變化環(huán)境下蘇南運(yùn)河洪澇特性及治理對(duì)策研究

汪院生 柳子豪 唐 仁

（1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘇州 215006；2.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

0 引 言

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)低平、河網(wǎng)密布、排水受流域性河湖洪水或潮位頂托，洪澇災(zāi)害易發(fā)[1]。掌握平原河網(wǎng)地區(qū)的洪澇匯流特性與規(guī)律，是科學(xué)制定洪澇治理對(duì)策的重要前提和依據(jù)[2-3]。太湖流域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，作為流域內(nèi)最重要的人工航運(yùn)河道，蘇南運(yùn)河自北向南貫穿流域腹地，沿途與太湖平原河網(wǎng)諸水系交匯。運(yùn)河所經(jīng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人均生產(chǎn)總值約為全國(guó)的2.2倍[4]。

蘇南運(yùn)河是太湖流域防洪排澇工程體系的重要組成部分，是流域內(nèi)貫通各水利分區(qū)最長(zhǎng)的一條調(diào)度河道，歷史上經(jīng)歷多次大規(guī)模整治，特別是三級(jí)航道整治工程的實(shí)施，改變了運(yùn)河上下游的水量關(guān)系，極大提高了洪水下泄能力和速度，相應(yīng)承接上游來水量增加，造成運(yùn)河沿線漲水迅速、水位抬升明顯[5]。同時(shí)，蘇南運(yùn)河也是蘇州、無錫、常州等沿線城市及圩區(qū)的主要排澇通道，上下游城市及圩區(qū)集中排水能力不斷增強(qiáng)，改變了運(yùn)河匯流特性，河道水位上漲迅速，防洪壓力加大[6-7]。2015 年和2016 年，蘇南運(yùn)河沿線地區(qū)都曾發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活都造成了嚴(yán)重影響[8]。

針對(duì)蘇南運(yùn)河工情、水情變化下沿線地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)不均衡、運(yùn)河防洪壓力難以有效緩解等問題，通過系統(tǒng)分析2016年流域特大洪水發(fā)生時(shí)期運(yùn)河水情變化特征，查明蘇南運(yùn)河洪澇水來源及沿線匯流特性，結(jié)合區(qū)域水利治理布局，提出運(yùn)河洪水分段安排對(duì)策措施，為提高蘇南運(yùn)河及沿線地區(qū)整體防洪排澇能力提供理論參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 河道概況

蘇南運(yùn)河即京杭大運(yùn)河蘇南段，是連接長(zhǎng)江與太湖水系的重要紐帶。河道北起鎮(zhèn)江長(zhǎng)江諫壁口門，繞太湖東岸達(dá)蘇州，南至江浙交界的鴨子壩，全長(zhǎng)約212.5 km，如圖1所示。運(yùn)河自身未形成獨(dú)立水系，但沿途與太湖上游洮滆水系及下游長(zhǎng)江水系、黃浦江水系諸多河道直接交匯，既溝通太湖流域各水系，構(gòu)成水量交換的河網(wǎng)；又是交通航運(yùn)“黃金水道”，將流域內(nèi)航道溝通成網(wǎng)，貫穿蘇州、無錫、常州和鎮(zhèn)江4市。

圖1 蘇南運(yùn)河位置及沿線水利工程分布情況

蘇南運(yùn)河沿線防洪工程體系由河道堤防，諫壁水利樞紐、鐘樓防洪控制工程、蠡河樞紐工程等控制性水利工程構(gòu)成。其中諫壁水利樞紐是太湖流域分泄洪水入江、引水沖淤和區(qū)域性灌排的重點(diǎn)工程之一；鐘樓防洪控制工程是太湖流域武澄錫西控制線主要工程；蠡河樞紐工程則主要承擔(dān)防洪、排水、通航等功能。

1.2 資料與方法

1.2.1 水文資料

搜集和整理蘇南運(yùn)河沿線諫壁閘站、洛社站、無錫（大）站、望亭站、蘇州（楓橋）站、瓜涇口站等11個(gè)水文代表站點(diǎn)2016年汛期逐日實(shí)測(cè)水位資料。水位資料根據(jù)各測(cè)站凍結(jié)基面與吳淞基面的高差進(jìn)行了修正，將各站水位統(tǒng)一至鎮(zhèn)江吳淞基面高程。

1.2.2 模型手段

本文研究采用了蘇南運(yùn)河區(qū)域水動(dòng)力學(xué)模型，由太湖流域河網(wǎng)一維水動(dòng)力模型構(gòu)建而成。該模型經(jīng)水利部及國(guó)家有關(guān)部門鑒定，被認(rèn)為是太湖流域可推行使用的水動(dòng)力模型之一，廣泛應(yīng)用于太湖流域防洪規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃等重大規(guī)劃的水利計(jì)算工作[9]。

模型研究范圍為蘇南運(yùn)河沿線以及與其有水力關(guān)聯(lián)的江蘇省太湖地區(qū)，共涉及湖西區(qū)、太湖區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、浦南區(qū)5 個(gè)水利分區(qū)，面積約為1.96 萬km2?？紤]以太湖流域?yàn)楸尘?，將模型分析?jì)算范圍擴(kuò)大到太湖流域黃浦江以西的區(qū)域。模型范圍如圖2所示。

圖2 蘇南運(yùn)河沿線區(qū)域模型范圍示意圖

在模型率定驗(yàn)證上，采用2015年6月15—21日時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，同時(shí)采用2016 年7 月1—10 日時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，納什效率系數(shù)（Nash Sutcliffe Efficiency coefficient，NSE）都大于0，表明模擬結(jié)果接近實(shí)測(cè)值，相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果表明相關(guān)性中等偏上，各站點(diǎn)計(jì)算水位序列和實(shí)測(cè)水位序列峰值水位差均小于20 cm，模型總體結(jié)果可信。

2 蘇南運(yùn)河洪澇特性

針對(duì)歷史典型洪澇災(zāi)害情況，選取2016年洪水年份進(jìn)行蘇南運(yùn)河沿線洪澇水匯流特性分析研究。2016 年汛期，受超強(qiáng)厄爾尼諾影響，太湖流域發(fā)生特大洪澇，汛情總體呈現(xiàn)降雨量多、強(qiáng)度大、范圍廣，河湖水位高和高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，降雨主要集中在梅雨期。汛期，河湖水位全線超警戒，其中太湖水位最高達(dá)4.87 m，列歷史第2 位；蘇南運(yùn)河無錫（大）站、蘇州（楓橋）站水位最高漲至5.28 m 和4.82 m，分別超歷史紀(jì)錄0.10 m 和0.22 m，運(yùn)河沿線發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。

2.1 實(shí)況水位變化特征

通過統(tǒng)計(jì)2016 年汛期蘇南運(yùn)河沿線各站出現(xiàn)最高水位時(shí)相應(yīng)上下游站點(diǎn)的同期水位和各站最高水位的發(fā)生時(shí)間，分析各河段洪水位的變化以及上下游洪水位發(fā)生的時(shí)間關(guān)系。根據(jù)運(yùn)河沿線代表站實(shí)測(cè)水位分析，楓橋以上河段洪水漲退過程基本同步,如圖3 所示。6 月19 日入梅后，運(yùn)河代表站水位總體都相對(duì)較高，進(jìn)入7月份水位迅速上漲，各站陸續(xù)開始出現(xiàn)最高水位，其中鐘樓閘下站至蘇州段出現(xiàn)時(shí)間最早（7 月2—3 日），上游則受鐘樓閘控制影響最高水位出現(xiàn)在7 月5 日；平望站和銅羅站最高水位分別出現(xiàn)在7月6日和7月11 日；瓜涇口站最高水位受太湖分洪影響出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)略晚。

圖3 2016年汛期蘇南運(yùn)河沿線代表站逐日水位過程

洪水期間，諫壁閘站與丹陽站最高水位基本相當(dāng)，丹陽站與常州（二）站最高水位相差0.64 m。洛社站與無錫（大）站最高水位相差約0.10 m，無錫（大）站與望亭站、望亭站與蘇州（楓橋）站最高水位相差均約0.20 m，蘇州（楓橋）站最高水位高于蘇州（三）站0.50～0.60 m，蘇州（三）站、瓜涇口站、平望站洪水位基本相當(dāng)。運(yùn)河浦南區(qū)段由于杭嘉湖地區(qū)雨量不大，銅羅站最高水位高于平望站僅約0.10 m。

從2016年實(shí)況水位過程分析發(fā)現(xiàn)，蘇南運(yùn)河由于河道斷面相對(duì)較大，運(yùn)河上段承接了部分湖西山丘區(qū)來水及沿線匯水，洪水下泄速度總體較快，蘇州城區(qū)以上河段各站洪水漲退規(guī)律基本一致，上下游洪水位關(guān)系較好，發(fā)生時(shí)間基本同步。一般情況下，運(yùn)河洪水自上游往下游推進(jìn)而相繼出現(xiàn)洪峰水位，但北部丹陽以上入江段因受局部山洪及長(zhǎng)江潮汐等多種因素的影響，峰現(xiàn)時(shí)間差異較大。2016年汛期由于鐘樓閘的啟用，閘上河段受關(guān)閘壅高等影響，最高水位出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后。蘇州城區(qū)以下河段則受運(yùn)河上游洪水下泄與太湖泄洪的共同影響，沿線瓜涇口站和平望站峰現(xiàn)時(shí)間也有明顯差異；而運(yùn)河浦南區(qū)段的銅羅站最高水位主要與杭嘉湖地區(qū)水情密切相關(guān)。

2.2 運(yùn)河沿線匯流特性

根據(jù)2016 年7 月1—11 日洪水過程模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)蘇南運(yùn)河湖西區(qū)段、武澄錫虞區(qū)段和陽澄淀泖區(qū)段進(jìn)行水量平衡計(jì)算，研究蘇南運(yùn)河沿線匯流特性，分析洪水來源與出路。

蘇南運(yùn)河湖西區(qū)段水量平衡分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，湖西區(qū)產(chǎn)流進(jìn)入蘇南運(yùn)河水量中北排長(zhǎng)江占比48.5%，沿運(yùn)河向東下泄進(jìn)入武澄錫虞區(qū)占比50.9%。從工程運(yùn)行情況來看，該時(shí)期諫壁樞紐、九曲河樞紐、魏村樞紐均滿負(fù)荷運(yùn)行，蘇南運(yùn)河沿線水位偏高主要原因在于北排長(zhǎng)江能力不足。

表1 2016年7月1—11日蘇南運(yùn)河湖西區(qū)段水量平衡計(jì)算表

蘇南運(yùn)河武澄錫虞區(qū)段水量平衡分析結(jié)果見表2。武澄錫虞區(qū)產(chǎn)流沿運(yùn)河下泄進(jìn)入陽澄淀泖區(qū)占比51.1%、北排占比47.6%。暴雨洪水期間，由于太湖高水位頂托，武澄錫虞區(qū)位于蘇南運(yùn)河以北的入長(zhǎng)江河道發(fā)揮了重要的北排作用，對(duì)減輕蘇南運(yùn)河武澄錫虞區(qū)段沿線高水位壓力效果顯著。

表2 2016年7月1—11日蘇南運(yùn)河武澄錫虞區(qū)段水量平衡計(jì)算表

蘇南運(yùn)河陽澄淀泖區(qū)段水量平衡分析結(jié)果見表3。暴雨洪水期間由于陽澄淀泖區(qū)環(huán)太湖口門及太浦河北岸口門控制，陽澄淀泖區(qū)產(chǎn)流進(jìn)入蘇南運(yùn)河水量及武澄錫虞區(qū)沿運(yùn)河下泄的洪水基本全部向北排入長(zhǎng)江，北排長(zhǎng)江水量占比99.8%。

表3 2016年7月1—11日蘇南運(yùn)河陽澄淀泖區(qū)段水量平衡計(jì)算表

2016年實(shí)況洪水情景分析表明，蘇南運(yùn)河湖西區(qū)段產(chǎn)流主要去向?yàn)楸迸砰L(zhǎng)江和沿運(yùn)河向東下泄，而武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)段水流去向主要受長(zhǎng)江、太湖兩側(cè)洪（潮）水位影響。若暴雨洪水期間，太湖高水位頂托，武澄錫虞區(qū)及陽澄淀泖區(qū)主要通過北排長(zhǎng)江緩解高水位壓力，而當(dāng)長(zhǎng)江水位較高時(shí)，則經(jīng)運(yùn)河調(diào)蓄緩排為主要洪水出路。

3 分段治理對(duì)策及效益分析

3.1 分段治理對(duì)策措施

根據(jù)蘇南運(yùn)河沿線匯流特性，統(tǒng)籌考慮流域、區(qū)域、城市不同層次需求，圍繞提升蘇南運(yùn)河自身防洪標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)大運(yùn)河洪澇外排出路兩個(gè)方面，提出蘇南運(yùn)河分段治理對(duì)策措施。一方面結(jié)合沿線區(qū)域系統(tǒng)治理，增強(qiáng)運(yùn)河各河段所在水利分區(qū)的洪澇蓄泄能力，擴(kuò)大運(yùn)河洪澇外排出路；另一方面鞏固和加強(qiáng)運(yùn)河兩岸防線，根據(jù)沿線保護(hù)對(duì)象的不同，相應(yīng)提高運(yùn)河堤防的防洪能力。

3.1.1 流域?qū)用?/p>

蘇南運(yùn)河沿途與太湖流域的骨干行洪河道望虞河、吳淞江、太浦河交匯。按照流域北排長(zhǎng)江、東出黃浦江、南排杭州灣的防洪格局，通過望虞河拓浚、吳淞江整治和太浦河后續(xù)工程的實(shí)施，在擴(kuò)大流域洪水外排能力的同時(shí)，也為增加蘇南運(yùn)河洪澇外排出路創(chuàng)造有利條件。

3.1.2 區(qū)域?qū)用?/p>

區(qū)域?qū)用妫K南運(yùn)河穿過太湖流域湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)等多個(gè)水利分區(qū)，在沿線各分區(qū)治理布局的基礎(chǔ)上，按照擴(kuò)大外排、增加調(diào)蓄、控制下泄的分段治理理念，統(tǒng)籌安排各河段洪水外排和下泄。

（1）湖西區(qū)。根據(jù)湖西區(qū)“上游攔蓄、擴(kuò)大入江、增加調(diào)蓄、暢通入湖、高低分治”的治理布局，在運(yùn)河湖西區(qū)段，通過與運(yùn)河交匯的德勝河整治及江邊魏村樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目，加快蘇南運(yùn)河洪澇水直接外排入江，運(yùn)河以南的洮滆平原通過退圩還湖和入湖河道治理，進(jìn)一步增強(qiáng)腹部洮湖、滆湖調(diào)蓄，擴(kuò)大洪水東泄太湖能力，消納區(qū)域腹部的洪澇水量，減少區(qū)域腹部洪水進(jìn)入運(yùn)河，從而減輕運(yùn)河沿線防洪壓力。

（2）武澄錫虞區(qū)。根據(jù)武澄錫虞區(qū)“洪水北排長(zhǎng)江、南排太湖、東排望虞河和沿運(yùn)河下泄”的治理布局，在運(yùn)河武澄錫虞區(qū)段，通過與運(yùn)河交匯的錫澄運(yùn)河入江段整治及江邊定波水利樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目，加快蘇南運(yùn)河洪澇水直接外排入江，運(yùn)河以南通過入湖河道治理，優(yōu)化向太湖排水方案，暢通運(yùn)河洪水南排出路，通過白屈港、十一圩港等其他通江河道治理，以及九里河、錫北運(yùn)河等東排河道治理，擴(kuò)大區(qū)域洪水北排、東排，從而減少區(qū)域沿運(yùn)河下泄的洪澇水量，減輕運(yùn)河沿線及下游防洪壓力。

（3）陽澄淀泖區(qū)。按照陽澄淀泖區(qū)“北排長(zhǎng)江，沿吳淞江、攔路港下泄，相機(jī)外排太湖、望虞河、太浦河，利用河湖調(diào)蓄”的治理布局，對(duì)于運(yùn)河陽澄淀泖區(qū)和浦南區(qū)段，依托流域行洪通道望虞河、吳淞江、太浦河相機(jī)外排區(qū)域及運(yùn)河洪澇水，通過擴(kuò)大白茆塘、瀏河等通江河道北排長(zhǎng)江能力，整治淀泖區(qū)八蕩河、牽牛河等骨干水系，加強(qiáng)河湖水系連通，提高河湖調(diào)蓄能力，消納區(qū)域河網(wǎng)洪澇水量，從而減輕運(yùn)河防洪壓力。

3.2 分段治理效益分析

3.2.1 分析計(jì)算條件

（1）設(shè)計(jì)降雨及典型年。蘇南運(yùn)河沿線最高洪水位主要受所在區(qū)域暴雨洪水遭遇及其外排出路影響。根據(jù)區(qū)域治理規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨及設(shè)計(jì)洪水研究成果，與區(qū)域防洪治理目標(biāo)銜接，采用區(qū)域典型年設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水開展運(yùn)河沿線各分區(qū)治理效益分析，其中湖西區(qū)段與武澄錫虞區(qū)段設(shè)計(jì)典型年均為1991 年型50 年一遇；陽澄淀泖區(qū)段設(shè)計(jì)典型年為1999年型50年一遇。

（2）計(jì)算工況及調(diào)度原則。計(jì)算工況分為治理措施實(shí)施前與實(shí)施后，治理前工況為流域、區(qū)域的現(xiàn)狀工況，流域工程包括旄兒港防洪工程、環(huán)湖大堤加固工程等11項(xiàng)骨干工程，區(qū)域工程考慮各區(qū)域水利治理及交通部門航道整治已完成的工程。治理后工況即為流域、區(qū)域規(guī)劃工程實(shí)施完成的規(guī)劃工況，其中流域治理規(guī)劃工程包括望虞河拓浚工程、吳淞江整治工程、太浦河后續(xù)工程，各區(qū)域治理規(guī)劃確定的防洪工程布局和治理措施全部實(shí)施完成。在流域、區(qū)域工程調(diào)度上，遵循《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案（試行）》執(zhí)行。

3.2.2 分段治理效益

根據(jù)設(shè)計(jì)典型年降雨模擬分析結(jié)果，分段治理措施實(shí)施前后蘇南運(yùn)河沿線主要代表站最高洪水位變化見表4。

表4 蘇南運(yùn)河沿線分段治理效益分析m

結(jié)果表明，在分段治理措施實(shí)施以后，運(yùn)河沿線代表站遭遇各區(qū)域50年一遇降雨時(shí)，最高洪水位都發(fā)生了不同程度的降低。其中，運(yùn)河湖西區(qū)段沿線最高洪水位為5.06～5.83 m，較治理前降低25～52 cm；運(yùn)河武澄錫虞區(qū)段沿線最高洪水位為4.21～4.93 m，較治理前降低17～22 cm；運(yùn)河陽澄淀泖區(qū)段最高洪水位為4.50～4.65 m，較治理前降低1～8 cm。其中，陽澄淀泖區(qū)治理工程重點(diǎn)為加強(qiáng)河湖水系連通，提高河湖調(diào)蓄能力，通江河道整治等部分治理工程，并不直接與蘇南運(yùn)河溝通，通過擴(kuò)大外排降低區(qū)域河網(wǎng)水位，從而間接減低運(yùn)河洪水位。

4 結(jié) 語

本文開展了蘇南運(yùn)河洪澇水匯流特性與分段治理對(duì)策研究，主要結(jié)論如下：

（1）蘇南運(yùn)河沿線洪澇及匯流特性存在差異性，其中湖西區(qū)段洪澇水主要為北排長(zhǎng)江和沿運(yùn)河向東下泄，而武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)段水流去向則受長(zhǎng)江、太湖兩側(cè)洪（潮）水位影響，表現(xiàn)為北排長(zhǎng)江或沿運(yùn)河下泄。

（2）在區(qū)域治理布局基礎(chǔ)上，提出以“擴(kuò)大外排、增加調(diào)蓄、控制下泄運(yùn)河”為治理理念的分段對(duì)策措施。相關(guān)治理措施實(shí)施后，可以大幅降低運(yùn)河沿線最高洪水位，有效減輕運(yùn)河沿線防洪壓力。