7 金家壩站水位過程對比圖Fig.7 Water level comparison between measured measured/simulated value on Jin-jiaba station

圖8 聯圩與小圩區泵站關系示意圖Fig.8 Link between pumps in union-polder and sub-polder

2.1.2 水閘/泵站邏輯設計

小圩區的泵站與閘門設置在圩內河道與小圩區圩外河道的連接處，平時敞開保持圩內圩外水位相同，汛期關閉閘門，開啟二級泵站進行抽排。大聯圩的泵站設置在小圩區圩外河道與圩外骨干河道連接處，啟用聯圩分級調度之前，閘門敞開；開啟聯圩分級調度后，聯圩則按照包圍圈封閉，開啟一級泵站進行抽排。

水閘/泵站邏輯示意如圖9，在MIKE11中在一級泵站Pump前設置兩個并聯閘門，分別記做閘A，閘B。未開啟聯圩分級調度時關閉閘A，敞開閘B；開啟分級調度之后，關閉閘B，將閘A按照參考水位站點進行邏輯判斷，邏輯設置為：閘上水位大于等于設定水位時開啟閘門A并進行抽排，一級泵站抽排能力由調研所得，各聯圩外圍一級泵站抽排能力均不相同；當閘上水位小于設定水位時關閉閘A，此時相當于采用普通調度方式。

圖9 水閘/泵站邏輯示意圖Fig.9 Sketch for logic of gates/pumps in union-polder

2.2 分級調度結果分析

根據《浙江省杭嘉湖圩區整治規劃中期評估報告》，杭嘉湖圩區整治之后，一共統計出19處建設聯圩(分別為：南旱、大舜、姚莊、西塘、王凝嘉善、王凝秀洲、王油、王新一期、王新二期、王新三期、楊廟、新光、虹橋、魏塘、干窯、明星、長春、洛東以及沈家橋圩)，其中排澇總流量超過40 m3/s的圩區共計4個，分別為：西塘聯圩69.34 m3/s，王凝嘉善圩區91.8 m3/s，王凝秀洲圩區57.62 m3/s，沈家橋聯圩48.72 m3/s。由于西塘聯圩和王凝圩區總排澇動力較大，而且通過一級河道向太浦河排水，直接影響骨干河道水位以及太浦河水位。因此選取王凝嘉善、王凝秀洲和西塘聯圩這3個聯圩按照分級調度設置。聯圩與骨干河道位置如圖10所示。

本文選取這3個聯圩進行分級調度模擬，選取2013年10月1日-10月15日的降雨條件進行對比模擬計算。對比考察①兩個圩外骨干河道水位點：蘆墟塘和紅旗塘；②圩區淹沒情況：王凝嘉善和王凝秀洲圩區的淹沒水深大于0.05 m的網格面積；③太浦河水位：陶莊樞紐站這3個方面的影響。

圖10 聯圩與骨干河道位置示意圖Fig.10 Sketch map of union-polder and primary riverway

王凝嘉善圩區按照嘉善站作為參考水位點，當嘉善站水位超過2.06 m時開啟聯圩分級調度，總排澇動力162 m3/s，內外河道水位相平時停機開閘；西塘聯圩按照西塘站作為參考水位點，當西塘站水位超過2.06 m時開啟聯圩分級調度，總排澇動力68.78 m3/s，同樣當內外河道水位相平時停機開閘。聯圩內部小圩區調度均按照起/停排水位：1.70/1.40 m進行泵站抽排，排澇模數按照1.2 m3/(s·km2)設置。

2.2.1 圩外河道水位過程對比

由圖11所示，可以發現2個圩外骨干河道水位過程線在普通調度期間緩慢抬升，在啟用分級調度后上漲較快，洪峰值升高，洪峰位置相應前移，退水期拉長。在普通調度期間2個河道水位過程線基本平行，啟用分級調度后，雖然蘆墟塘水位較低，但是水位過程線上升速度更快，這是由于蘆墟塘同時受到王凝圩區和西塘圩區排水的影響；紅旗塘水位過程線上升速度更慢，這是由于西塘圩區總排澇動力68.78 m3/s，僅有王凝圩區總排澇動力的1/3。

圖11 圩外骨干河道水位過程線對比圖Fig.11 Comparison between common/classified irrigation scheduling of water level value on primary riverway during 2013.10.1-15

圖12 陶莊樞紐水位過程線對比圖Fig.12 Comparison between common/classified irrigation scheduling of water level value on Taozhuang station during 2013.10.1-15

由于啟用分級調度后首先影響的就是圩外骨干河道水位，因此圖11比圖12的洪峰出現時間快，而且洪峰值大于陶莊樞紐水位的洪峰值。在普通調度方式下，小圩區即使排澇動力大也不能夠及時向圩外排水，導致圩外河道水位升高不明顯；然而在啟用分級調度方式條件下，以聯圩為主體全力向骨干河道排水，可以較快的達到洪峰值，并在較長的時間內退水，減輕圩區內部洪澇壓力。因此本文認為，分級調度可以加快圩外骨干河道集水速度，可以減輕圩區洪澇壓力。

2.2.2 圩區淹沒情況對比

由圖13所示，可以發現王凝圩區淹沒情況得到較好的改善,0.05 m以上的淹沒面積減小了26%。統計得，網格平均最大淹沒水深由0.48 m降低至0.32 m。

圖13 王凝圩區淹沒情況對比圖Fig.13 Comparison between common/classified irrigation scheduling of flood situation on Wangning Polder area

同樣的降雨和邊界條件下，由于啟用分級調度之后，首先加快了小型圩外河道向區域骨干河道的排水，加快了小型圩外河道的退水過程，因此加快了小圩區內部河道的排澇，從而減少了淹沒面積以及最大淹沒水深。

2.2.3 太浦河水位過程對比

由圖12所示，可以發現太浦河-陶莊樞紐水位過程線漲水期時間變長，洪峰位置相應后移，洪峰值升高0.03 m，浮動不大，洪峰過后的退水過程基本不變，曲線基本平行。

分析曲線變化原因，由于陶莊樞紐水位在降雨前期主要受到太浦閘調度影響，即當太湖水位不超過3.8 m時，太浦閘泄水按平望水位不超過3.45 m控制，因此平望水位前期漲水較慢，導致洪峰位置后移。啟用聯圩分級調度之后，王凝圩區和西塘聯圩均開始通過骨干河道向太浦河排水。因此，分級調度可以增加太浦河嘉興段水位抬升的時間，為太浦河承泄太湖洪水預留空間。

2.3 小 結

通過對聯圩分級調度進行模擬，并將模擬結果與普通調度模擬下的結果相比較，可以發現：①對于圩外骨干河道，分級調度可以加快圩外骨干河道集水速度，可以減輕圩區洪澇壓力；②對于圩區內部淹沒，啟用分級調度可以有效地減少淹沒范圍和最大淹沒水深；③對于太浦河，分級調度可以增加太浦河嘉興段水位抬升的時間，為太浦河承泄太湖洪水預留空間。采用分級調度方式可以為太浦河承泄太湖洪水提供預留空間，還可以有效減緩區域的防汛壓力。

3 結 語

本文選用MIKE11對太浦河兩翼地區的水系以及水工建筑物等建立了一維河網模型，選用MIKE21對太浦河兩翼地區范圍內所有圩區進行網格剖分并搭建二維模型，最后選用MIKE FLOOD模塊，通過側向連接將上述一二維模型進行耦合建立一二維水動力耦合模型，耦合模型經過率定、驗證后，在對2012年8月和2013年10月的降雨過程模擬均將誤差縮小在10 cm以內。因此，認為該模型可以用于進一步的研究。本文在此基礎上，選取了3個典型大聯圩模擬了“聯圩分級調度”，通過比較水位過程線和淹沒面積等結果，可以初步認為圩區分級調度對提高該地區防洪排澇能力顯著。這一結論為嘉興地區防洪規劃以及圩區調度實踐提供了一定的借鑒意義。

展望：本文考慮到小型聯圩自身的排澇總流量較小，且包含小圩區個數較少，導致圩外河道和骨干河道的水位相差不大，在模擬中并不會對水位產生很大的影響。因此本文為了突出對比，選擇大型聯圩(總裝機流量超過40 m3/s，一般包含8個以上小聯圩)進行模擬。對于小圩區應用分級調度后的影響在下一步工作中可以進行更深入的探討。

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