章哲愷,湯麗慧,陳志剛,鄭雄偉

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

1 問題的提出

我國海岸線總長(zhǎng)3.2萬km,其中大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬km,位居世界第四位。大陸海岸線北部起于鴨綠江口,南部終于北侖河口,其間河口、港灣不計(jì)其數(shù),自江蘇以南為臺(tái)風(fēng)的主要影響區(qū)域,西南、東南及華東沿海一帶,經(jīng)常出現(xiàn)由于河口排澇不暢造成的洪澇災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)帶來了巨大的損失[1-2]。常見的河口防洪排澇工程措施分為排洪措施和蓄洪措施2類,其中排洪措施包括加大排澇口門、拓寬行洪河道、新建排澇泵站等,蓄洪措施包括利用水庫調(diào)蓄、增大調(diào)蓄水域面積等[3-4]。獨(dú)流入海河流由于沿海地區(qū)多為低山丘陵,較難具備大中型水庫的建庫條件,加上區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較快,用水需求較大,單純的防洪水庫并不多見,而綜合利用水庫中防洪庫容比例不大;沿海地區(qū)土地資源稀缺,行洪河道的拓寬和調(diào)蓄水面的拓廣空間也十分有限;增加排澇口門凈寬在一定程度上可以緩解洪水壓力,但很難從根本上解決問題;新建排澇泵站也是常見的工程措施,但其建設(shè)及管理費(fèi)用巨大,使用時(shí)間較短,從經(jīng)濟(jì)性來說難以體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。因此,本文提出在充分發(fā)掘現(xiàn)有防洪排澇能力的基礎(chǔ)上,應(yīng)以調(diào)蓄為主要手段[5],將擋潮閘外移,利用擋潮閘下游河道水面增加調(diào)蓄容積,改善河口防洪排澇條件,并將其作為一種解決類似感潮河口平原防洪排澇問題的思路和建議。

YQ市位于浙江省東南沿海,芙蓉池是市內(nèi)最大的淡水湖,池水秀麗,青山環(huán)抱,是該市規(guī)劃的重點(diǎn)旅游區(qū)。目前芙蓉池通過新塘閘、小芙閘、大芙閘3座閘門與感潮河道清江相連,芙蓉池上游支流主要有大芙河、小芙河等7條溪流,現(xiàn)狀3座閘門閘址以上集雨面積約134.3 km2。河口地形及現(xiàn)狀工程位置示意見圖1。

該區(qū)域排澇存在如下問題:①上游是浙江省的臺(tái)風(fēng)暴雨中心,流域面積大,河源短,坡降大,缺乏防洪控制性工程;②臺(tái)風(fēng)暴雨期洪水匯流時(shí)間短,上游山洪短時(shí)間內(nèi)匯聚到平原水系,“芙蓉池”受下游潮位頂托,洪潮集中造成洪災(zāi);③芙蓉池所在平原區(qū)域面積為11 km2,不足區(qū)域集雨面積134 km2的1/10,芙蓉池水面積2.8 km2,滯洪能力有限,現(xiàn)狀雖有3座排澇閘,但總凈寬偏小,排澇能力無法滿足要求。

圖1 河口示意圖

現(xiàn)狀條件下,平原區(qū)20 a一遇洪水位為4.11m,而芙蓉池周邊區(qū)域陸地高程在0.50～1.50m,地勢(shì)較低,防洪排澇能力嚴(yán)重不足。提高該區(qū)域的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)途徑,一是填高地面,二是降低洪 (澇)水位。根據(jù)周邊現(xiàn)狀建筑物地坪高程情況,相關(guān)部門提出了控制芙蓉池20 a一遇洪水位不超過3m的治理目標(biāo)。

2 防洪排澇工程分類

2.1 排洪措施

上游河道拓寬及溝通內(nèi)部水系:黃金溪芙蓉溪匯合口下游河道及芙蓉池北部匯水河道偏窄,導(dǎo)致行洪不暢,對(duì)上述河道進(jìn)行拓寬;擴(kuò)建閘門及新建泵站:排澇口門凈寬不足,通過擴(kuò)建閘門并考慮新建泵站的可能性,提高排洪能力。

2.2 蓄洪措施

上游水庫調(diào)蓄:根據(jù)《浙能樂清電廠配套水源雁湖水庫工程初步設(shè)計(jì)》,芙蓉池上游將會(huì)建設(shè)雁湖水庫,同時(shí)流域北側(cè)筋竹澗筋竹村上游1 km處,也具備建設(shè)小型水庫的條件。

清江河道調(diào)蓄:由于現(xiàn)狀條件下芙蓉池平原區(qū)調(diào)蓄能力嚴(yán)重不足,洪水期水位居高不下,因此考慮將擋潮閘外移至蔡岙塘處,可增加清江河道調(diào)蓄面積約3.6 km2。

3 計(jì)算模型

3.1 數(shù)學(xué)模型

水利計(jì)算采用圣維南明渠非恒定流偏微分方程組,其方程為:

式中:Z、Q、F、V和K分別表示某一時(shí)刻t在某空間位置x斷面的水位(m)、流量(m3/s)、相應(yīng)過水?dāng)嗝娣e(m2)、斷面平均流速(m/s)和流量模數(shù);q為單位河長(zhǎng)旁側(cè)入流量(m3/s?m)。本模型考慮了堰、閘、阻水橋梁,以及區(qū)間水量交換等,能適用于本段河道洪流演進(jìn)的定量分析計(jì)算,得出河道各特征斷面水位和流量的過程。

計(jì)算方法為用隱式差分法化為差分方程,再與河汊方程、閘汊方程、邊界條件及初始條件構(gòu)成一大型非線性方程組,采用牛頓迭代及高斯列主元消去法求解,從而得出各計(jì)算斷面的水位和流量過程。計(jì)算中分別考慮規(guī)劃水工程的工況,求出流域內(nèi)不同工況的各特征斷面的水位及流量變化過程,為工程效果分析及工程規(guī)模的擬定提供定量的科學(xué)依據(jù)。

3.2 河道概化

根據(jù)研究區(qū)域的現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃所確定的河道布局,本次水利計(jì)算概化為40個(gè)內(nèi)河段,71個(gè)計(jì)算斷面,2個(gè)概化湖泊,8個(gè)邊界,9個(gè)閘汊,9個(gè)河汊。其中下邊界為水位 (潮位)邊界,采取平均偏不利潮型;上邊界為流量邊界。河道概化見圖2。

圖2 水力計(jì)算概化圖

4 各種工程措施的效果分析比較

4.1 優(yōu)先實(shí)施措施效果分析

根據(jù)流域及區(qū)域防洪工程實(shí)施的近期安排,可優(yōu)先實(shí)施的工程措施包括排洪措施中的新塘閘擴(kuò)建 (至5孔×5 m)、上游河道拓寬和蓄洪措施中的雁湖水庫防洪 (防洪庫容250萬m3)。

經(jīng)計(jì)算,采取上述排蓄結(jié)合措施后,芙蓉池20 a一遇水位可降至3.84 m,遠(yuǎn)不能滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)控制要求,在此基礎(chǔ)上采取加強(qiáng)排洪和蓄洪措施解決芙蓉池防洪問題。

4.2 加強(qiáng)工程措施的效果分析

4.2.1 加強(qiáng)以排為主工程措施的效果分析

4.2.1.1 大芙閘擴(kuò)建效果

考慮在擴(kuò)建新塘閘的基礎(chǔ)上,繼續(xù)擴(kuò)建其余2座閘門中排水條件相對(duì)較優(yōu)的大芙閘。大芙閘擴(kuò)建防洪排澇效果見圖3。

可見,增加大芙閘凈寬具有一定的排澇效果,當(dāng)大芙閘凈寬增大到75m后,再擴(kuò)閘對(duì)降低水位效果則變得不明顯。河口大閘不外移條件下,推薦大芙閘采用15孔×5m,凈寬75m,此時(shí)芙蓉池20 a一遇水位可降至3.67m。

4.2.1.2 筋竹澗水庫防洪效果

初定筋竹澗水庫防洪庫容250萬m3,參與防洪后,可進(jìn)一步降低芙蓉池水位至3.54m,與20 a一遇的控制水位要求尚有較大差距。

圖3 大芙閘擴(kuò)建防洪排澇效果圖

4.2.1.3 大芙閘泵站效果

根據(jù)排澇條件,考慮在上述工程基礎(chǔ)上設(shè)置大芙閘排澇泵站,排澇效果見圖4。

圖4 大芙閘擴(kuò)建防洪排澇效果圖

當(dāng)泵站規(guī)模接近500m3/s時(shí),20 a一遇洪水位方能達(dá)到要求。由于泵站流量較大,投資巨大,且需要設(shè)置供電專線,就近遠(yuǎn)期來說,配套都難以跟上,加上泵站年利用小時(shí)數(shù)較少,從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,此處采取泵站措施不可取。

可見,加強(qiáng)以排為主工程措施的防洪排澇效果十分有限,在排除新建強(qiáng)排泵站的可能性后,調(diào)蓄庫容尚有約1 100萬m3的缺口 (見圖5)。

圖5 防洪調(diào)蓄庫容分布圖 (以排為主時(shí))單位:萬m3

4.2.2 加強(qiáng)以蓄為主工程措施的效果分析

為了初步確定芙蓉池達(dá)到防洪目標(biāo)所需的防洪調(diào)蓄容積,在4.1節(jié)所提到的優(yōu)先實(shí)施的工程措施的基礎(chǔ)上,按照20 a一遇規(guī)劃目標(biāo)水位3.0 m控制,假定芙蓉池調(diào)蓄容積進(jìn)行計(jì)算,需要設(shè)置3 200萬m3洪水調(diào)蓄容積。芙蓉池既有有效調(diào)蓄容積約1 600萬m3(水位0～3m),已優(yōu)先實(shí)施的雁湖水庫可以提供約250萬m3的防洪庫容,還需增加調(diào)蓄容積約1 350m3。

4.2.2.1 大閘外移效果

擋潮閘外移至蔡岙塘處,可增加清江河道調(diào)蓄面積約3.6 km2,增加洪水調(diào)蓄容積約1 100萬m3,將大大提高清江河口的調(diào)蓄能力。推薦的蔡岙塘大閘凈寬100m。

經(jīng)計(jì)算,在大閘外移配合已優(yōu)先實(shí)施的工程措施情況下,芙蓉池20 a一遇水位降至3.11m,已較為接近防洪要求,此時(shí)可以通過新建上游筋竹澗水庫進(jìn)一步降低水位。

4.2.2.2 筋竹澗水庫防洪效果

初定筋竹澗水庫防洪庫容250萬m3。在大閘外移至蔡岙塘?xí)r,筋竹澗水庫參與防洪,可使芙蓉池20 a一遇水位降低至2.97m,滿足其防洪要求。此時(shí),防洪調(diào)蓄庫容分布見圖6。

圖6 防洪調(diào)蓄庫容分布圖(以蓄為主時(shí))單位:萬m3

可見,河口大閘外移增加清江河道調(diào)蓄后,總調(diào)蓄庫容不足得到了彌補(bǔ),區(qū)域防洪排澇得到了保障。

5 結(jié) 語

通過上述分析可以看到,采取排蓄結(jié)合、以蓄為主的工程措施,是提高河口調(diào)蓄庫容的主要途徑,可以有效地解決河口防洪排澇難題。

本文根據(jù)浙江省獨(dú)流入海某河口的實(shí)際情況,提出外移河口大閘,充分利用下游河道水體增加調(diào)蓄容積,大大改善區(qū)域防洪排澇條件。此外,河口大閘外移后,既可以進(jìn)行蓄淡,也可以配合潮汐電站進(jìn)行發(fā)電,發(fā)揮工程綜合效益,為解決我國沿海同類河口地區(qū)的防洪排澇問題提供了一種思路,具有一定的借鑒意義。

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