長(zhǎng)江南京河段新濟(jì)洲水源地防洪技術(shù)方案研究

曹 雙，曾 瑞，劉 沛，蔡 磊

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210011)

長(zhǎng)江下游干流河道為沖積平原河流，由于下游河道坡度較緩，河寬較上游水道展寬，南京河段兩岸江堤間河寬最大達(dá)到5～10 km(新濟(jì)洲、八卦洲)，水流從上游挾帶而來的大量泥沙因水流流速減緩而沉積，在下游干流河道內(nèi)形成了大量的洲灘[1-2]。這些洲灘不僅是長(zhǎng)江河道的組成部分，也是極其寶貴的土地資源，南京市為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，優(yōu)質(zhì)土地資源稀缺，依法、科學(xué)、適度、安全地利用洲灘資源具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3-4]。

馬建華[5]在其相關(guān)研究中認(rèn)為：長(zhǎng)江下游洲灘利用存在管理缺位、開發(fā)無序、堤基薄弱、防災(zāi)減災(zāi)體系缺失等問題，并提出了“人與水和諧相處”“以人為本”的指導(dǎo)思想，同時(shí)還提出了分段控制與類別劃分，可以將洲灘利用分為幾個(gè)類別：① 恢復(fù)河道行洪能力的洲灘，② 小水行蓄洪的洲灘，③ 小水保、大水行蓄洪的洲灘。

陳肅利等[6]在相關(guān)研究中認(rèn)為：在保障防洪安全的前提下，可以合理有序地開發(fā)利用長(zhǎng)江中下游干流河道洲灘資源，并提出了洲灘分段控制、分類管理的思路；同時(shí)介紹了分類管理原則和洲灘規(guī)劃開發(fā)利用的具體標(biāo)準(zhǔn)與方式。

周建春[7]在相關(guān)研究中給出了洲灘利用和管理方面的建議，主要包括：堅(jiān)持人水和諧的利用理念、堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、落實(shí)分類指導(dǎo)的規(guī)劃原則、編制科學(xué)合理的利用規(guī)劃、完善洲灘安全的工程措施、加強(qiáng)開發(fā)利用的監(jiān)督管理。

上述研究人員分別從行政決策、基層管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)的角度出發(fā)得到了較一致的觀點(diǎn)：長(zhǎng)江下游洲灘可以利用，但是要落實(shí)分段控制、分類管理使用的思路，并加強(qiáng)審批和監(jiān)管。本文以新濟(jì)洲水源地為例，主要從技術(shù)角度充分研究新濟(jì)洲水源地行蓄洪能力、推薦防洪標(biāo)準(zhǔn)以及制定防洪技術(shù)方案。

1 基本情況

1.1 項(xiàng)目概況

隨著南京市江寧區(qū)的飛速發(fā)展，需水量日益增長(zhǎng)，而目前江寧區(qū)未建設(shè)應(yīng)急備用水源供水工程，因此難以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)原水污染事件、保障供水安全。

受陸域用地限制，南京市江寧區(qū)選擇新濟(jì)洲作為應(yīng)急水源地。對(duì)新濟(jì)洲鳳凰湖進(jìn)行疏浚擴(kuò)容，并將現(xiàn)狀渠道截?cái)?，形成封閉水庫(kù)水源地，以利于水源地保護(hù)。水庫(kù)通過引水閘、排水閘與長(zhǎng)江聯(lián)通，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行進(jìn)水換水。通過輸水隧洞，采用“平戰(zhàn)結(jié)合”方式將水庫(kù)蓄水輸送至江寧水廠取水泵房前池。當(dāng)長(zhǎng)江發(fā)生水污染事件時(shí)，將關(guān)閉引水閘、排水閘，形成與長(zhǎng)江隔絕的水源地，輸水泵站運(yùn)行應(yīng)急工況，為江寧區(qū)提供20萬m3/d的應(yīng)急水量[8]。待污染物過境后，再回到平時(shí)工況。

1.2 河道概況

新濟(jì)洲汊道段起始端慈湖河口，為蘇皖兩省分界點(diǎn)，河寬為2.50 km，終端下三山河寬為1.85 km，干流長(zhǎng)25 km。河道為順直分汊河型，中部河身寬闊，最寬處達(dá)4.60 km，河段內(nèi)洲灘發(fā)育演變頻繁，水流分散，從上而下分布著新生洲、新濟(jì)洲、子母洲和新潛洲(見圖1)。左岸有石跋河、駐馬河，右岸有慈湖河、銅井河、牧龍河注入長(zhǎng)江，各河均為小河流，對(duì)長(zhǎng)江流量影響很小。河段內(nèi)河漫灘相對(duì)狹窄，新濟(jì)洲洲堤內(nèi)洪水位下洲灘面積約5.8 km2，占長(zhǎng)江河道庫(kù)容約2 200萬m3。

圖1 新濟(jì)洲供水工程位置示意Fig.1 Location of Xinjizhou water source site

1.3 堤防加固情況

(1) 江堤。長(zhǎng)江右岸大堤(江寧主江堤)為2級(jí)堤防。2014年底，南京市江寧區(qū)長(zhǎng)江干堤防洪能力提升工程實(shí)施完成后，堤頂總寬度為8 m，堤頂平均高程11.52 m。背水坡設(shè)4 m寬戧臺(tái)，堤后填塘固基，堤身采用多頭小直徑深層攪拌樁防滲處理。

(2) 洲堤。2017年對(duì)新濟(jì)洲洲堤進(jìn)行了提升加固工程，主要內(nèi)容包括堤防防滲灌漿、加高加固防浪墻、增設(shè)貼坡反濾體，以解決堤防滲漏及防洪安全問題。修復(fù)堤頂?shù)缆罚越鉀Q防汛道路不暢，道路標(biāo)準(zhǔn)低下的問題。加固后，堤頂平均高程為10.10 m，擋浪墻頂部平均高程10.90 m。文中出現(xiàn)的高程均為1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)。

1.4 新濟(jì)洲整治工程情況

2015年實(shí)施了新濟(jì)洲整治工程，內(nèi)容包括：新生洲頭導(dǎo)流壩，壩根灘面采用雷諾石墊護(hù)灘，左右兩翼采用水下拋石護(hù)岸。封堵新生洲與新濟(jì)洲之間的中汊、減少河道分汊、壩體上游和下游端分別與新生洲洲堤和新濟(jì)洲洲堤連接，壩頂高程為8.00 m。通過實(shí)施新生洲右汊進(jìn)口兩岸護(hù)岸工程、護(hù)底工程及洲頭魚嘴工程，遏制右汊進(jìn)一步發(fā)展。通過實(shí)施新濟(jì)洲洲頭魚嘴工程、左右緣護(hù)岸工程及七壩護(hù)岸工程加固，適當(dāng)改善了新潛洲右汊水域條件[9]。

2 近期洪水

2.1 新濟(jì)洲洪水成因

新濟(jì)州洪水成因一是流域持續(xù)性強(qiáng)降雨，二是上游來水[10-12]。上游來水主要包括武穴以上、鄱陽湖水系及區(qū)間來水。武穴以上流域面積約占大通以上面積的89.2%，武穴以上來水量占大通洪水徑流組成的70%～80%；鄱陽湖湖口以上集水面積占大通以上流域面積的9.3%，而逐月水量在大通來水組成中至少占12%以上，鄱陽湖五河來水是一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分；大通與南京之間的區(qū)域面積占大通以上流域面積的2%左右，主汛期的逐月來水量占全部來量的5%以上。

2.2 歷年洪水情況

受地理位置、降水特點(diǎn)和地形特征的共同影響，南京極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，自西漢惠帝五年(公元前190年)至2010年的2 000多年間，南京共發(fā)生洪水災(zāi)害283次，平均約8 a發(fā)生一次[13]。

1954年，在長(zhǎng)江洪水和本地暴雨共同作用下，大通站最大洪峰流量為92 600 m3/s，南京站超警戒水位歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)115 d，全年洪水總量為13 590億m3，均為有水文記錄資料以來最大值；新濟(jì)洲洲堤等級(jí)較低、堤身薄弱，潰堤行洪。1983年和1991年，新濟(jì)洲洲堤雖發(fā)生散浸、滲漏等局部損毀情況，但整體未破堤行洪；1998年，雖有局部險(xiǎn)情但未破堤行洪；2016年新濟(jì)洲洲堤未破堤行洪。

長(zhǎng)江下游資料系列較長(zhǎng)的測(cè)站有九江水文站、大通水文站、南京水文站，彭澤、安慶、蕪湖、馬鞍山、南京、鎮(zhèn)江、江陰潮(水)位站，距工程較近的有馬鞍山水位站及南京水位站，分別位于擬建過江管道斷面上游16.1 km及下游約33.9 km處，本次水文計(jì)算的資料依據(jù)站為南京水位站。通過建立馬鞍山水位站與南京水位站高低水資料的相關(guān)關(guān)系，將南京站各水位推算至擬建過江管道斷面[14]。圖2為長(zhǎng)江下游部分水文(水位)站網(wǎng)示意圖。

圖2 長(zhǎng)江下游部分水文(水位)站網(wǎng)示意Fig.2 Network of hydrological(water level)stations in the lower Yangtze River

2.3 實(shí)測(cè)洪水過程

考慮到大通站至工程段長(zhǎng)江匯流區(qū)面積增加僅2.0%～3.0%，采用大通站實(shí)測(cè)水位、流量過程資料作為代表性分析(見表1)。通過分析1949年以來大通站實(shí)測(cè)的幾次典型洪水過程發(fā)現(xiàn)：1954年流域性大洪水、1998年流域性大洪水以及三峽工程運(yùn)行以來的2016年洪水過程，可以用于支撐防洪預(yù)案研究。實(shí)例洪峰流量過程線如圖3所示。

表1 工程位置處歷史實(shí)測(cè)大洪水水位推算Tab.1 Projected historical flood level calculation at the project location

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：1954年，日平均流量大于85 400 m3/s的天數(shù)約為10 d，1998年及2016年的最大日平均洪峰流量未達(dá)到該值；從過程上看，流量、水位在峰值附近持續(xù)的時(shí)間逐次遞減，尤其是2016年洪水，水位消退尤其迅速，說明三峽工程的運(yùn)用對(duì)削峰調(diào)洪作用明顯。另外，近期洪水過境時(shí)，新濟(jì)洲及新生洲都未破堤行洪，未影響到兩岸及上下游的防洪形勢(shì)。從三峽工程的削峰作用及兩岸堤防加固等級(jí)提高的角度考慮，若發(fā)生1954年型洪水，可以先發(fā)揮新濟(jì)洲蓄水調(diào)配功能再考慮破堤行洪。圖4為實(shí)例洪峰水位過程線。

圖3 實(shí)測(cè)洪峰流量過程線Fig.3 Measured flood peak flow process

圖4 實(shí)測(cè)洪峰水位過程線Fig.4 Measured flood peak water level process

3 行洪影響分析

為了分析水源地啟用對(duì)長(zhǎng)江行洪的影響，本次計(jì)算模型選擇DHI公司旗下的MIKE21平面二維水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行專門的研究。該模型采用三角網(wǎng)格，求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算速度較快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。

3.1 計(jì)算方案

本模型主要用于研究新濟(jì)洲防洪、蓄洪、行洪時(shí)對(duì)工程河段及上下游的影響。工況1按照按1998年型洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量為79 800 m3/s，設(shè)計(jì)水位為9.18 m；工況2～7按1954年型洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為85 400 m3/s[15]，設(shè)計(jì)水位為9.68 m。計(jì)算工況列于表2。

表2 計(jì)算工況說明

3.2 計(jì)算成果

為了研究新濟(jì)洲防洪、蓄洪、行洪對(duì)上下游的影響，在新生洲左汊和右汊、新濟(jì)洲左汊和右汊、新濟(jì)洲尾以及南京水文實(shí)驗(yàn)站(大勝關(guān))選取了6個(gè)對(duì)比點(diǎn)提取水位和流速進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 模型對(duì)比點(diǎn)布置示意Fig.5 Model comparison point layout

(1) 同流量條件下新濟(jì)洲不行洪時(shí)的計(jì)算。在新生洲、新濟(jì)洲洲堤不拆不行洪的情況下，1998年型洪水(工況1)與1954年型洪水(工況2)的影響計(jì)算情況列于表3。

表3 工況1與工況2特征點(diǎn)水位流速統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，1954年型洪水各對(duì)比點(diǎn)水位比1998年型洪水升高了0.4～0.5 m左右，洲堤依然具有擋水能力，沒有漫堤過水，但是水位已經(jīng)接近洲堤堤頂高程。對(duì)比點(diǎn)的流速增大0.1～0.2 m/s左右，增大了10%以內(nèi)。

(2) 相同流量條件下拆洲堤行洪與不拆洲堤行洪計(jì)算。1954年型洪水條件下，新生洲、新濟(jì)洲拆堤行洪與不拆堤行洪的計(jì)算結(jié)果對(duì)比列于表4。

表4 工況2與工況3特征點(diǎn)水位流速統(tǒng)計(jì)

新生洲、新濟(jì)洲破堤，即洲堤高程全部降至6.0 m，洲灘最寬處斷面過水面積增大約6 000 m2，灘面流速在0.5 m/s左右，此處分流流量約為3 000 m3/s，占1954年型洪水流量的3.5%，可以在一定程度上緩解洪水壓力。由表4可以看出：新生洲、新濟(jì)洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速減小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同時(shí)新濟(jì)洲尾水位略有升高，流速略有減小，南京水文實(shí)驗(yàn)站流速和水位沒有變化。

4 調(diào)蓄能力分析

洪峰過境時(shí)，考慮將新濟(jì)洲作為蓄洪區(qū)，在洲尾設(shè)置進(jìn)洪口?？梢詫⑦M(jìn)洪口的地形視作寬頂堰處理，采用矩形直角寬頂堰的流量公式[16]計(jì)算過堤流量：

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)，m=0.35；b為堰寬，即進(jìn)洪口寬度，m；g為重力加速度，m/s2；P為堰高，m；H為水頭差，m，由于洲尾行進(jìn)流速為順堤防方向，垂直堤防方向流速為0，因此H僅為水位差。隨著新濟(jì)洲堤防內(nèi)水位上漲，流量逐漸減小，根據(jù)水力學(xué)公式計(jì)算蓄水時(shí)間，計(jì)算得到不同進(jìn)洪口寬度下的流量與新濟(jì)洲蓄滿時(shí)間列于表5。洲尾開口15 m時(shí)，蓄滿時(shí)間需要80.3 h;開口30 m時(shí)蓄滿時(shí)間需要40.2 h。在新濟(jì)洲上、下游同時(shí)開口行洪(見圖7)時(shí)各特征點(diǎn)水位流速變化情況列于表6。

圖6 1954年型洪水破堤與不破堤行洪流場(chǎng)對(duì)比示意Fig.6 Flood current field comparison of 1954 type flood breaking and unbreaking

表5 最大流量與蓄滿時(shí)間

圖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：當(dāng)洲頭、洲尾開口15 m時(shí)，與新濟(jì)洲不行洪變化不大，水位降低僅0.001 m左右，流速減小僅0.02 m/s左右。隨著開口增大，水位下降值增大，流速減小值也增大，洲頭、洲尾開口60 m時(shí)水位降低最大值為0.008 m，流速減小最大值為0.10 m/s。新濟(jì)洲尾水位、流速變化很小，南京水文實(shí)驗(yàn)站水位、流速不變。

表6 工況2，4，5，6，7特征點(diǎn)水位流速

5 防洪技術(shù)方案擬定

5.1 綜合分析

(1) 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局編撰的專著《1954年長(zhǎng)江的洪水》中，“根據(jù)頻率計(jì)算的結(jié)果宜昌、漢口、大通等主要控制站汛期總量均相當(dāng)于100 a一遇，日平均最大流量大通為167 a一遇”；三峽工程建成后，考慮到其調(diào)配、削峰作用，1954型流域性大洪水暴發(fā)的頻率相比較要降低。

(2) 根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果新濟(jì)洲洲堤全部破除行洪對(duì)緩解兩岸行洪壓力并不顯著：新生洲、新濟(jì)洲左右汊水位降低0.025 m左右，流速減小0.21 m/s左右，分洪能力有限，同時(shí)新濟(jì)洲尾水位略有升高，流速略有減小，南京水文實(shí)驗(yàn)站流速和水位沒有變化。

(3) 兩岸江堤經(jīng)過達(dá)標(biāo)建設(shè)和加固平臺(tái)，防洪能力比20世紀(jì)有顯了著提升。

(4) 1998年和2016年新濟(jì)洲未破堤行洪，未對(duì)本河段行洪、防洪安全造成較大影響。

(5) 洪水位情況下，新濟(jì)洲有2 200萬m3的槽蓄量。

基于以上5點(diǎn)考慮，將新濟(jì)洲作為蓄洪區(qū)調(diào)配，口門寬度考慮15～60 m(矩形截面)4種方案下洲堤內(nèi)灌滿洪水時(shí)間為20.1～80.3 h。根據(jù)長(zhǎng)江中下游相關(guān)類似工程經(jīng)驗(yàn)(天興洲民垸)，在新濟(jì)洲尾部右緣及新濟(jì)洲洲頭左緣各設(shè)置一寬30 m的進(jìn)出洪口，對(duì)于啟用概率低的分洪口，一般不考慮建閘，后期管理運(yùn)用較為復(fù)雜，因此推薦采用臨時(shí)扒口裹頭式的分洪口，裹護(hù)工程設(shè)計(jì)以防止堤頭繼續(xù)沖潰坍塌為原則，滿足洪水沖刷要求。

5.2 防洪技術(shù)方案

(1) 1998年洪水重現(xiàn)期超過20 a(約30 a)[17]，2016年洪水重現(xiàn)期在5～10 a之間[18]，雖新濟(jì)洲未破堤行洪，但從安全角度考慮[19]，建議確定20 a一遇以下洪水時(shí)，新濟(jì)洲水源地正常啟用；如發(fā)生20 a一遇以上甚至1998型流域大洪水時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)注水文情勢(shì)及兩岸江堤防洪壓力，接受防汛部門指導(dǎo)，做好啟用分洪口的準(zhǔn)備。

(2) 如長(zhǎng)江發(fā)生1998型和1954型流域性大洪水時(shí)，根據(jù)防汛部門的指令擇機(jī)啟用分洪口分洪，先扒開新濟(jì)洲下游出洪口進(jìn)洪蓄水，若未待新濟(jì)洲堤內(nèi)灌滿，洪水已經(jīng)消落，則上游進(jìn)洪口不開，尾門已注入洪水自流排出后再啟用水源地蓄水工程。

(3) 如新濟(jì)洲上洪水蓄滿，長(zhǎng)江洪水仍維持在1954型洪水及以上，則扒開上游進(jìn)洪口，上下游進(jìn)出洪口全開，形成分洪道；綜合考慮1954年85 400 m3/s以上洪峰持續(xù)時(shí)間約10 d以及目前兩岸江堤等級(jí)較高的因素，加上蓄滿洪水時(shí)間接近2 d，因此分洪時(shí)間暫定3 d。

(4) 如上下分洪口全開3 d后，長(zhǎng)江洪水流量仍維持在85 400 m3/s及以上，則將新濟(jì)洲洲堤全部破除，全面過洪。前期蓄水加上開口行洪，擬定新濟(jì)洲洲堤抵御1954年型洪水5 d(按照實(shí)測(cè)洪峰流量一半時(shí)間折算)。

(5) 被動(dòng)行蓄洪時(shí)水源地停用，輸水管道兩端設(shè)置的閘門關(guān)閉，防止江水順管道流入南岸江堤內(nèi)，造成水淹；設(shè)計(jì)施工時(shí)將工作井地面出口高程設(shè)置在防洪設(shè)計(jì)水位9.68 m以上0.5 m，并實(shí)施地基加固，退水后，水源地工程經(jīng)過修復(fù)能快速再次啟用。

(6) 根據(jù)SL 252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》要求，承擔(dān)縣市級(jí)及以上城市主要供水任務(wù)的供水工程永久性水工建筑物級(jí)別不宜低于3級(jí)。新濟(jì)洲水源地規(guī)劃設(shè)計(jì)工程等別為Ⅲ等，主要建筑物如蓄水池工程、泵站、水閘工程級(jí)別為3級(jí)(防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期20～30 a)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)(防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期10～20 a)，與防洪技術(shù)方案一致。

6 結(jié) 論

(1) 長(zhǎng)江下游利用洲灘建設(shè)水源地民生工程是從長(zhǎng)江下游水文情勢(shì)、防洪形勢(shì)出發(fā)，通過制定合理的防洪方案，落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”的體現(xiàn)，也是加強(qiáng)水資源宏觀調(diào)配，促進(jìn)人水和諧的具體實(shí)施。

(2) 工程段位于長(zhǎng)江下游河道較寬河段，斷面過水面積較大，兩岸堤防等級(jí)高，從分段控制利用、分類管理角度出發(fā)，新濟(jì)洲水源地在一定防洪標(biāo)準(zhǔn)下作為“小水保、大水行蓄洪的洲灘利用”，符合“不礙洪、穩(wěn)河勢(shì)、保民生、促發(fā)展”的整體要求，同時(shí)為區(qū)域民生工程建設(shè)提供了支撐。

(3) 雖然1998年新濟(jì)洲未破堤行洪，但從偏安全角度考量，將新濟(jì)洲水源地防洪標(biāo)準(zhǔn)定為20 a一遇是合適的。通過本文論證的方案進(jìn)行調(diào)配，充分利用了新濟(jì)洲洲灘的滯洪、分洪、行洪功能，解決了水源地運(yùn)用與長(zhǎng)江防洪的矛盾，提高了洲灘使用效率，使其更好為人類造福。

(4) 根據(jù)本研究的分析結(jié)果，提出以下建議：工程建設(shè)前，應(yīng)充分論證、編制詳細(xì)的防洪預(yù)案并報(bào)防汛主管部門審查，接受指導(dǎo)并對(duì)指令做出快速反應(yīng)；規(guī)劃建設(shè)過程中，必須嚴(yán)格履行水行政許可手續(xù)，批準(zhǔn)后方可實(shí)施。