Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 12: 65 - 74

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250078

Water-related Disasters

Retrospective Analysis and Countermeasures of High Water Levels in Suzhou River During Typhoon Kong-Rey

  • QIAN Zhen
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  • Water and Ocean Planning Research Center, Shanghai Water Planning and Design Research Institute (Shanghai Ocean Planning and Design Research Institute), Shanghai 200233, China

Received date: 2025-02-05

  Revised date: 2025-04-18

  Online published: 2025-06-03

Fold

Abstract

[Objective] During the impact of Typhoon Kong-Rey on Shanghai in the autumn of 2024, the Suzhou River reached a new historical high water level. To deeply analyze the causes of this high water level event, assess the response capacity of the existing flood control and drainage system, and explore optimized scheduling and engineering measures, this study systematically reviews the hydrological process of the high water level in the Suzhou River during Typhoon Kong-Rey and proposes practical countermeasures. It aims to provide insights and a scientific basis for optimizing flood control scheduling and urban flood control and drainage system in Shanghai, while also serving as a reference for other cities facing similar challenges. [Methods] A method combining field investigation and numerical simulation was adopted, and data on rainfall, water level, tidal level, and hydraulic facility scheduling during Typhoon Kong-Rey were collected. Considering factors such as rainfall-runoff, river network hydrodynamics, and pump-gate scheduling, a hydrodynamic model for the tidal river network was constructed to simulate the flow dynamics and water level changes in the Suzhou River and its adjacent river network. The average coefficient of determination for water level simulations reached 0.96. On this basis, a knowledge graph was utilized to identify the causes of the high water level in the Suzhou River. Three types of countermeasures were proposed: emergency discharge restriction on both banks, emergency diversion in the river network, and optimized planning for increased drainage. Different scheduling schemes were set up for simulation and comparison to quantitatively evaluate their effectiveness in reducing high water levels and their risk impacts. [Results] Simulations showed that the high water level in the Suzhou River during Typhoon Kong-Rey was primarily caused by the combined effects of concentrated rainfall in the middle and lower reaches, substantial inflow of floodwater from both banks, and the backwater effect from the high tidal level of the Huangpu River. Simulations of different countermeasures revealed the following results. (1) Emergency discharge restriction on both banks: Short-term discharge restriction in the Jiabaobei and Dianbei areas could reduce the highest water levels along the Suzhou River by 0.16-0.29 m, lowering the highest water level at Beixinjing to below 4.25 m. (2) Emergency diversion in the river network: Combining discharge restriction in Jiabaobei and Dianbei areas with emergency diversion via the Xinchapu River could maintain the highest water level along the entire Suzhou River below 4.20 m, diverting approximately 1.02 million m3 of floodwater, with minimal impact on flood control on both banks. (3) Optimized planning for increased drainage: After the implementation of the planned Suzhou River estuary pump station and Wenzaobang east pump station, the reduction in the highest water level along the Suzhou River could reach 0.40-0.64 m, while also enhancing the drainage capacity of the Jiabaobei area and significantly improving regional flood control resilience. [Conclusion] Existing engineering system for the Suzhou River has shortcomings under extreme events. Scientific scheduling and engineering optimization can effectively reduce the risk of high water levels. It is recommended to prioritize the “Jiabaobei + Dianbei discharge restriction + Xinchapu diversion” as the emergency scheduling scheme, and to accelerate the construction of the Suzhou River estuary pump station and the Wenzaobang east pump station, thereby establishing a multi-level flood control and drainage system of “restriction-diversion-expansion”. This study provides replicable and scalable scheduling experience and engineering approaches for Shanghai to cope with similar extreme typhoon events, and also offers important references for other plain cities with tidal river networks.

Key words： urban flooding; high water levels; disaster review; Suzhou River

Cite this article

QIAN Zhen . Retrospective Analysis and Countermeasures of High Water Levels in Suzhou River During Typhoon Kong-Rey[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(12) : 65 -74 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250078

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0 引言

在全球气候变化和快速城市化背景下,极端天气频发,暴雨和洪涝等水文事件的极值屡屡突破历史纪录,城市洪涝灾害风险日趋加大,甚至造成重大损失[1-3]。2020年广州“5·22”特大暴雨,42个站点小时雨强>80 mm,小时雨强的雨量和范围均超历史纪录,城市多处积水和地铁停运[4]。2023年海河“23·7”流域性特大洪水有14个国家气象观测站日降雨量破历史极值,大石河漫水桥站最大洪峰流量列历史纪录的第1位,北京门头沟区等太行山前平原城市遭受重大人员伤亡和财产损失[5]。因此,开展城市洪涝灾害场景的模拟与复演,进而分析灾害成因、总结经验、研究对策在城市洪涝风险防控中十分必要。
上海为滨江临海的超大城市,地处长江流域和太湖流域最下游,属于典型平原感潮河网地区,面临上游洪水、本地暴雨、台风、高潮等多重灾害袭击。据统计上海市平均每年遭受2次台风袭击,通常每年都会出现“二碰头”,近年来,“三碰头”现象也日益增多,极端情况下还可能出现“四碰头”[6-8]。如2021年7月“烟花”台风期间,恰逢天文大潮,出现台风、暴雨、洪水和天文大潮过程叠加的“四碰头”,黄浦江中上游高潮位超历史,城市河道水位居高不下,青浦、金山多地出现长时间内涝积水[9-10]。苏州河为上海市黄浦江的重要支流,贯穿中心城区,沿线汇水区域高度城市化,近年来,在2019年1909号台风“利奇马”、2021年2106号台风“烟花”、2022年2212号台风“梅花”等暴雨期间,苏州河两岸地区多次出现内河水位过高、市政泵站停机、道路及居民区积水等情况。2024年11月2421号台风“康妮”影响期间,苏州河北新泾站最高水位达4.40 m,超历史最高水位,再次引发人们对苏州河高水位的关注。与以往台风事件不同,“康妮”为典型的秋台风,发生在非汛期,其外围云系与冷空气作用,并遭遇天文大潮,使上海水雨情呈现雨量大、潮水位高的特征,苏州河沿程代表站最高水位均超历年非汛期最高水位纪录。
苏州河高水位涉及流域防洪、区域除涝、城市排水等方面,影响因素诸多,并伴随吴淞江工程等规划实施以及两岸城市地区高强度开发,上下游及两岸工程边界条件也已发生改变,现有防汛调度方案和相关研究往往以水利片内河网水位作为控制对象[11-13],而以应对苏州河高水位联合调度的研究较为少见。
随着计算机算力的提升,数值模拟以其适应多场景、跨尺度、能够满足精度等优势,被广泛应用于城市洪涝灾害防控研究[14-17]。Kim等[18]利用水文水动力模型评估Kone-Ha Thanh River流域下游城市基础设施对排洪除涝的影响; Ali等[19]根据Gumbel和Log Pearson Type Ⅲ分布的洪水频率分析,通过HEC-RAS模拟Srinagar市不同重现期的未来洪水情景; Ashish等[20]以美国凤凰城某区雨水排水系统为例,应用城市暴雨管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)研究基础设施数据完整性和模型分辨率对城市雨洪模拟的影响;李学峰等[21]以上海中心城区为研究对象,应用排水管网模型开展平原河网城市内涝风险分析与评估。本文以苏州河及其两岸4个水利片为重点研究区域,结合实况调查和感潮河网水文水动力模型数值模拟对“康妮”台风期间高水位进行复演分析,利用知识图谱研究提出高水位应对措施,并对实施效果进行定量分析,可为优化上海市防汛调度方案等相关研究提供支撑和参考。

1 研究区域和数据来源

1.1 水系现状

苏州河为黄浦江支流,上接吴淞江,下入黄浦江,全长约53.1 km,河面宽40~197 m。沿岸涉及上海市嘉宝北片、蕰南片、淀北片、青松片4个水利分片,片内现状河湖水面率为2.57%~9.18%。北侧主要沿线支河有盐铁塘、新槎浦、桃浦河、彭越浦等,其中桃浦河为两片的交界河道,其他为片内河道;南侧主要沿线支河有新通波塘、北横泾、新泾港等(图1)。
图1 苏州河两岸现状水系示意图

Fig.1 Current water system on both banks of Suzhou River

1.2 防洪除涝工程

苏州河现状防洪工程体系主要包括沿线防汛墙、苏州河河口闸、苏州河西闸、苏州河沿岸泵闸等,如图2所示。
图2 苏州河沿线防洪除涝工程分布示意图

Fig.2 Distribution of flood control and drainage projects along Suzhou River

苏州河防汛墙的主要功能为防御涝水[22],其设计高水位为4.79 m,经过多轮治理,苏州河防汛墙已基本达标。
苏州河河口闸位于苏州河入黄浦江河口处,为净宽100 m的单孔闸,其防洪标准为黄浦江1 000 a一遇高潮位6.26 m。水闸具有双向挡水功能,防汛除涝时,根据降雨预报,采用降低引水力度、暂停引水、改引为排、水闸排水和尽全力预降苏州河水位等多种模式。
苏州河西闸位于苏州河与蕰藻浜交汇处,为净宽60 m的单孔闸,平时以敞开为主,以保证区域30 a一遇降雨情况下,使上海市中心城区涝水能顺利上溯,在保证中心城区安全前提下,不影响流域100 a一遇洪水下泄[23]。
苏州河沿岸泵闸40余座,除涝泵站总规模达368 m3/s,其中嘉宝北片蕰南地区(蕰藻浜以南区域)、淀北片以及蕰南片沿苏州河的除涝泵站总规模约占72.6%。苏州河两岸还涉及市政雨水强排系统近30个,泵排总流量370 m3/s,集中分布于苏州河中下游段。

1.3 数据来源

本研究降雨、水(潮)位等资料来自上海市水务海洋公共服务平台和上海市水文总站,水闸、泵站运行数据来自上海市水务海洋公共服务平台和上海市水利事务管理事务中心。

2 研究方法

2.1 模型构建

平原感潮河网地区,城市河网水流计算采用水文水动力模型[24]。收集研究区域内70个雨量代表站的逐时观测数据,采用算术平均分别计算苏州河两岸水利片面雨量。根据不同产流规律,降雨径流模拟将区域下垫面划分为多个类型的子区域,包括水面、水田、旱地、绿地和城镇道路等,并按照水文学原理和方法对各类子区域进行分块计算,以获得产汇特征。研究区域内河网被概化为2 503条河段和2 010个节点,采用四点线性隐式方法进行数值离散,并利用矩阵标记法求解河网节点水位方程。
按照水文学的原理和方法,各类下垫面面积比率与相应产水深度相乘,分块计算区域的产汇流[24]。区域降雨径流总产水深度
${R}_{\mathrm{Z}}={A}_{\mathrm{W}}{R}_{\mathrm{W}}+{A}_{\mathrm{F}}{R}_{\mathrm{F}}+{A}_{\mathrm{D}}{R}_{\mathrm{D}}+{A}_{\mathrm{G}}{R}_{\mathrm{G}}+{A}_{\mathrm{R}}{R}_{\mathrm{R}}　。$
式中:RZ为分区总径流深(m);AW、AF、AD、AG、AR分别为水面、水田、旱地、绿地和城镇道路的面积百分数;RW、RF、RD、RG、RR分别为水面、水田、旱地、绿地和城镇道路的径流深(m)。
Saint-Venant方程组如下
$\left\{\begin{array}{l}B\frac{\partial Z}{\partial t}+\frac{\partial Q}{\partial x}=q　;\\ \frac{\partial Q}{\partial t}+\frac{\partial }{\partial x}\left(\alpha \frac{{Q}^{2}}{A}\right)+gA\frac{\partial Z}{\partial x}=-gA{S}_{\mathrm{f}}　。\end{array}\right.$
式中:B为断面河宽(m);Z为断面水位(m);Q为断面流量(m3/s);q为单位河宽上的区间入流(m2/s);ɑ为动量校正系数;A为过水断面面积(m2);g为重力加速度(m/s2);Sf为摩阻比降。
综合考虑计算稳定性、数值误差及计算效率,时间步长一般设定为5~15 min,空间步长由计算断面分布确定。初始条件:水位2.7 m,零流量,即静水启动。

2.2 模型率定

选择2017年4月15—24日、“烟花”台风期间(2021年7月22—29日)同步监测的降雨、水位、潮位和运行调度等资料,开展模型率定[25]。经率定黄浦江的糙率系数为0.018~0.025,蕰藻浜的糙率系数为0.022~0.035,苏州河的糙率系数为0.018~0.036,河网的其它河道糙率系数采用0.020~0.030。

2.3 结果评价

采用确定性系数(Deflection Coefficient, DC)和平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)评价感潮河网水文水动力模型计算结果的精度。
(1)平均绝对误差MAE为
$MAE=\frac{\stackrel{N}{\sum _{i=1}}\left|{y}_{i}-{\stackrel{︿}{y}}_{i}\right|}{N}　。$
式中:N为样本个数;yi为实测值; ${\stackrel{︿}{y}}_{i}$为计算值。
(2)确定性系数DC为
$DC=1-\frac{\stackrel{N}{\sum _{i=1}}{\left({y}_{i}-{\stackrel{︿}{y}}_{i}\right)}^{2}}{\stackrel{N}{\sum _{i=1}}{\left({y}_{i}-\stackrel{-}{y}\right)}^{2}}　。$
式中 ${\stackrel{-}{y}}_{i}$为实测值的均值。

3 高水位复演

3.1 降雨量

“康妮”台风影响期间(2024年10月31日8:00—11月1日21:00),苏州河两岸地区的降雨总量大于苏州河上游地区的降雨总量,苏州河中下游地区的雨量较大,降水产流也较多。瓜泾口站累计雨量69.4 mm,最大小时雨量8.6 mm,上海全市累积降水量161.6 mm,其中10月31日15:00—11月1日20:00持续集中降雨近30 h,苏州河两岸,青松片、淀北片、蕰南片、嘉宝北片过程雨量分别为121.5、148.0、184.8、133.5 mm。

3.2 河网水情

苏州河及两岸地区水文代表站空间分布如图1。模拟“康妮”台风期间苏州河及两岸地区河网水情,黄浦江、苏州河及两岸水利片代表站点的水位计算误差统计如表1,各代表站最高水位的误差0.00~0.01 m,平均绝对误差0.05~0.11 m,确定性系数平均值达0.955。模拟和实测的水位过程,如图3所示,代表站点水位的计算值与实测值吻合较好,能够较好地反映“康妮”台风期间苏州河水系的水情。
表1 代表站计算水位误差统计

Table 1 Statistics of calculated water level errors at representative stations

代表站 最高水位误差/
m		 平均绝对误差
MAE/m		 确定性系数DC
黄浦公园 0.00 0.07 0.992
曹家渡 0.01 0.10 0.942
北新泾 0.00 0.11 0.930
黄渡 0.00 0.07 0.945
嘉定南门 0.00 0.05 0.955
志丹泵站 0.00 0.07 0.949
虹桥新桥 0.00 0.05 0.960
青浦南门 0.00 0.05 0.966
图3 代表站水位验证结果

Fig.3 Validation results of water levels at representative stations

“康妮”台风期间恰逢天文大潮,11月1日(农历十月初一)苏州河河口黄浦公园站最高潮位达4.97 m,重现期约为4.6 a一遇,最高低潮位达2.27 m,较多年平均低潮位上升0.95 m,低潮抬高不利于苏州河河口水闸排水。苏州河水位全线超警,北新泾站最高水位4.40 m,超历史纪录,持续超警时间约7 h,曹家渡站、黄渡站和赵屯的最高水位3.83~4.43 m,超警幅度0.33~0.73 m,各代表站最高水位统计如表2。苏州河两岸水利片除嘉宝北片外,其余水利片的代表站最高水位均超警,超警幅度0.04~0.10 m。
表2 代表站最高水位统计

Table 2 Statistics of maximum water levels at representative stations

所在区域 代表站 警戒水
位/m		 保证水
位/m		 最高水
位/m		 最高水位
出现时间
黄浦江 黄浦公园 4.55 5.86 4.97 11月1日 12:15
苏州河 曹家渡 3.70 — 4.43 11月1日 14:50
北新泾 3.70 4.25 4.40 11月1日 15:00
黄渡 3.60 — 4.25 11月1日 15:50
赵屯 3.50 4.00 3.83 11月1日 16:10
嘉宝北片 嘉定南门 3.20 3.87 3.14 11月1日 17:50
蕰南片 志丹泵站 3.50 4.44 3.54 11月1日 16:15
淀北片 虹桥新桥 3.20 3.80 3.24 11月1日18:40
青松片 青浦南门 3.20 3.50 3.30 11月1日 19:55
苏州河干流水位总体高于苏州河上游地区的河网水位,高水位主要分布在中下游区域。河口至北新泾段受两岸市政雨水泵站排水影响,沿程最高水位超4.40 m,且越接近河口水位越高;受到2沿线嘉宝北片和淀北片除涝泵站排水影响,新槎浦至封浜段的最高水位也接近4.40 m;封浜至赵屯沿程最高水位为3.83 m,如图4。
图4 实况调度下苏州河干流沿程最高水位分布示意图

注:苏州河沿程代表水文站:曹家渡、北新泾、黄渡、赵屯;苏州河沿程主要支流:新槎浦、封浜、蕰藻浜;主要水闸:苏州河河口闸、苏州河西闸。以下同。

Fig.4 Distribution of highest water levels along main stream of Suzhou River under actual scheduling

3.3 水利设施调度

上海中心气象台10月31日9:00发布台风蓝色预警信号Ⅳ级响应,至11月1日21:10解除台风蓝色预警信号期间,共发布暴雨黄色预警信号2次和橙色预警信号1次。苏州河两岸水利片外围泵闸执行防汛调度,沿线支流主要通过泵站向苏州河排水,嘉宝北片、蕰南片、淀北片、青松片河网水位分别预降至2.3、1.9、2.1、2.4 m。经计算统计,嘉宝北片和淀北片排水约占苏州河中下游段两岸排水量的58%(图5)。
图5 苏州河中下游段两岸排水量占比

Fig.5 Pie chart of proportion of drainage volume on both banks of middle and lower reaches of Suzhou River

苏州河通过河口闸向黄浦江排水,但排水过程受闸外潮位影响,当北新泾水位上升至3.70 m后,苏州河河口闸连续关闭2.5 h,苏州河水位持续上升,直至苏州河河口闸开启0.5 h后苏州河水位开始回落,至苏州河河口闸开启5.5 h后北新水位下降至3.70 m(图6)。苏州河西闸敞开,上游黄渡断面上溯瞬时最大流量出现在11月1日14:30,约为154 m3/s。
图6 北新泾水位与苏州河河口闸启闭过程示意图

Fig.6 Water levels at Beixinjing and operation process of Suzhou River estuary gate

4 高水位应对措施

4.1 措施对策

通过高水位复演分析可知,台风期间中下游两岸支流排涝和市政泵站排水是苏州河涝水的主要来源,排水出路主要为苏州河河口,但通过苏州河河口闸排水易受黄浦江高潮位限制,因此减少涝水汇入、增加排水出路以及提高外排能力是应对高水位的有效途径。为应急调度启用时兼顾水位当前状态和可能变化趋势,本研究以代表站北新泾水位超过警戒水位3.7 m且黄浦公园为高潮期、预计苏州河河口闸将处于持续关闭2.5 h及以上的状态作为苏州河高水位应急状态,提出两岸限排和河网分流2类应急调度措施对策,并根据相关规划分析评估苏州河河口泵站和蕰藻浜东泵站等工程实施的效益。苏州河高水位应对措施的知识图谱如图7。
图7 苏州河高水位应对措施的知识图谱

Fig.7 Knowledge graph of countermeasures for high water levels in Suzhou River

4.1.1 两岸应急限排

在苏州河防汛应急状态下,考虑两岸水利片应急限流,苏州河沿线除涝泵站停止向河道排水。研究比较四片(嘉宝北片、淀北片、蕰南片、青松片)限排、三片(嘉宝北片、淀北片、蕰南片)限排、两片(嘉宝北片、淀北片)限排、仅嘉宝片限排4种方案。

4.1.2 河网应急分流

在两岸应急限排的基础上,考虑两岸水利片河网应急分流,研究比较分别利用新槎浦、蕰藻浜以及新泾港分流的3种方案。

4.1.3 规划增排优化

根据《上海市防洪除涝规划(2020—2035年)》,考虑苏州河河口泵站和蕰藻浜东泵站建设,分别研究分析在实况调度的基础上增加苏州河河口泵站强排的规划增排方案,以及进一步在限制嘉宝北片蕰南地区向苏州河排水的同时,增加蕰藻浜东泵站的排水能力,即增设蕰藻浜东泵站的规划优化方案。

4.2 效果分析

4.2.1 两岸应急限排

不同调度方案下苏州河干流沿程最高水位分布如图8所示。应急限排调度下苏州河干流沿程最高水位分布,如图8(a)。较实况调度,应急限排调度下苏州河河口至黄渡段沿程最高水位均有不同程度下降,四片限排调度方案、三片限排调度方案、两片限排调度方案和仅嘉宝片限排方案的沿程最高水位的降幅分别为0.22~0.35 m、0.21~0.33 m、0.16~0.29 m和0.07~0.11 m。
图8 不同调度方案下苏州河干流沿程最高水位分布

Fig.8 Distribution of maximum water levels along main stream of Suzhou River under different scheduling schemes

应急限排调度下苏州河干流及两岸水利片代表站最高水位统计见表3。与其他调度方案相比,四片限排方案中,北新泾和黄渡的最高水位最低,分别为4.17 m和3.97 m;青浦南门最高水位较实况调度上升0.03 m,达3.33 m。三片限排方案中北新泾最高水位与四片限排方案相同,黄渡的最高水位较四片限排方案高0.05 m。蕰南片限排时,志丹泵站最高水位较实况上升0.06 m,达3.58 m,并超警戒水位。
表3 不同调度方案下代表站最高水位统计

Table 3 Statistics of maximum water levels at representative stations under different scheduling schemes

调度方案 代表站最高水位/m
北新泾 黄渡 嘉定南门 志丹泵站 虹桥新桥 青浦南门 共和路
实况调度 4.40 4.25 3.14 3.52 3.24 3.30 3.07
两岸应急限排 四片限排 4.17 3.97 3.15 3.58 3.26 3.33 3.14
三片限排 4.17 4.02 3.15 3.58 3.26 3.31 3.14
两片限排 4.23 4.04 3.15 3.53 3.26 3.31 3.14
嘉宝北片限排 4.33 4.16 3.15 3.53 3.25 3.30 3.14
河网应急分流 新槎浦分流 4.10 3.89 3.17 3.53 3.26 3.31 3.17
蕰藻浜分流 4.18 3.76 3.24 3.53 3.26 3.31 3.23
新泾港分流 3.94 3.85 3.15 3.53 3.41 3.31 3.14
规划增排优化 河口增排 4.01 4.02 3.14 3.52 3.24 3.30 3.07
规划优化 3.89 3.92 3.08 3.49 3.24 3.30 3.07
嘉宝北片和淀北片向苏州河排水口门主要集中在新槎浦、北新泾附近,也是高水集中区域,两片限排方案中北新泾最高水位可降至保证水位以下,达4.23 m,嘉宝北片和淀北片河网水位上升0.01~0.02 m。
所有限排调度方案中,嘉定南门最高水位均不超警戒水位,最高水位达3.15 m,共和路最高水位上升0.07 m,达3.14 m,也不超蕰南地区除涝最高设计水位。但仅嘉宝片限排,北新泾最高水位为4.33 m,仍然超过保证水位。

4.2.2 河网应急分流

应急分流调度下苏州河干流沿程最高水位分布,如图8(b)。较实况调度,应急分流调度在限排调度的基础上可进一步降低苏州河河口至黄渡段沿程高水位,新槎浦分流方案、蕰藻浜分流方案和新泾港分流方案的沿程最高水位的降幅分别为0.27~0.48 m、0.20~0.49 m和0.38~0.53 m。
应急分流调度下苏州河干流及两岸水利片代表站最高水位统计如表3所示。新槎浦分流方案和新泾港分流方案对降低苏州河河口至北新泾段高水位的效果较为明显,北新泾最高水位分别为4.10 m和3.94 m,与两片限排方案相比,降幅分别达0.13 m和0.29 m。蕰藻浜分流方案对降低苏州河中下游段高水位效果最小,北新泾最高水位为4.18 m,与两片限排方案相比,其降幅仅为0.05 m。
虽然新泾港分流方案对降低苏州河中下游段高水位效果最明显,但该方案中虹桥新桥的最高水位为3.41 m,较实况调度上升0.17 m,超警戒水位达0.21 m。新槎浦、蕰藻浜分流方案主要造成嘉宝北片的河网水位上升,主要影响区域为嘉宝北片蕰南地区,其中,新槎浦分流时,与实况调度相比,嘉定南门最高水位上升0.02 m,达3.17 m,未超警戒水位,蕰南地区代表站共和路最高水位上升0.10 m,达3.17 m;蕰藻浜分流对嘉宝北片河网水位的影响比之更大,嘉定南门最高水位达3.24 m,超警戒水位达0.04 m,共和路最高水位也达到3.23 m。
对分流时段(11月1日12:00—19:00)的分流水量进行统计,如表4。应急分流调度下苏州河河口闸排水量和赵屯上溯涝水量较实况调度及应急限排调度的水量均明显减少。其中,蕰藻浜分流时,赵屯断面出现上游涝水入界的情形,引入上游涝水约130万m3,导致分流效益明显降低,并增加了嘉宝北片的除涝风险。
表4 河网应急分流下分流水量统计

Table 4 Statistics of diverted water volume under emergency river network diversion

调度方案 水量/(万m3)
苏州河河
口闸排水		 赵屯上
溯涝水		 新槎浦套
闸分流		 蕰藻浜西
闸分流		 北新泾泵
闸分流
实况调度 300 249 0 0 -14
两片限排 227 176 0 0 0
新槎浦分流 182 130 102 0 0
蕰藻浜分流 184 -130 0 390 0
新泾港分流 172 122 0 0 109

4.2.3 规划增排优化

规划工程实施后苏州河干流沿程最高水位分布,如图8(c)。较实况调度,河口增排方案和规划优化方案下苏州河河口—黄渡段的沿程最高水位降幅分别为0.40~0.56 m和0.51~0.64 m。
规划工程实施后苏州河干流及两岸水利片代表站最高水位统计,如表3。河口增排方案下北新泾和黄渡最高水位分别降至4.01 m和4.02 m,苏州河干流水位仍高于两岸水利片河网水位,两岸排水维持现状调度,各水利片内代表站最高水位与现状相同。规划优化方案下苏州河高水位进一步降低,北新泾最高水位降至3.89 m,嘉宝北片和蕰南片的河网水位也较现状有所降低,嘉定南门和志丹泵站的最高水位降幅分别为0.06 m和0.03 m,而蕰南地区河网水位维持现状,共和路最高水位为3.07 m。

4.3 讨论

苏州河是典型的城市河流,与黄浦江共同构成了“一江一河”,是上海重要的发展轴和标志性空间,确保水安全是其诸多功能得以发挥的基础。伴随城市发展,苏州河两岸地区防汛能力不断增强,但汇入苏州河的涝水不断增加、汇水时间缩短,苏州河暴雨期间最高水位日益上升。全球气候变化导致极端天气在时空上发生了变异[26],台风事件呈现出路径北移、季节延长等特点[27-28],给城市防洪除涝风险防控增加了难度,如,秋台风“康妮”是有气象记录以来11月(非汛期)对上海市影响最明显的台风。
按照城市雨水二级排放模式,《苏州河防洪除涝工程规划》融合排水管网和河网除涝工程体系,提出“两闸一泵一隧,灵活可控”规划布局[29-30],而当前具备实际运行条件和即将投入运行的工程设施仅有苏州河河口闸和苏州河西闸,亟需研究充分利用现有设施应对苏州河高水位的有效措施。因此,本文结合“康妮”台风事件开展系统性复演,分析苏州河高水位的核心成因,提出在现有工程条件下两岸限排和河网分流2类应急调度。模型计算表明,青松片限排调度对降低河口—黄渡段最高水作用较小,且会增加片内防汛风险;蕰南片内河湖水面率较低,河网调蓄能力较弱,并承接大量市政雨水排水,河网涨水过程陡峻,限排调度面临较大风险;综合苏州河高水位降低效益和对水利片防汛安全影响来看,可采用嘉宝北片和淀北片短时应急限排方案,进一步可采用新槎浦应急分流方案。
苏州河河口闸排水受黄浦江潮位影响,通过启用规划黄浦江挡潮闸在台风“梅花”水情下北新泾最高水位可下降0.55 m[30],但是“康妮”台风期间吴淞口的最高潮位为2.2 a一遇,尚未达到黄浦江挡潮闸5 a一遇的关闸条件[31]。从应对极端天气复杂性的角度考虑,也需要多层面防洪除涝防御工程灵活调度。因此,本文重点评价区域除涝层面的苏州河河口泵站和蕰藻浜东泵站工程实施对于降低苏州河高水位的效益。模型计算表明,苏州河河口泵站实施后可降低苏州河沿程最高水位,也不增加两岸水利片除涝风险;蕰藻浜东泵站实施后,蕰藻浜东泵站排水能力增强,可降低蕰南地区向苏州河排水的强度,在降低苏州河高水位同时也提高嘉宝北片的防洪除涝能力。
综上所述,本文为有效应对苏州河高水位、优化上海城市防洪除涝调度方案和规划工程建设提供了实况案例和思路,但还存在如下不足:①部分水闸、泵站设施缺少实际运行数据,是模型计算误差的主要来源;②未耦合雨水排水管网模型,对地表积水的影响缺乏详细分析;③提出的高水位应急状态标准设定和应对措施需要多情景验证和完善。后续将补充收集监测数据、耦合河网管网模型,在本次研究的基础上进一步开展典型历史情景模拟研究。

5 结论

本文以苏州河及其两岸4个水利片为重点研究区域,结合“康妮”台风期间雨情、水情、工情的实况调查和感潮河网水文水动力模型数值模拟对苏州河高水位进行复演,利用知识图谱,研究提出两岸限排和河网分流2类应急调度,以及根据相关规划的增排优化的高水位应对措施。研究主要结论如下:
(1)“康妮”台风期间降雨集中在苏州河中下游地区,两岸水利片涝水大量汇入,并受黄浦江高潮位影响,苏州河河口闸排水受限,中下游段水位快速上升,形成高水位,并在上游段出现涝水上溯。
(2)综合苏州河高水位降低效益和对水利片防汛安全影响,苏州河两岸限排调度中可采用嘉宝北片和淀北片短时应急限排,可使苏州河河口—黄渡段沿程最高水位降低0.16~0.29 m,北新泾最高水位降至保证水位4.25 m以下。在此基础上,通过新槎浦应急分流,分流涝水水量约102万m3,可使苏州河全线最高水位低于4.20 m,且对两岸地区防汛安全的影响最小。
(3)规划苏州河河口泵站和蕰藻浜东泵站等工程实施后,在“康妮”水情条件下苏州河沿程最高水位降幅可达0.40~0.64 m,规划工程实施后在降低苏州河高水位同时也能提高嘉宝北片等区域防洪除涝能力。

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