运用数字河网模型探索常州市城市防洪调度预案
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摘要：本文主要着眼常州城市现有防洪设施布局，基于流域及区域水利工程调度规则，围绕城市大包围主要节点工程，探索利用数字河网模型进行多方案模拟比对，定性定量模拟分析在典型暴雨情况下，不同的调度方法对城市主要河道及周边水文情势所产生的作用和影响程度，以期为常州城区防洪调度决策提供技术参考。。
关键词：数字模型；城市防洪；调度方案；常州
中图分类号： F291.1文献标识码：A 文章编号：
引言
常州市规划建设城市防洪大包围工程，确定常州市城市防洪规划标准为100～200年一遇，其中城区（指大包围运北片）为200年一遇；城区河道排涝标准为20年一遇最大24小时降雨不漫溢。近年，常州市完成了城市防洪大包围主要节点控制工程的建设，主要内容为新建南运河枢纽、串新河枢纽、大运河东枢纽、采菱港枢纽、澡港河南枢纽、大运河西枢纽、北塘河枢纽等工程。
新的防洪工程格局由众多大小不一的水利枢纽工程组成，不同水利枢纽排水能力、对城区水位影响程度等等都不一样。以往，周边具有城市大包围工程的市、区一般是通过多年演练、实况调度，从而摸索多枢纽的联合调度。但是利用实况进行摸索总结，时间慢，工况少，特别是极端不利情况难以研判。因次，本文在水利科技专题研究的基础上，总结了利用数字河网模型去探索主要节点工程联合调度方案的一些过程和成果。
常州城市防洪规划共设置水闸（套闸）93座，排涝泵站109座，总流量896.4m3/s，其中新建（改建）水闸39座，排涝泵站36座，总流量538.7m3/s。
常州城市防洪大包围主要工程包括大运河东枢纽、采菱港枢纽、串新河枢纽、南运河枢纽、大运河西枢纽、澡港河南枢纽、老澡港河北枢纽、永汇河枢纽、北塘河北枢纽枢纽工程。其他工程主要是拆除重建龙游河南站，新建北童子河闸、新龙河闸、小龙港闸、皇粮浜闸等4座节制闸。新增排涝泵站装机容量总计为330m3/s。各枢纽的规模见下表，其中大运河东枢纽、采菱港枢纽、串新河枢纽、南运河枢纽、大运河西枢纽、澡港河南枢纽、北塘河枢纽等7座节点工程是运北片防洪工程的重要组成部分，无论是位置、功能，还是排涝功率都在整个防洪体系中占到较高比重，因此也是本文讨论的主要节点工程。
表1城区主要防洪节点规模表
图1常州市大包围防洪工程分布图
2数字河网模型
（1）模型基础信息
模型主要使用的是太湖流域数字河网模型。模型构建以太湖流域为边界，细化常州区域河道，从而形成适合常州小区域的数字模型。根据流域地形特征，河网水系、水资源特点和流域治理总体布局等多种因素，太湖流域划分为8个水利分区，即湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、太湖区、杭嘉湖区、浙西区、浦东区和浦西区。在此基础上，结合数值计算的需要，进一步细分为36个水利计算分区和4个自排区，36个计算分区中平原区16个，湖西山丘区10个，浙西山区10个。
根据流域特点，将太湖流域平原河网地区（圩外及圩内）下垫面分为水面、水田、旱地及城镇（包括非耕地、和道路等）四类。常州市各类河道补充297条，形成了以太湖流域骨干河网为主体，常州区域小河道为支脉的比较全面的概化河网。
（2）模型构建
根据流域的地形特征，并综合考虑不同地貌区域的降雨径流计算特点、河网水系和水利工程布局等多种因素，在湖西山丘区和平原区采用不同的产汇流模型。
湖西山丘区采用采用类似平原区的产流模型，单位线的方法进行汇流计算；浙西山丘区采用三水源、三层蒸发模式的新安江模型，汇流采用马斯京根法。平原区的汇流方式采用河网多边形分散式汇入周边河网，平原区的汇流计算，目前尚无成熟的理论和计算方法。假定一种汇流曲线，即平原区的日净雨一日天汇入河网。
河网水量模型，分别通过零维模型实现湖、荡、圩的水量交换、一维模型描述河道水流运动。
上述所有模型组成分布式的数字模型，离散计算方程组后，经过处理形成全流域统一的节点水位、流速线性方程组，其求解采用矩阵标识法。对于河网一维与湖泊零维间的耦合，采用全隐耦合方式进行，这样保证了计算的稳定性与计算精度，实现了整个流域内的水流演进过程模拟。
（3）模型率定
通过对金坛、坊前、常州、太湖四站实测水位，以99年为典型年，对河网模型参数进行了率定。率定计算结果，各站计算与实测数据最大偏差10cm，符合要求。
3调度方案探索
常州市遭遇的暴雨洪水，主要为2类，一是流域型特大暴雨，如1991年型，1999年型，二是多发的区域型局地暴雨或台风暴雨，如2003年型。1991年型暴雨（太湖流域百年一遇）作为规划设计雨型进行水文水利计算，已得出了科学的成果以及相应的大包围工程调度规则。本文主要以非设计暴雨年型，如1999年型和2003年型暴雨为典型，进行大包围主要控制工程的调度方案模拟，原则是大包围内控制最高洪水位不超过保证水位4.80米，同时对周边防洪影响最小。
大包围沿线主要的7处控制枢纽枚举了从分片控制、直至全部控制的调度预想方案，并模拟演算不同组合的调度对大包围内、外产生的水情效果和影响，提出应对非设计工况下典型暴雨洪水的大包围控制工程优化调度方案。
1、根据常州市城市防洪规划中各节点工程的调度办法，遇91年型暴雨，大包围工程启动，以常州站水位4.00m为大包围封闭启动条件，4.30m启动泵站排水，常州站洪水位控制在4.80米以下。
模型演算表明，遇99年洪水，在大包围没有形成的工况下，大运河常州站最高水位为5.48米，城区周边水位自西向东高水位为5.53~5.30米。
2、99年型情况下，常州水位达到4.40米时，启动调度方案，常州站最高洪水位为4.73米；当常州水位达到4.50米时，启动推荐调度方案，常州站最高水位为4.81米；当常州站水位达到4.60时，启动推荐调度方案，常州站最高水位为4.86米。
3、在2003年型局地暴雨情况下，流域与区域都属平水偏枯年份，汛期常州沿江遭遇百年一遇特大暴雨，导致短期内运河水位快速上涨。模拟验证结果表明，西枢纽东枢纽挡其它排方案也有较好的效果，常州城区洪水位下降0.63m。因此，遇2003年型暴雨，大包围主要节点工程可在常州站水位接近4.60m时，启动大运河东枢纽、西枢纽挡水，其它主要节点工程排水，包围圈内洪水位可控制在4.80m以下
4、99年流域性洪水实况，常州地区暴雨相对91年较小，受太湖及运河下游高水位顶托影响，常州区域水位较高，作为较优调度方案，在实际大包围工程调度中，可以结合气象情况，利用东枢纽进行错峰排涝，在钟楼闸水位4.30m～4.80m，排除部分城区涝水，可以进一步缓解城区防汛压力，对周边无影响。
结语
全面审视我国的城市防洪安全体系，可以发现短历时强对流天气多发，小区域洪水危机呈现高频次、多层面突发的态势，自然因素成为现代城市防洪安全的主要威胁。因此尽快建立和完善城市防洪应急预案集，已经成为城市管理者和水务工作者的当务之急。
本文在实地调研的基础上，依据城市城市防洪要求，运用数字模型模拟不同条件启动大包围后的城市水情态势，并形成基本结论，以供城市防洪调度有的放矢。