鎮(zhèn)江案例：河、閘、站優(yōu)化運行調(diào)度策略

以鎮(zhèn)江市河、閘、站運行調(diào)度工況為研究對象，通過對區(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），模型校驗后，分別模型模擬在30年一遇（長、短歷時）降雨情況下，外江水位及不同閘站開啟狀態(tài)對城市河湖水位的影響關(guān)系，根據(jù)模型模擬結(jié)果和實際情況，提出預將水位、增設(shè)閘站、調(diào)整工況等具體優(yōu)化運行調(diào)度方案，并使用Infoworks ICM檢驗調(diào)度方案的效果，為研究區(qū)域排水系統(tǒng)滿足30年一遇的防澇標準提供技術(shù)支撐，為城市應對極端氣候帶來的嚴重內(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河、運糧河和金山湖，其中古運河是貫穿鎮(zhèn)江市主城區(qū)的一條主要河流，流域面積62.14km2，全長16.92km。河道支流包括四明河、周家河、團結(jié)河、玉帶河、孩兒橋河等市區(qū)雨水排放的重要通道，其中古運河上設(shè)置京口閘、丹徒閘及丹徒南閘；運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），御橋港是運糧河重要的支流，運糧河上設(shè)有兩座水閘，分別是運糧河閘河七擺渡閘。金山湖作為鎮(zhèn)江城區(qū)最大的水體，外連長江，內(nèi)接古運河和運糧河，豐水期面積可達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)蓄總庫容1119.5萬m3。

1.2 排水分區(qū)分析

城市排水防澇系統(tǒng)分區(qū)采用分級劃分的方法。一級排水防澇分區(qū)邊界保持與一級雨水分區(qū)一致；二級分區(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，考慮地形特點與內(nèi)澇風險重新劃分。研究范圍共劃分為5個一級排水分區(qū)，結(jié)合路網(wǎng)和管網(wǎng)劃分二級分區(qū)，二級分區(qū)共182個，然后在二級排水分區(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44.54km，分流制雨水管道總長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。本項目中涉及的主要閘站為4個外排泵站和7個閘門，2個外排泵站主要包括七擺渡泵站、引航道泵站，7個主要的閘門為：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/流域二維洪澇淹沒模型相結(jié)合，更為真實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，通過模型模擬及預測，為城市排水防澇提供更為準確直觀的參考，為河湖閘站的運行調(diào)度方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2.1 暴雨強度公式

本次模擬參考鎮(zhèn)江市的暴雨強度公式如式（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)建立水力模型進行模擬。為使研究能夠盡可能涵蓋所有的實際發(fā)生內(nèi)澇的點，選用30年一遇2 h的暴雨強度作為模擬的雨型，長江水位取低水位，得到內(nèi)澇點分布結(jié)果，與實際內(nèi)澇點的對比如圖4所示。

2.3 水位校核

選取2015年6月26日20時-6月27日20時的實際降雨對模型進行校核，在該實際降雨情況下，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。以古運河支流四明河與古運河的匯流口水位數(shù)據(jù)以及運糧河與御橋港的匯流口水位數(shù)據(jù)進行率定，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相當吻合，降雨歷時內(nèi)，御橋港口水位最高上升至5.4m，四明河口水位達5.3m，模擬值與實測值差值最高為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行狀態(tài)進行模擬，得到管網(wǎng)運行負荷，如圖5所示：在3年一遇降雨情況下，超負荷管道（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重；不同降雨情況下的管道超負荷狀態(tài)分布情況見表2，其中1年一遇降雨管道超負荷運行占比55.9%，3年一遇降雨管道超負荷運行占比70.04%，5年一遇降雨管道超負荷運行占比74.41%。

03 典型工況模擬

3.1 長江低水位、30年一遇降雨（短歷時）

當初始長江水位、金山湖水位和內(nèi)河水位均為3.9m，暴雨強度30年一遇時（短歷時），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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟；通過模型模擬，運糧河在降雨開始1.5h時達到水位最高點約4.6m處，而后緩慢波動下降，如圖6所示。古運河在降雨開始后2h左右達到水位最高點約5.3m處，此時京口閘開啟，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)澇的點上，積水深度＞0.5m的積水比較少。

3.2 長江高水位，30年一遇降雨（短歷時）

當長江水位高水位、金山湖水位和內(nèi)河水位為3.9m，暴雨強度30年一遇時（短歷時）。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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到53m時開啟；其中引航道泵站在金山湖水位達到4.9m時強排。通過模型模擬，運糧河水位在降雨停止后20min達到5.7m開閘水位，降雨后2~4 h維持在5.5m上下波動，如圖8所示；古運河水位在降雨停止前40min達到5.3m開閘水位，降雨后2~4 h維持在4.2m上下波動，如圖9所示；金山湖水位在降雨后1h達到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行模擬，得到積水點分布結(jié)果大部分與實際內(nèi)澇點相匹配，整體積水情況較長江低水位對應30年一遇的降雨引起的積水嚴重。

3.3 長江高水位，30年一遇降雨（長歷時）

當長江高水位，金山湖及河道初始水位為為3.9m，暴雨強度30年一遇時（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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達到4.9m時強排。模擬結(jié)果為：運糧河水位在隨著降雨的進行先平穩(wěn)上升，而后輕微波動上升，直至水位在第16h達到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，此時開啟丹徒南閘，向京杭大運河泄洪，使得古運河水位有所下降。當降雨強度達到最大時，水位持續(xù)上升至5.3m，達到京口閘開閘水位，即使閘門開啟，河道來不及向金山湖和京杭運河泄洪，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；金山湖水位在整個降雨過程中先是緩慢地上升，幾乎是在雨強最大點處上升速度發(fā)生突變。水位在降雨后2 h基本能達到最大水位，最高水位為4.9m，此時開啟引航道泵站，水位開始緩慢下降，至第48 h，水位降至4.64m處。

在整個降雨過程中，河道和湖泊的調(diào)蓄能力在長歷時降雨中表現(xiàn)良好，能夠起到較為及時的緩沖作用。但是河湖的水位變化與降雨強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歷時降雨產(chǎn)生的內(nèi)澇危害的，只能對長歷時降雨內(nèi)澇危害帶來一定程度的改善。

04 工況優(yōu)化方案

4.1 調(diào)整金山湖水位

長江高水位，遇到30年一遇降雨時（連續(xù)強降雨極端情況），通過預降水位，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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達到4.9m時強排的情況下進行模擬。通過模型模擬：對于連續(xù)強降雨的極端情況，預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，若將金山湖水位預降至3.1m，則在同樣的極端強降雨情況下，金山湖的最高水位為4.7m，如圖13所示，說明預降水位能有效地應對連續(xù)強降雨的極端情況。

4.2 提升河道閘站能力

（1）當長江高水位，遇到30年一遇降雨時（連續(xù)強降雨極端情況），金山湖及河道初始水位為為3.9m，通過對丹徒閘的泵站進行擴容，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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達到4.9m時強排的情況下，以2016年7月4日6點至7月5日6點的降雨進行模擬，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，新增水泵對四明河口水位有一定控制。

（2）當長江高水位，遇到30年一遇降雨時（連續(xù)強降雨的極端情況），金山湖及河道初始水位為為3.9m，通過增設(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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到53m時開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達到4.9m時強排情況下，控制龍門泵站（30m3/s ）和運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)河后通過龍門泵站強排至長江，對運糧河的水位影響不大，如圖14所示。對于連續(xù)強降雨情況，僅開啟龍門泵站不能及時的排除雨水，需要同時開啟運糧河沿岸泵站向運糧河強排，不同工況下，西圩區(qū)積水量情況如圖15所示。

4.3 增設(shè)外排長江通道

當長江高水位，遇到30年一遇降雨時（連續(xù)強降雨的極端情況），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到5.7m時開啟，丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟，京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位達到4.9m時強排，當金山湖水位達到5.2m時，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：對于連續(xù)強降雨的極端情況，若僅僅依靠引航道泵站（30m3/s）強排金山湖水，無法阻止金山湖水位的持續(xù)上升，水位最高能上升到5.35m，當在5.2m時開啟大管徑末端泵站后，水位上升趨勢明顯得到緩解，最高水位為5.25m，且水位回落較快，說明開啟大功率末端泵站能緩解連續(xù)強降雨下金山湖水位壓力。

05 結(jié) 語

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

（2）針對連續(xù)強降雨且長江水位較高的極端情況，預降水位（金山湖降至3.1m，古運河降至3.6m）能有效的控制金山湖水位，能減小約20%高風險區(qū)的內(nèi)澇情況，但對中低風險區(qū)的內(nèi)澇效果改善不明顯。

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