太湖流域超标洪水应急调度效益评估

徐天奕 何爽

摘要：太湖流域水利工程众多、调度复杂，科学评估水利工程洪水调度减灾效益对流域制定工程方案、预案具有重要意义。采用太湖流域洪涝淹没仿真模型及太湖流域洪灾损失评估模型，可模拟不同情景下的流域河网水位、水量及洪水淹没情况，并根据洪水淹没特征分布，评估不同水工程调度后的洪灾损失。以太湖流域发生2020年超标洪水为背景，分别模拟了采用常规调度方案和应急调度方案两种情景下太湖流域洪涝灾害情况，评估了采用超标洪水应急调度方案在2020年洪水防御中发挥的减灾效益。结果表明：采用超标洪水应急调度方案在发挥水利工程减灾效益方面作用明显，尤其是可提高太浦河、望虞河两条太湖主要泄洪河道的排水能力，可降低太湖水位0.31 m，缩短高水位持续时间1～22 d，减少淹没面积180.1 km2，减少流域直接经济损失约16.2亿元。研究成果可为太湖流域洪水调度方案、预案制定工作提供参考。

关键词：超标洪水； 洪水调度； 减灾效益； 水文水动力学模型； 太湖流域

中图法分类号： TV877

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.010

0引 言

太湖流域位于长江三角洲核心区域，是中国经济最发达、人口最密集、城市最集中的地区之一［1］。由于特殊的气候及地形地貌特征，该地区极易发生洪涝灾害，一旦发生超标准大洪水，会造成严重的灾害损失及社会影响［2］。由于太湖流域防洪排涝工程密集且互馈作用复杂，太湖洪水过程受水利工程调控影响明显［3］。目前，太湖洪水主要的泄洪通道行洪与区域排涝矛盾突出，尤其是遭遇流域性特大暴雨时，如果优先考虑下游区域排涝，则会导致骨干泄洪通道的排洪能力受到制约，导致太湖水位居高不下，威胁太湖周边区域的安全；如果优先考虑太湖泄洪，限制下游区域排涝，可能导致下游平原河网地区积涝。因此，合理分析洪涝灾害可能造成的损失，充分协调太湖流域工程体系的防洪能力，通过科学手段评估防洪调度的减灾效益，是合理制定最佳防洪调度方案的重要基础。梅青等［4］从太湖流域调度的理念、目标及任务等方面定性分析了流域水利工程调度及未来调度工作面临的新形势。朱威［5］、金科［6］等回顾总结了近年来太湖流域洪水调度实践中的经验及不足。目前，针对流域防洪工程体系联合调度研究多是基于实测的水位流量资料进行分析，或是对单一工程、单一控制线的调度进行研究分析［7-8］，而对于流域骨干工程联合调度的防洪减灾效益模拟研究不充分，对于流域防洪调度方案预案的制定数据支撑不足。

近年来，太湖流域建成区面积不断扩大，圩区大规模整治和合并，流域下垫面发生剧烈变化，产汇流特征发生明显改变，太湖及区域汛期洪水位明显升高，使得流域泄洪与区域排涝矛盾更为突出［9-10］。能否准确反映城镇化背景下流域与区域防洪排涝之间的关系将直接影响评估可靠性。本文通过构建太湖流域洪涝淹没仿真模型及洪灾损失评估模型，以太湖流域2020年发生的大洪水为背景，分别模拟不同调度方案情景下的流域主要代表站水位、骨干工程排水量、流域受淹范围及洪灾损失，定量分析流域超标准洪水应急调度方案对降低太湖及河网水位、减少淹涝灾害损失方面的效益，以期为流域水利工程防御洪水方案、预案制定工作提供参考。

1研究区域概况

太湖流域水系是以太湖为中心的网状水系，由于上游山丘区坡陡流急，水势凶猛，上游洪水快速汇入太湖，太湖水位“涨得快”。太湖洪水需要通过下游河网排江入海，而下游地区大中城市密集分布，地势低平，河道比降小，水流速度慢，加之受潮汐影响排泄不畅，河湖水位“退得慢”，洪涝滞蓄时间长。尽管太湖与区域河网洪水过程具有非同步性，但太湖高水位对上游洪水下泄、下游洪涝水外排都有直接或者间接影响。

经过几十年的治理，太湖流域形成以治太骨干工程為主体，上游水库、周边江堤海塘和平原区各类圩闸等工程组成的流域防洪工程体系，以及北向长江引排、东出黄浦江供排、南排杭州湾并充分利用太湖调蓄的流域防洪调控体系，洪水调蓄及外排能力逐步提高［11-12］。流域防洪工程体系见图1。在流域防洪排涝工程体系中，太浦河、望虞河是太湖洪水外排的主要通道，也需兼排两岸地区涝水，常常发生太湖行洪与地区排涝之间的矛盾［13-14］。为统筹流域行洪与两岸地区排涝，现状太浦闸、望亭水利枢纽泄洪调度均按太湖水位和下游干流控制站水位分级调度，下游干流控制站水位较高时两枢纽需关闸。此外，东太湖在历史上曾是太湖洪水主要泄洪水道，目前东太湖下游区域经济快速发展，超标准行洪可能会对其产生较大影响［15-16］。

2研究方法

2.1太湖流域洪涝淹没仿真模型

采用太湖流域洪涝淹没仿真模型进行洪水模拟，该模型主要分为降雨径流模块、水动力模块以及洪水淹涝模块。

2.1.1降雨径流模拟

针对太湖流域平原区土地利用特点，将下垫面划分为水面、水田、旱地、建设用地等类型，分别进行产流计算：

（1） 水面产流。

水面产流量根据水量平衡方程由降雨扣除水面蒸发得到。

（2） 水田产流。

水田产流过程按作物生长期的需水、水稻田适宜水深、耐淹水深及水稻灌排模式得出。在无雨日，需从河道提水灌溉以抵消水田蒸散发量，保持水田的平均适宜水深；在有雨日，当水田超过耐淹水深时以排涝能力为上限排水。

（3） 旱地产流。

旱地产流采用三层蒸发一水源新安江蓄满产流模型进行计算［17］。

（4） 城镇产流。

城镇下垫面分为透水和不透水2类面积进行产流计算。透水面积主要是城镇绿化带，根据霍顿下渗公式采用三层蒸发一水源新安江蓄满产流模型；不透水面积包括道路、广场、屋顶等，产流即等于有效降雨。

总产流量为各类下垫面产流量之和。降雨径流模块计算结果为水动力计算模块提供河道侧向入流。

2.1.2水動力学模拟

采用圣维南方程组模拟太湖流域一维河网非恒定流水流运动情况：

为了模拟水闸、泵站、涵洞等水利工程的控制运行方式，建立了“联系”来耦合各模拟区域。“联系”的过流流量采用堰流公式模拟。在闸门开启的情况下，过闸流量按宽顶堰公式计算。

2.1.3洪涝淹没模拟

洪水淹涝模拟考虑了洪水漫溢导致的淹水，以及圩区因排涝动力不足等原因导致的内涝积水。

（1） 河道漫堤模拟。当河道计算水位超过河堤高程，模型将通过堰流公式来计算侧向漫流，用以模拟洪水从河道漫流进入河网多边形内部的过程。对漫溢水量根据DEM数据进行展布来确定淹没水深及范围。

（2） 圩内淹涝模拟。根据流域1∶10 000 DEM高程数据设置每个单一圩的水位-面积曲线。当降雨经产流计算汇入单一圩时，如果排水不畅蓄积在圩内，则根据该圩的水位-面积曲线推求对应的淹没水深及范围［18］。

2.2太湖流域洪水灾害损失评估模型

将洪涝淹没仿真模型模拟的区域洪水淹没特征分布与社会经济特征分布进行空间地理关系拓扑叠加，可获取洪水影响范围内不同淹没水深下社会经济不同财产类型的价值及分布。采用淹没水深-损失率关系法评估洪灾直接经济损失［19-20］。直接经济损失可以分为以下几类资产进行估算。

2.3数据来源

概化使用的河道断面、防洪排涝工程数据来自太湖流域管理局以及太湖流域内各地水务部门，其中河道断面数据为2016～2020年，防洪排涝工程数据更新至2020年。下垫面资料主要为2015～2016年高分一号遥感卫片解译成果。典型年主要测站的降雨、水位、蒸发均来自流域内各省市的水文年鉴，降雨为2016年和2020年6月1日至7月31日的日均降雨数据，水位为2016年和2020年6月1日至7月31日的日均水位数据，蒸发为2016年和2020年6月1日至7月31日的日均蒸发数据。

2.4模型概化

2.4.1下垫面信息化处理

将流域下垫面解译矢量成果转化为10 m×10 m的栅格数据引入模型，各种土地利用属性归纳为水面、水田、旱地、建设用地4种类型。将下垫面栅格数据与500 m×500 m的模型网格计算单元叠加生成平原区分配信息，得到各个网格计算单元内4类下垫面信息。

2.4.2河网概化

全流域共概化河道1 793条，总长15 058.63 km，河道断面10 112个，1 km2面积以上的圩外湖泊117个。概化流域沿江、沿杭州湾外边界、环太湖、沿流域重点河道等主要控制线及重点圩区闸泵工程共863座。模型的河网概化见图2。

2.5模型验证

为了验证所建立水文水动力模型的合理性，选择2016年和2020年梅雨作为典型年对模型进行验证。太湖及地区代表站计算最高水位与实测比较见图3和图4。由图可知，计算水位与实测水位过程拟合程度良好，尤其是模拟的太湖最高水位与实测最高水位基本一致，各区域代表站最高水位误差基本在±0.05 m以内。

根据调查数据，2020年仅苏州市吴江区约2 667 hm2（4万亩）农田及长兴约667 hm2（1万亩）农田受淹，其他地区无明显灾情。由于2020年受灾较少，不适合验证，因此选择流域近年来发生的2016年大洪水对灾害损失模型进行验证，2016年的灾害调查统计值与模拟值的对比见表1。由表可见，模拟的淹没面积、洪灾经济总损失值与调查值较为接近，误差在合理范围内，因此认为灾害损失评估模型可用于模拟太湖流域的洪灾情况。

3超标洪水应急调度减灾效益分析

3.1情景设计

2020年太湖流域最大30～60 d各时段降水量位列历史第2位，最大60 d降雨重现期约为50 a一遇。太湖最高水位4.79 m，与1991年并列为有实测资料以来第2高水位［21］。因此，本次研究以2020年梅雨作为背景分析流域超标洪水应急调度减灾效益。

为分析2020年超标洪水应急调度减灾效益，设定了常规调度和应急调度两组调度方案情景进行对比。常规调度为流域现行的《太湖流域洪水与水量调度方案（国汛〔2011〕17号）》。常规调度优先考虑下游地区防洪安全，当下游站点水位较高时，限制太浦河、望虞河等主要出湖通道下泄，通过太湖超蓄来减轻下游防洪压力，但太湖超蓄有可能造成环湖大堤工程风险。

超标洪水应急调度的设计思路为尽量减少上游地区入湖水量，并加大太湖出湖水量。应急调度方案适时加大太浦河、望虞河外排太湖洪水力度，在不加重下游地区灾情的基础上加快太湖洪水下泄，减轻环湖大堤和太湖上游地区防洪压力；适时启用东太湖口门行洪，增加太湖洪水外排出路，分担太浦河、望虞河泄洪压力；加大东苕溪导流东岸各闸分洪，减少浙西区入湖水量，减轻太湖调蓄压力；此外，充分发挥沿江、沿海口门外排能力，沿江、沿海泵、闸全力排水，加快流域洪水外排。两组调度方案对比见表2。

3.2结果分析

3.2.1降低太湖及地区河网水位效果分析

模拟的两种调度情景下太湖及区域代表站水位情况见表3。由表可知，若采用常规调度方案，太湖最高水位将达到5.10 m，较采用应急调度方案的最高水位抬升约0.31 m，超过太湖保证水位0.45 m；太湖水位超保天数将达到23 d，较采用应急调度方案的情景增加15 d。采用常规调度方案情景下太湖水位将于8月17日降至4.20 m以下，较采用应急调度方案推迟12 d，太湖水位至8月28日可降至警戒水位3.80 m以下。而采用应急调度方案，太湖水位于8月14日即可降至3.80 m以下，超警持续时间大幅度缩减，缩短14 d。

从区域主要代表站水位来看，如采用常规调度方案，除嘉兴、平望、琳桥3个代表站外，其他地区代表站水位将普遍抬升0.10～0.65 m，尤其是上游的坊前站和常州（三）站。地区高水位持续时间也将明显延长，各分区主要代表站超保天数在1～33 d，较采用应急调度方案超保天数多1～22 d。

3.2.2太湖排洪效果分析

模拟的两种调度情景下骨干工程排水情况见表4。从工程排水模拟成果来看，超标洪水期间（7月17～25日），应急调度方案情景下，太浦闸、望亭水利枢纽、东太湖口门及东导流东岸口门加大力度泄水，对减缓太湖水位上涨速度发挥了较大作用。其中，太浦闸、望亭水利枢纽较采用常规调度方案排水量分别增加了0.96亿m3和1.29亿m3，对太湖水位降低效果的贡献率约为72%，是太湖洪水最主要的排水出路。东太湖口门也可增加出湖水量1.56亿m3，东苕溪导流东岸口门可减少入湖水量1.60亿m3，两项超标调度措施可进一步降低太湖水位。此外，望虞河东岸谢桥以下口门多分流0.2亿m3，可帮助降低望虞河干流水位，减轻下游排水压力，有利于望虞河排泄太湖洪水。

3.2.3流域减灾效益分析

模拟的淹没范围如图5所示。据模拟分析，采用应急调度方案，流域基本未发生淹没情况。若采用常规调度方案，由于太湖最高水位将达到5.10 m，对上游湖西区和浙西区造成顶托，流域上游将出现一定范围的淹没，模型计算淹没面积约180.10 km2，大部分区域淹没水深在0.50 m以下。

根據模拟的常规调度方案情景下的淹没范围和淹没水深，利用洪水灾害损失评估模型，按照2020年社会经济发展水平，估算造成的直接经济损失将达到16.2亿元，约占当年GDP的1.8%。受影响人口约67万人（见表5）。

3.3讨 论

（1） 超标洪水应急调度方案可根据流域降雨分布情况做适当调整。若遇降雨中心集中在下游阳澄淀泖区、杭嘉湖区，如1999年实况降雨，太浦河行洪与两岸地区排涝矛盾将更为突出，在太浦闸实际调度中还应考虑两岸地区嘉兴、陈墓等代表站水位情况适当压减流量或暂时关闸停止泄洪。

（2） 近20 a来，太湖流域内城镇化进程加快，城市防洪大包围和圩区的范围不断扩大，减少了原有圩外调蓄水面，降低了流域整体调蓄能力，圩区集中排涝也增加了圩外骨干河道的防洪压力。因此，当流域遇超标洪水时，在加大骨干工程排泄洪水基础上，对流域内的圩区调度提出要求，农业圩或调蓄能力较高的圩区可采取限排或停排措施，可进一步发挥河网调蓄能力。

（3） 水利工程是调度的重要基础。望虞河和太浦河是目前流域仅有的两条太湖洪水外排骨干河道，但对比上游汇流情况，两河排水能力明显不足。2020年汛期涨水期，太湖上游最大入湖流量接近3 000 m3/s，而望虞河望亭水利枢纽和太浦河太浦闸最大泄洪流量合计仅为1 000 m3/s左右，太湖洪水外排能力明显不足。因此，亟需加快推进流域工程体系建设完善，提高工程调控能力。

4结论及建议

4.1结 论

（1） 经典型年验证，构建的太湖流域洪涝淹没仿真模型和洪灾损失评估模型可模拟不同情景下的流域河网水位、水量及洪水淹没情况，评估不同水工程调度后的洪灾损失。

（2） 以2020年降雨为典型，实施超标洪水应急调度方案，可显著降低太湖及河网水位，与采用常规调度方案的情况相比，太湖最高水位可降低0.31 m，超保天数减少15 d，地区主要代表站水位可降低0.10～065 m，主要代表站超保天数可减少1～22 d。

（3） 超标洪水应急调度方案较好地发挥了流域骨干工程排水效果，尤其是可提高太浦河、望虞河两条太湖主要泄洪河道的排水能力，可增加太湖排泄洪量约2.30亿m3，对太湖水位降低贡献率约为72%。

（4） 超标洪水调度减灾效益明显。据分析，若采用常规调度方案，将导致上游湖西区和浙西区约18010 km2受淹，直接经济损失约16.2亿元，受影响人口约6.70万人。若采用应急调度方案，流域基本不发生淹没情况。

4.2建 议

（1） 加大洪水外排，推进流域治理骨干工程建设。防洪工程是水旱灾害防御的基础。太湖流域整体防洪能力偏低，太湖洪水仅有望虞河和太浦河两条外排河道，洪水出路严重不足。针对流域防洪存在的突出问题，迫切需要加强流域和区域水利工程建设，加快推进环湖大堤后续、望虞河拓浚、太浦河后续、吴淞江行洪工程等4项治太骨干工程前期工作，扩大太湖洪水外排出路。同时，谋划新的太湖洪水出路。

（2） 强化科学调度，及时完善流域预案方案。近年来太湖流域城镇化进程迅猛，水利工程建设持续推进，各级水利工程的调度需求也随之发生较大变化，流域的水利工程调度涉及流域、区域、城市和圩区多个层级。要建立完善流域、区域、城市水利工程协同调度机制，妥善解决流域与区域、城市防洪排涝问题。

（3） 推进预报、预警、预演、预案“四预”能力建设。加快数字孪生流域项目建设，不断优化防洪和多目标统筹调度等业务功能，为流域防洪和多目标统筹调度提供更加坚强有力的基础支撑。

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（编辑：谢玲娴）