镇江案例：河、闸、站优化运行调度策略
以镇江市河、闸、站运行调度工况为研究对象，通过对区域水系、排水分区、排水管网、闸站数据等基础信息分析，构建城市综合流域排水模型（Infoworks ICM），模型校验后，分别模型模拟在30年一遇（长、短历时）降雨情况下，外江水位及不同闸站开启状态对城市河湖水位的影响关系，根据模型模拟结果和实际情况，提出预将水位、增设闸站、调整工况等具体优化运行调度方案，并使用Infoworks ICM检验调度方案的效果，为研究区域排水系统满足30年一遇的防涝标准提供技术支撑，为城市应对极端气候带来的严重内涝提供参考和借鉴。
01 现状排水系统分析
1.1 区域水系分析
研究范围内行洪排涝河道主要有古运河、运粮河和金山湖，其中古运河是贯穿镇江市主城区的一条主要河流，流域面积62.14km2，全长16.92km。河道支流包括四明河、周家河、团结河、玉带河、孩儿桥河等市区雨水排放的重要通道，其中古运河上设置京口闸、丹徒闸及丹徒南闸；运粮河流域西起马步桥港，东至金山湖（原北湖），流域面积 60.82km2 ，全长12.8km，河道支流有御桥港和金山大圩圩区河网（头道河、二道河、三道河、四道河、五道河等），御桥港是运粮河重要的支流，运粮河上设有两座水闸，分别是运粮河闸河七摆渡闸。金山湖作为镇江城区最大的水体，外连长江，内接古运河和运粮河，丰水期面积可达8.8km2，常年湖水面积6.7km2，常水位3.9m（黄海高程，下同），防洪控制水位7.5m，金山湖东西两侧建有焦南闸和引航道闸，与环湖外堤共同将金山湖封闭成为可调可控的城市水域，防洪调蓄总库容1119.5万m3。
1.2 排水分区分析
城市排水防涝系统分区采用分级划分的方法。一级排水防涝分区边界保持与一级雨水分区一致；二级分区根据防涝系统划分结合水系和排水设施规划建设情况，考虑地形特点与内涝风险重新划分。研究范围共划分为5个一级排水分区，结合路网和管网划分二级分区，二级分区共182个，然后在二级排水分区内按照泰森多边形划分子集水区，共37 196子集水区。
1.3 排水管网数据分析
研究范围包含了镇江市的中心城区，排水体制以分流制为主，合流制为辅，其中，合流制排水管道总长44.54km，分流制雨水管道总长1247.89km。合流制管道管材包括钢筋混凝土管、砌体方沟、PE管，分别占比64.84%、17.93%、17.23%；合流制管道中DN400以上的管道占比60.94%，合流制管道管径分布如图1所示；雨水管道管材包括钢筋混凝土管、PE管、砌体方沟、玻璃钢夹砂管、铸铁管，分别占比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%，雨水管道管径分布如图2所示。
1.4 现状闸站数据分析
城市排水安全不仅取决于排水系统的排水能力，还在相当程度上取决于排放水体的水位控制，而闸站是控制水位的重要基础设施。本项目中涉及的主要闸站为4个外排泵站和7个闸门，2个外排泵站主要包括七摆渡泵站、引航道泵站，7个主要的闸门为：七摆渡闸、二摆渡闸、京口闸、引航道闸、焦南闸、丹徒闸、丹徒南闸。闸站位置分布如图3所示：主要闸门和泵站的开启状况由相关水位决定，具体运行调度工况如表1所示。
02 模型的建模程序
城市综合流域排水模型（InfoWorks ICM）将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市/流域二维洪涝淹没模型相结合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用，通过模型模拟及预测，为城市排水防涝提供更为准确直观的参考，为河湖闸站的运行调度方案优化提供基础。
2.1 暴雨强度公式
本次模拟参考镇江市的暴雨强度公式如式（1）所示。
2.2 模型校核
根据现状管网数据和地形数据建立水力模型进行模拟。为使研究能够尽可能涵盖所有的实际发生内涝的点，选用30年一遇2 h的暴雨强度作为模拟的雨型，长江水位取低水位，得到内涝点分布结果，与实际内涝点的对比如图4所示。
2.3 水位校核
选取2015年6月26日20时-6月27日20时的实际降雨对模型进行校核，在该实际降雨情况下，24 h内总降雨量为154mm。金山湖的初始水位为4.1m，降雨过程中的闸泵调度情况为：二摆渡闸、丹徒南闸、京口闸开启；引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭；引航道泵站（30m3/s）未开启。以古运河支流四明河与古运河的汇流口水位数据以及运粮河与御桥港的汇流口水位数据进行率定，模拟结果与实测数据相当吻合，降雨历时内，御桥港口水位最高上升至5.4m，四明河口水位达5.3m，模拟值与实测值差值最高为0.1m，其中御桥港水位纳什系数值为0.97，四明河口水位率定纳什系数值为0.89，吻合度较好。
2.4 管网排水能力模拟
按照不同降雨条件下管道所处的运行状态进行模拟，得到管网运行负荷，如图5所示：在3年一遇降雨情况下，超负荷管道（红色和绿色管道，图中枚红色为支流）主要分布在建成区，其中，金山湖沿江片区雨水管道总体管道超载情况就较为严重；不同降雨情况下的管道超负荷状态分布情况见表2，其中1年一遇降雨管道超负荷运行占比55.9%，3年一遇降雨管道超负荷运行占比70.04%，5年一遇降雨管道超负荷运行占比74.41%。
03 典型工况模拟
3.1 长江低水位、30年一遇降雨（短历时）
当初始长江水位、金山湖水位和内河水位均为3.9m，暴雨强度30年一遇时（短历时），模拟工况如下：引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸开启；二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到5.3m时开启；通过模型模拟，运粮河在降雨开始1.5h时达到水位最高点约4.6m处，而后缓慢波动下降，如图6所示。古运河在降雨开始后2h左右达到水位最高点约5.3m处，此时京口闸开启，水位迅速下降，如图7所示。金山湖水位从初始水位3.9m逐渐上升，降雨停止后继续缓慢上升，由于引航道闸和焦南闸的泄洪作用，金山湖最高水位约4.04m处开始下降。
30年一遇的降雨情况下，就整个研究区域而言，积水深度＜0.3和积水深度在0.3~0.5m的积水都比较多，分布在一些容易产生内涝的点上，积水深度＞0.5m的积水比较少。
3.2 长江高水位，30年一遇降雨（短历时）
当长江水位高水位、金山湖水位和内河水位为3.9m，暴雨强度30年一遇时（短历时）。模拟工况如下：引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸开启，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到53m时开启；其中引航道泵站在金山湖水位达到4.9m时强排。通过模型模拟，运粮河水位在降雨停止后20min达到5.7m开闸水位，降雨后2~4 h维持在5.5m上下波动，如图8所示；古运河水位在降雨停止前40min达到5.3m开闸水位，降雨后2~4 h维持在4.2m上下波动，如图9所示；金山湖水位在降雨后1h达到4.2m，最高水位为4.22m。
30年一遇的降雨情况下，选用芝加哥雨型线进行模拟，得到积水点分布结果大部分与实际内涝点相匹配，整体积水情况较长江低水位对应30年一遇的降雨引起的积水严重。
3.3 长江高水位，30年一遇降雨（长历时）
当长江高水位，金山湖及河道初始水位为为3.9m，暴雨强度30年一遇时（24 h）；模拟工况如下：引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到5.3m时开启；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位达到4.9m时强排。模拟结果为：运粮河水位在随着降雨的进行先平稳上升，而后轻微波动上升，直至水位在第16h达到5.7m开闸水位，开启闸门后，水位迅速下降，降雨停止之后，波动幅度逐渐减小，第30h之后基本稳定在5.5m处，如图10所示；古运河水位在降雨后9h内稳上升，从初始的3.9m持续上升至4.9m处，此时开启丹徒南闸，向京杭大运河泄洪，使得古运河水位有所下降。当降雨强度达到最大时，水位持续上升至5.3m，达到京口闸开闸水位，即使闸门开启，河道来不及向金山湖和京杭运河泄洪，水位持续上升至5.7m，降雨停止后水位平稳下降，之后水位趋于平稳，如图11所示；金山湖水位在整个降雨过程中先是缓慢地上升，几乎是在雨强最大点处上升速度发生突变。水位在降雨后2 h基本能达到最大水位，最高水位为4.9m，此时开启引航道泵站，水位开始缓慢下降，至第48 h，水位降至4.64m处。
在整个降雨过程中，河道和湖泊的调蓄能力在长历时降雨中表现良好，能够起到较为及时的缓冲作用。但是河湖的水位变化与降雨强度的变化仍然存在不可忽视的滞后性，河湖的调蓄能力显然是不能完全抵消长历时降雨产生的内涝危害的，只能对长历时降雨内涝危害带来一定程度的改善。
04 工况优化方案
4.1 调整金山湖水位
长江高水位，遇到30年一遇降雨时（连续强降雨极端情况），通过预降水位，如金山湖水位至3.1m，四明河口水位3.6m；在引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到5.3m时开启；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位达到4.9m时强排的情况下进行模拟。通过模型模拟：对于连续强降雨的极端情况，预降水位能有效的控制金山湖水位，常水位下金山湖水位能从3.9m上升到5.4m，如图12所示，若将金山湖水位预降至3.1m，则在同样的极端强降雨情况下，金山湖的最高水位为4.7m，如图13所示，说明预降水位能有效地应对连续强降雨的极端情况。
4.2 提升河道闸站能力
（1）当长江高水位，遇到30年一遇降雨时（连续强降雨极端情况），金山湖及河道初始水位为为3.9m，通过对丹徒闸的泵站进行扩容，新增30m3/s能力；在引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到5.3m时开启；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位达到4.9m时强排的情况下，以2016年7月4日6点至7月5日6点的降雨进行模拟，四明河口的水位整体有所下降，最高水位从5.91m下降到5.63m，新增水泵对四明河口水位有一定控制。
（2）当长江高水位，遇到30年一遇降雨时（连续强降雨的极端情况），金山湖及河道初始水位为为3.9m，通过增设龙门泵站，泵站能力为30m3/s；在引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到53m时开启；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位达到4.9m时强排情况下，控制龙门泵站（30m3/s ）和运粮河沿岸泵站的启闭工况；模拟结果显示：开启龙门泵站后，西圩区降雨汇入内河后通过龙门泵站强排至长江，对运粮河的水位影响不大，如图14所示。对于连续强降雨情况，仅开启龙门泵站不能及时的排除雨水，需要同时开启运粮河沿岸泵站向运粮河强排，不同工况下，西圩区积水量情况如图15所示。
4.3 增设外排长江通道
当长江高水位，遇到30年一遇降雨时（连续强降雨的极端情况），金山湖及河道初始水位为为3.9m；增设大口径末端泵站排除金山湖沿岸雨水；在引航道闸、七摆渡闸、焦南闸、丹徒北闸关闭，二摆渡闸在御桥河口水位达到5.7m时开启，丹徒南闸在四明河口水位达到4.9m时开启，京口闸在四明河口水位达到5.3m时开启；引航道泵站（30m3/s）在金山湖水位达到4.9m时强排，当金山湖水位达到5.2m时，开启大管径末端泵站排除金山湖沿岸泵站雨水的情况下；模拟结果显示：对于连续强降雨的极端情况，若仅仅依靠引航道泵站（30m3/s）强排金山湖水，无法阻止金山湖水位的持续上升，水位最高能上升到5.35m，当在5.2m时开启大管径末端泵站后，水位上升趋势明显得到缓解，最高水位为5.25m，且水位回落较快，说明开启大功率末端泵站能缓解连续强降雨下金山湖水位压力。
05 结 语
（1）镇江市排水区域水系发达，河道湖泊具有较好的调蓄能力。遭遇30年一遇短历时强降雨时，河道湖泊调蓄能力充足；当遭遇30年一遇长历时强降雨时，尤其是连续降雨且长江水位较高的极端情况，通过开启大管径末端泵站预降金山湖水位，缓解金山湖水位上升压力。
（2）针对连续强降雨且长江水位较高的极端情况，预降水位（金山湖降至3.1m，古运河降至3.6m）能有效的控制金山湖水位，能减小约20%高风险区的内涝情况，但对中低风险区的内涝效果改善不明显。
（3）现行的闸门调控策略基本能够应对内涝情况。在丹徒闸附近增设30m3/s 的泵站可以缓解古运河水位对排水管网顶托造成的排水不畅问题；在西圩区增设龙门泵站后，直接将西圩区内河河水通过龙门泵站强排至长江，缓解西圩区的内涝情况。
