望虞河西控工程對區域防洪影響研究

莊寶慶，張 浩，柳 楊，劉國慶，楊 帆

(1.無錫市錫山區水利局，江蘇 無錫 214000；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.水利部太湖流域水治理重點實驗室，江蘇 南京 210029)

望虞河西岸控制工程(以下簡稱“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，實現望虞河“引江濟太”期間引排分開、清污分流的重要工程[1]。但是，在西控工程建成實施后，影響了西岸地區的防洪排澇方式[2]，即在望虞河西岸地區遇到5年一遇以下的暴雨時，望虞河與走馬塘之間的澇水要反向通過走馬塘排入長江。按照如此調度方式，導致了區域內走馬塘及望虞河西岸與走馬塘之間地區的水位同步升高，給望虞河西岸地區的區域防洪帶來一定影響，尤其是對望虞河和走馬塘之間不設防的半高地地區影響明顯。

望虞河西控工程涉及無錫市新吳區、錫山區和蘇州市相城區、常熟市2市4區，近年來，武澄錫虞區作為望虞河西控工程可能影響的重要區域，為掌握西控工程實施對該區的防洪影響，數學模型是開展防洪影響研究的重要手段[3]，為此，本文以武澄錫虞區為研究對象，構建區域精細化河網模型，選擇區域遭遇不同頻率的設計暴雨工況，模擬分析望虞河西控工程對武澄錫虞區的防洪影響，研究成果將為區域和城市防洪安全保障提供技術支撐。

1 研究區域概況

武澄錫虞地區位于太湖北部，是太湖流域內的低洼平原區，西以武澄錫西控制線為界，與太湖湖西區相鄰，東至望虞河，涉及無錫、常州、蘇州3市15個區(縣)，包括無錫市、江陰、張家港市全部和常州、常熟市的一部分[4]。武澄錫虞區以白屈港為界分為武澄錫低片和澄錫虞高片，根據地形特點，武澄錫虞區水系以蘇南運河為界，分成蘇南運河北部和南部2部分，蘇南運河北部地區以南北向通江河道為主，蘇南運河以南以南北向入湖河道為主。武澄錫虞區列入省湖泊保護名錄中的湖泊有4個，分別為五里湖、官塘、暨陽湖和宛山蕩，其中，宛山蕩和官塘位于武澄錫虞區防洪保護區內[5]。武澄錫虞區內部水利工程眾多，其中，望虞河西岸太湖環湖大堤至長江段共建有支河口門建筑物78個[6]。區域現狀防洪標準為20～50年一遇，除澇標準為20年一遇。

2 研究方法

本文采用數值模擬的方法研究望虞河西控工程對區域防洪的影響。通過對研究區域水文氣象、基礎地理、水利工程及調度、歷史洪水等基礎資料的收集與處理、現場踏勘與補充測量，構建武澄錫虞區水文-水動力精細化河網模型，并與江蘇省太湖地區流域級水動力河網模型[7]耦合，形成流域與區域多尺度嵌套模型；采用武澄錫虞區50、100年一遇設計暴雨過程作為模型計算邊界條件，根據區域河網初始場，考慮入江、入湖、圩區群和望虞河西控工程等調度，制定不同情景模擬工況，模擬計算區域遭遇50、100年一遇設計暴雨工況下望虞河西控工程未建成與建成后區域河網水位的變化情況，分析西控工程對區域的防洪影響。

3 數學模型構建

3.1 水文模型

本文研究區域處于太湖流域平原河網地區，下墊面既有硬質地面性質的城市區域，同時還存在透水性好的產流面，因此本文根據下墊面集水單元土地利用類型，將固定比例徑流模型(Fixed)與初期損失模型Green-Ampt入滲模型相結合進行不同下墊面的產流模擬計算；地表匯流計算采用非線性水庫模型進行計算。

3.2 水動力模型

河道內的洪水運動具有明顯一維特征，采用St.Vennant方程組描述：

連續方程：

(1)

運動方程：

(2)

3.3 精細化河網模型

本文的洪水分析范圍為武澄錫虞區，構建的模型范圍包括水文模型、水動力模型。

3.3.1水文模型構建

本文根據王船海等[8]的研究成果，將太湖流域水資源分區市縣級行政分區下墊面資料以及1∶10000下墊面電子地圖劃分的39種類型合并成旱地、水田、水面以及建設用地4種類型，采用泰森多邊形法進行集水單元和匯水單元劃分，同時，研究范圍內包含眾多的圩區，因此匯水單元的劃分需要結合地形、圩區、城市排水管網等資料。

3.3.2水動力模型構建

收集整理武澄錫虞區河道斷面、排水管網、水利工程等數據進行模型構建，對于河網交叉位置、泵站、水閘、涵洞等節點進行斷面加密，以保證模型刻畫的精度；根據區域水系特點和水流方向，進行河網拓撲關系構建；以線對象概化閘門、泵站、涵洞，并輸入建筑物對應的幾何尺寸信息和調度規則；為了提高模型計算效率，并充分考慮流域邊界條件的影響，將武澄錫虞區模型與江蘇省太湖地區模型進行了耦合嵌套模擬，考慮相關水文機制，實現精細化模型計算過程中外部邊界條件自動獲取，為區域洪水分析模型提供合理邊界條件。

3.3.3模型率定與驗證

模型的率定驗證主要用于調整模型中的相關參數，以提高模擬結果的精確度，一維模型中的主要影響因子為河道糙率[9]。河道糙率值主要根據人工渠道以及天然河道的經驗值初步擬定為0.020～0.040。采用2015年6月15日00:00—6月21日00:00時段數據進行模型率定，采用2016年7月1日00:00—7月10日00:00的時段數據進行模型驗證，最終確定本區域內各河道的糙率。

按照模型率定驗證相關規范要求，率定驗證中采用Nash-Sutcliffe系數(NSE)和可決系數R2對模型有效性進行評定，結果表明，NSE系數都大于0，表明模式質量好或者模擬結果接近觀測值的平均值水平，可決系數R2結果表明相關性中等偏上，模型范圍內甘露和陳墅2個站點的計算水位序列和實測水位序列峰值水位差均小于20cm，模型總體結果可信，如圖1所示。

4 結果與分析

4.1 計算方案情景

為分析望虞河西控工程建設對區域洪水的影響進行，選擇武澄錫虞區50、100年一遇設計暴雨工況作為降雨條件，設置2類模擬方案，即西控工程建設前、西控工程建設后洪水模擬計算方案，共4組計算方案，見表1。

表1 模擬計算方案表

4.2 模擬結果分析

以青陽、大運河沿線典型站點為分析對象，分析西控工程建設后相關站點的水位變化過程，如圖2—3所示，重點關注水位峰值的影響，望虞河工程建設前后峰值水位差對比如圖4所示。

從典型站點水位過程線可以看出，區域遭遇50年一遇設計暴雨時，望虞河西控工程建成運行后，無錫(大)、走馬塘和青陽的水位在大部分時段內均高于望虞河西岸未建成工況，各站點水位峰值分別抬升3.4、23.8、5.2cm；區域遭遇100年一遇設計暴雨情景下，無錫(大)、走馬塘和青陽的計算水位也基本大于望虞河西控工程未建成工況，各站點的水位峰值分別抬升4.1、31.8、6.7cm。

從各水位站點水位峰值抬升結果來看，50年一遇設計暴雨工況的影響小于100年一遇工況；從各水位站點的影響程度來看，望虞河西控工程的建設對走馬塘的影響明顯高于相對較遠的青陽和無錫(大)。

望虞河西控工程建設前后，錫澄地區向望虞河的排水量統計結果如圖5所示?？梢钥闯?，在區域遭遇50、100年一遇設計暴雨時，與望虞河西控工程未建成時相比，錫澄地區向望虞河的排水量分別減少5058萬、6867萬m3，由此可見，在此工況下，望虞河西控工程的建設減少了錫澄地區向望虞河的排水量。

從空間影響程度來看，主要影響在靠近望虞河西側附近河道，較遠處影響較小，如圖6所示。

綜上所述，望虞河西控工程建設對武澄錫虞區防洪具有一定的影響，且區域遭遇的降雨量級越大其洪水峰值影響程度越嚴重。另外，望虞河西控工程的建設運行減少了錫澄地區向望虞河的排水量，減少排水量約5000～6000萬m3。

5 結語

針對望虞河西控工程建設后對區域防洪影響的問題，采用數值模擬分析的方法，計算了武澄錫虞區遭遇不同頻率設計暴雨、望虞河西控工程未建及建成運行多組方案，分析了無錫(大)、青陽及走馬塘幾個典型斷面水位變化情況，結果表明，望虞河西控工程的建設運行抬高了區域洪水位，特別是望虞河以西河網區水位，且降雨量級越大，影響程度越明顯，同時，望虞河西控工程的建設建少了錫澄地區向望虞河的排水量。不同邊界組合下影響程度是有差異性的，因此，對于望虞河以西區域而言，應進一步研究水利工程優化調度、工程建設等應對措施，以減輕西控工程對區域的防洪影響，保障區域防洪安全。