鎮(zhèn)江案例：河、閘、站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度策略

以鎮(zhèn)江市河、閘、站運(yùn)行調(diào)度工況為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)區(qū)域水系、排水分區(qū)、排水管網(wǎng)、閘站數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息分析，構(gòu)建城市綜合流域排水模型（Infoworks ICM），模型校驗(yàn)后，分別模型模擬在30年一遇（長(zhǎng)、短歷時(shí)）降雨情況下，外江水位及不同閘站開啟狀態(tài)對(duì)城市河湖水位的影響關(guān)系，根據(jù)模型模擬結(jié)果和實(shí)際情況，提出預(yù)將水位、增設(shè)閘站、調(diào)整工況等具體優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度方案，并使用Infoworks ICM檢驗(yàn)調(diào)度方案的效果，為研究區(qū)域排水系統(tǒng)滿足30年一遇的防澇標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐，為城市應(yīng)對(duì)極端氣候帶來(lái)的嚴(yán)重內(nèi)澇提供參考和借鑒。

01 現(xiàn)狀排水系統(tǒng)分析

1.1 區(qū)域水系分析

研究范圍內(nèi)行洪排澇河道主要有古運(yùn)河、運(yùn)糧河和金山湖，其中古運(yùn)河是貫穿鎮(zhèn)江市主城區(qū)的一條主要河流，流域面積62.14km2，全長(zhǎng)16.92km。河道支流包括四明河、周家河、團(tuán)結(jié)河、玉帶河、孩兒橋河等市區(qū)雨水排放的重要通道，其中古運(yùn)河上設(shè)置京口閘、丹徒閘及丹徒南閘；運(yùn)糧河流域西起馬步橋港，東至金山湖（原北湖），流域面積 60.82km2 ，全長(zhǎng)12.8km，河道支流有御橋港和金山大圩圩區(qū)河網(wǎng)（頭道河、二道河、三道河、四道河、五道河等），御橋港是運(yùn)糧河重要的支流，運(yùn)糧河上設(shè)有兩座水閘，分別是運(yùn)糧河閘河七擺渡閘。金山湖作為鎮(zhèn)江城區(qū)最大的水體，外連長(zhǎng)江，內(nèi)接古運(yùn)河和運(yùn)糧河，豐水期面積可達(dá)8.8km2，常年湖水面積6.7km2，常水位3.9m（黃海高程，下同），防洪控制水位7.5m，金山湖東西兩側(cè)建有焦南閘和引航道閘，與環(huán)湖外堤共同將金山湖封閉成為可調(diào)可控的城市水域，防洪調(diào)蓄總庫(kù)容1119.5萬(wàn)m3。

1.2 排水分區(qū)分析

城市排水防澇系統(tǒng)分區(qū)采用分級(jí)劃分的方法。一級(jí)排水防澇分區(qū)邊界保持與一級(jí)雨水分區(qū)一致；二級(jí)分區(qū)根據(jù)防澇系統(tǒng)劃分結(jié)合水系和排水設(shè)施規(guī)劃建設(shè)情況，考慮地形特點(diǎn)與內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)重新劃分。研究范圍共劃分為5個(gè)一級(jí)排水分區(qū)，結(jié)合路網(wǎng)和管網(wǎng)劃分二級(jí)分區(qū)，二級(jí)分區(qū)共182個(gè)，然后在二級(jí)排水分區(qū)內(nèi)按照泰森多邊形劃分子集水區(qū)，共37 196子集水區(qū)。

1.3 排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

研究范圍包含了鎮(zhèn)江市的中心城區(qū)，排水體制以分流制為主，合流制為輔，其中，合流制排水管道總長(zhǎng)44.54km，分流制雨水管道總長(zhǎng)1247.89km。合流制管道管材包括鋼筋混凝土管、砌體方溝、PE管，分別占比64.84%、17.93%、17.23%；合流制管道中DN400以上的管道占比60.94%，合流制管道管徑分布如圖1所示；雨水管道管材包括鋼筋混凝土管、PE管、砌體方溝、玻璃鋼夾砂管、鑄鐵管，分別占比54.69%、40.98%、4.21%、0.09%、0.03%，雨水管道中DN400以上的管道占比46.82%，雨水管道管徑分布如圖2所示。

1.4 現(xiàn)狀閘站數(shù)據(jù)分析

城市排水安全不僅取決于排水系統(tǒng)的排水能力，還在相當(dāng)程度上取決于排放水體的水位控制，而閘站是控制水位的重要基礎(chǔ)設(shè)施。本項(xiàng)目中涉及的主要閘站為4個(gè)外排泵站和7個(gè)閘門，2個(gè)外排泵站主要包括七擺渡泵站、引航道泵站，7個(gè)主要的閘門為：七擺渡閘、二擺渡閘、京口閘、引航道閘、焦南閘、丹徒閘、丹徒南閘。閘站位置分布如圖3所示：主要閘門和泵站的開啟狀況由相關(guān)水位決定，具體運(yùn)行調(diào)度工況如表1所示。

02 模型的建模程序

城市綜合流域排水模型（InfoWorks ICM）將城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型，同城市/流域二維洪澇淹沒(méi)模型相結(jié)合，更為真實(shí)的模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用，通過(guò)模型模擬及預(yù)測(cè)，為城市排水防澇提供更為準(zhǔn)確直觀的參考，為河湖閘站的運(yùn)行調(diào)度方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2.1 暴雨強(qiáng)度公式

本次模擬參考鎮(zhèn)江市的暴雨強(qiáng)度公式如式（1）所示。

2.2 模型校核

根據(jù)現(xiàn)狀管網(wǎng)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)建立水力模型進(jìn)行模擬。為使研究能夠盡可能涵蓋所有的實(shí)際發(fā)生內(nèi)澇的點(diǎn)，選用30年一遇2 h的暴雨強(qiáng)度作為模擬的雨型，長(zhǎng)江水位取低水位，得到內(nèi)澇點(diǎn)分布結(jié)果，與實(shí)際內(nèi)澇點(diǎn)的對(duì)比如圖4所示。

2.3 水位校核

選取2015年6月26日20時(shí)-6月27日20時(shí)的實(shí)際降雨對(duì)模型進(jìn)行校核，在該實(shí)際降雨情況下，24 h內(nèi)總降雨量為154mm。金山湖的初始水位為4.1m，降雨過(guò)程中的閘泵調(diào)度情況為：二擺渡閘、丹徒南閘、京口閘開啟；引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉；引航道泵站（30m3/s）未開啟。以古運(yùn)河支流四明河與古運(yùn)河的匯流口水位數(shù)據(jù)以及運(yùn)糧河與御橋港的匯流口水位數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，降雨歷時(shí)內(nèi)，御橋港口水位最高上升至5.4m，四明河口水位達(dá)5.3m，模擬值與實(shí)測(cè)值差值最高為0.1m，其中御橋港水位納什系數(shù)值為0.97，四明河口水位率定納什系數(shù)值為0.89，吻合度較好。

2.4 管網(wǎng)排水能力模擬

按照不同降雨條件下管道所處的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，得到管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷，如圖5所示：在3年一遇降雨情況下，超負(fù)荷管道（紅色和綠色管道，圖中枚紅色為支流）主要分布在建成區(qū)，其中，金山湖沿江片區(qū)雨水管道總體管道超載情況就較為嚴(yán)重；不同降雨情況下的管道超負(fù)荷狀態(tài)分布情況見表2，其中1年一遇降雨管道超負(fù)荷運(yùn)行占比55.9%，3年一遇降雨管道超負(fù)荷運(yùn)行占比70.04%，5年一遇降雨管道超負(fù)荷運(yùn)行占比74.41%。

03 典型工況模擬

3.1 長(zhǎng)江低水位、30年一遇降雨（短歷時(shí)）

當(dāng)初始長(zhǎng)江水位、金山湖水位和內(nèi)河水位均為3.9m，暴雨強(qiáng)度30年一遇時(shí)（短歷時(shí)），模擬工況如下：引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘開啟；二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到5.3m時(shí)開啟；通過(guò)模型模擬，運(yùn)糧河在降雨開始1.5h時(shí)達(dá)到水位最高點(diǎn)約4.6m處，而后緩慢波動(dòng)下降，如圖6所示。古運(yùn)河在降雨開始后2h左右達(dá)到水位最高點(diǎn)約5.3m處，此時(shí)京口閘開啟，水位迅速下降，如圖7所示。金山湖水位從初始水位3.9m逐漸上升，降雨停止后繼續(xù)緩慢上升，由于引航道閘和焦南閘的泄洪作用，金山湖最高水位約4.04m處開始下降。

30年一遇的降雨情況下，就整個(gè)研究區(qū)域而言，積水深度＜0.3和積水深度在0.3~0.5m的積水都比較多，分布在一些容易產(chǎn)生內(nèi)澇的點(diǎn)上，積水深度＞0.5m的積水比較少。

3.2 長(zhǎng)江高水位，30年一遇降雨（短歷時(shí)）

當(dāng)長(zhǎng)江水位高水位、金山湖水位和內(nèi)河水位為3.9m，暴雨強(qiáng)度30年一遇時(shí)（短歷時(shí)）。模擬工況如下：引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘開啟，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到53m時(shí)開啟；其中引航道泵站在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排。通過(guò)模型模擬，運(yùn)糧河水位在降雨停止后20min達(dá)到5.7m開閘水位，降雨后2~4 h維持在5.5m上下波動(dòng)，如圖8所示；古運(yùn)河水位在降雨停止前40min達(dá)到5.3m開閘水位，降雨后2~4 h維持在4.2m上下波動(dòng)，如圖9所示；金山湖水位在降雨后1h達(dá)到4.2m，最高水位為4.22m。

30年一遇的降雨情況下，選用芝加哥雨型線進(jìn)行模擬，得到積水點(diǎn)分布結(jié)果大部分與實(shí)際內(nèi)澇點(diǎn)相匹配，整體積水情況較長(zhǎng)江低水位對(duì)應(yīng)30年一遇的降雨引起的積水嚴(yán)重。

3.3 長(zhǎng)江高水位，30年一遇降雨（長(zhǎng)歷時(shí)）

當(dāng)長(zhǎng)江高水位，金山湖及河道初始水位為為3.9m，暴雨強(qiáng)度30年一遇時(shí)（24 h）；模擬工況如下：引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到5.3m時(shí)開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排。模擬結(jié)果為：運(yùn)糧河水位在隨著降雨的進(jìn)行先平穩(wěn)上升，而后輕微波動(dòng)上升，直至水位在第16h達(dá)到5.7m開閘水位，開啟閘門后，水位迅速下降，降雨停止之后，波動(dòng)幅度逐漸減小，第30h之后基本穩(wěn)定在5.5m處，如圖10所示；古運(yùn)河水位在降雨后9h內(nèi)穩(wěn)上升，從初始的3.9m持續(xù)上升至4.9m處，此時(shí)開啟丹徒南閘，向京杭大運(yùn)河泄洪，使得古運(yùn)河水位有所下降。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，水位持續(xù)上升至5.3m，達(dá)到京口閘開閘水位，即使閘門開啟，河道來(lái)不及向金山湖和京杭運(yùn)河泄洪，水位持續(xù)上升至5.7m，降雨停止后水位平穩(wěn)下降，之后水位趨于平穩(wěn)，如圖11所示；金山湖水位在整個(gè)降雨過(guò)程中先是緩慢地上升，幾乎是在雨強(qiáng)最大點(diǎn)處上升速度發(fā)生突變。水位在降雨后2 h基本能達(dá)到最大水位，最高水位為4.9m，此時(shí)開啟引航道泵站，水位開始緩慢下降，至第48 h，水位降至4.64m處。

在整個(gè)降雨過(guò)程中，河道和湖泊的調(diào)蓄能力在長(zhǎng)歷時(shí)降雨中表現(xiàn)良好，能夠起到較為及時(shí)的緩沖作用。但是河湖的水位變化與降雨強(qiáng)度的變化仍然存在不可忽視的滯后性，河湖的調(diào)蓄能力顯然是不能完全抵消長(zhǎng)歷時(shí)降雨產(chǎn)生的內(nèi)澇危害的，只能對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)降雨內(nèi)澇危害帶來(lái)一定程度的改善。

04 工況優(yōu)化方案

4.1 調(diào)整金山湖水位

長(zhǎng)江高水位，遇到30年一遇降雨時(shí)（連續(xù)強(qiáng)降雨極端情況），通過(guò)預(yù)降水位，如金山湖水位至3.1m，四明河口水位3.6m；在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到5.3m時(shí)開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排的情況下進(jìn)行模擬。通過(guò)模型模擬：對(duì)于連續(xù)強(qiáng)降雨的極端情況，預(yù)降水位能有效的控制金山湖水位，常水位下金山湖水位能從3.9m上升到5.4m，如圖12所示，若將金山湖水位預(yù)降至3.1m，則在同樣的極端強(qiáng)降雨情況下，金山湖的最高水位為4.7m，如圖13所示，說(shuō)明預(yù)降水位能有效地應(yīng)對(duì)連續(xù)強(qiáng)降雨的極端情況。

4.2 提升河道閘站能力

（1）當(dāng)長(zhǎng)江高水位，遇到30年一遇降雨時(shí)（連續(xù)強(qiáng)降雨極端情況），金山湖及河道初始水位為為3.9m，通過(guò)對(duì)丹徒閘的泵站進(jìn)行擴(kuò)容，新增30m3/s能力；在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到5.3m時(shí)開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排的情況下，以2016年7月4日6點(diǎn)至7月5日6點(diǎn)的降雨進(jìn)行模擬，四明河口的水位整體有所下降，最高水位從5.91m下降到5.63m，新增水泵對(duì)四明河口水位有一定控制。

（2）當(dāng)長(zhǎng)江高水位，遇到30年一遇降雨時(shí)（連續(xù)強(qiáng)降雨的極端情況），金山湖及河道初始水位為為3.9m，通過(guò)增設(shè)龍門泵站，泵站能力為30m3/s；在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到53m時(shí)開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排情況下，控制龍門泵站（30m3/s ）和運(yùn)糧河沿岸泵站的啟閉工況；模擬結(jié)果顯示：開啟龍門泵站后，西圩區(qū)降雨匯入內(nèi)河后通過(guò)龍門泵站強(qiáng)排至長(zhǎng)江，對(duì)運(yùn)糧河的水位影響不大，如圖14所示。對(duì)于連續(xù)強(qiáng)降雨情況，僅開啟龍門泵站不能及時(shí)的排除雨水，需要同時(shí)開啟運(yùn)糧河沿岸泵站向運(yùn)糧河強(qiáng)排，不同工況下，西圩區(qū)積水量情況如圖15所示。

4.3 增設(shè)外排長(zhǎng)江通道

當(dāng)長(zhǎng)江高水位，遇到30年一遇降雨時(shí)（連續(xù)強(qiáng)降雨的極端情況），金山湖及河道初始水位為為3.9m；增設(shè)大口徑末端泵站排除金山湖沿岸雨水；在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關(guān)閉，二擺渡閘在御橋河口水位達(dá)到5.7m時(shí)開啟，丹徒南閘在四明河口水位達(dá)到4.9m時(shí)開啟，京口閘在四明河口水位達(dá)到5.3m時(shí)開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達(dá)到4.9m時(shí)強(qiáng)排，當(dāng)金山湖水位達(dá)到5.2m時(shí)，開啟大管徑末端泵站排除金山湖沿岸泵站雨水的情況下；模擬結(jié)果顯示：對(duì)于連續(xù)強(qiáng)降雨的極端情況，若僅僅依靠引航道泵站（30m3/s）強(qiáng)排金山湖水，無(wú)法阻止金山湖水位的持續(xù)上升，水位最高能上升到5.35m，當(dāng)在5.2m時(shí)開啟大管徑末端泵站后，水位上升趨勢(shì)明顯得到緩解，最高水位為5.25m，且水位回落較快，說(shuō)明開啟大功率末端泵站能緩解連續(xù)強(qiáng)降雨下金山湖水位壓力。

05 結(jié) 語(yǔ)

（1）鎮(zhèn)江市排水區(qū)域水系發(fā)達(dá)，河道湖泊具有較好的調(diào)蓄能力。遭遇30年一遇短歷時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，河道湖泊調(diào)蓄能力充足；當(dāng)遭遇30年一遇長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，尤其是連續(xù)降雨且長(zhǎng)江水位較高的極端情況，通過(guò)開啟大管徑末端泵站預(yù)降金山湖水位，緩解金山湖水位上升壓力。

（2）針對(duì)連續(xù)強(qiáng)降雨且長(zhǎng)江水位較高的極端情況，預(yù)降水位（金山湖降至3.1m，古運(yùn)河降至3.6m）能有效的控制金山湖水位，能減小約20%高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的內(nèi)澇情況，但對(duì)中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的內(nèi)澇效果改善不明顯。

（3）現(xiàn)行的閘門調(diào)控策略基本能夠應(yīng)對(duì)內(nèi)澇情況。在丹徒閘附近增設(shè)30m3/s 的泵站可以緩解古運(yùn)河水位對(duì)排水管網(wǎng)頂托造成的排水不暢問(wèn)題；在西圩區(qū)增設(shè)龍門泵站后，直接將西圩區(qū)內(nèi)河河水通過(guò)龍門泵站強(qiáng)排至長(zhǎng)江，緩解西圩區(qū)的內(nèi)澇情況。