張曉鵬，郭 磊，沈燕紅，李東風(fēng)

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310018)

根據(jù)《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國行政許可法》及水利部《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則》的要求，建設(shè)各類河道整治工程，跨河、穿河、臨河的航道、橋梁、管線等工程設(shè)施，應(yīng)當(dāng)符合防洪標準、岸線規(guī)劃及其它技術(shù)要求，不得危及堤防安全，影響河勢穩(wěn)定，妨礙行洪通暢[1].本文分析湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程對防洪的影響，計算結(jié)果為工程建設(shè)提供了定量依據(jù).

1 工程簡介

湖嘉申線航道位于太湖水網(wǎng)地區(qū)，連接湖州、嘉興、上海等城市，是我國長江三角洲地區(qū)“兩縱六橫”高等級航道的重要組成部分.

湖嘉申線(浙江段)航道工程(以下簡稱“湖嘉申線航道”)位于浙北杭嘉湖東部平原河網(wǎng)地區(qū)，自湖州船閘西起，沿東苕溪向南，于吳沈門水閘折向東經(jīng)老龍溪進入雙林塘.沿雙林塘向東，經(jīng)雙林鎮(zhèn)于日輝橋進入京杭運河.沿京杭運河北上，于石匯頭入新塍塘北支向東南匯入桃園港，東行經(jīng)虹陽港過和尚蕩、天花蕩入蘇州塘.向東新開挖1.5 km航道后入北官蕩，北行至嘉興市秀洲區(qū)油車港鎮(zhèn)與紅旗塘相連，終于楊樹浜杭申線交界處[2-3].湖嘉申線航道全長90.3 km，其中嘉興段長29.5 km.目前嘉興段Ⅰ期工程(乍嘉蘇航道～楊樹浜杭申線交界)已于2008年開工建設(shè)，嘉興段Ⅱ期工程起于與京杭運河交匯的石匯頭，終于乍嘉蘇航道口，全長14.74 km.全線按三級雙向航道標準建設(shè)，航道底寬≥45.0 m，航道水深≥3.2 m，航道面寬≥70.0 m，彎曲半徑R≥480 m(特殊困難地段270 m).該段航道目前基本處于自然狀態(tài)，除局部河蕩、漾外，航道面寬在30～40 m之間[4].湖嘉申線航道位置(見圖1)，圖中虛線段為航道嘉興段Ⅱ期.

圖1 湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程位置示意圖

湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程在原自然狀態(tài)下基本拓寬30～40 m，同時，沿線新建橋梁12座、支線水閘3座，將對杭嘉湖東部平原的防洪排澇格局，特別是會對嘉興北部的水利基礎(chǔ)設(shè)施帶來影響.本文以Mike11建模系統(tǒng)為平臺[5]，建立杭嘉湖東部平原的河網(wǎng)水力學(xué)模型，分析研究航道整治工程實施對該河網(wǎng)區(qū)域的防洪影響，并提出防治與補救措施建議.

2 河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型建立

2.1 計算范圍

湖嘉申線航道嘉興段二期工程實施后，湖嘉申線航道將全線貫通，防洪排澇直接影響范圍涉及嘉北地區(qū)及湖州沿太湖一線，因此，研究范圍應(yīng)擴大至杭嘉湖東部平原，區(qū)域面積7 426 km2.

2.2 計算方法

杭嘉湖東部平原地勢平坦，大小河流縱橫密布，湖蕩眾多.河網(wǎng)與防洪區(qū)關(guān)系復(fù)雜，建有圩區(qū)、堵壩、節(jié)制閘、出海閘和排澇泵站等工程.西部邊界要承接導(dǎo)流港分洪水量，入湖溇港受太湖水位控制，東泄水量和南排水量分別受黃浦江潮汐和錢塘江潮汐的影響.區(qū)內(nèi)水體交換密切，水流勢態(tài)復(fù)雜.鑒于以上情況，水力計算采用圣維南非恒定流偏微分方程組，建立了適合杭嘉湖東部平原的一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型.該數(shù)學(xué)模型對杭嘉湖東部平原的河網(wǎng)及現(xiàn)有工程作了合理的概化處理，以便較好地反映東部平原的水流特性.圣維南偏微分方程組[6-8]為：

(1)

(2)

式中,z—表示某一時刻t及在某一空間位置S斷面的水位，m；

Q—表示某一時刻t及在某一空間位置S斷面的流量，m3/s；

F—表示某一時刻t及在某一空間位置S斷面的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

v—表示某一時刻t及在某一空間位置S斷面的斷面平均流速，m/s；

K—表示某一時刻t及在某一空間位置S斷面的流量模數(shù)；

q—單位河長旁側(cè)流量，m3/s.

本數(shù)學(xué)模型考慮了河道、圩區(qū)、閘、泵站等因素，適用于對河道洪流演進影響的定量分析計算.

2.3 河網(wǎng)概化

杭嘉湖東部平原有運河和上塘河二個水系.運河水系承受本地區(qū)產(chǎn)水、部分山區(qū)來水和導(dǎo)流東泄水量，通過河網(wǎng)調(diào)蓄后，一路自西南向東北經(jīng)北排通道走太浦河和嘉興東部河道匯入黃浦江排出，主要河道有京杭運河、杭申乙線河道、瀾溪塘、頔塘、練市塘、雙林塘、太浦河、紅旗塘、俞匯塘、園泄涇、平湖塘、上海塘、廣陳塘和大泖港.另一路通過基本建成的南排工程排入杭州灣，主要河道有海鹽塘、鹽平塘、長水塘、大橫港、蓮花橋港、長山河、鹽官下河等骨干河道.上塘河水系，以上塘河為主干，洪澇水一部分經(jīng)鹽官上河閘和談家埭閘排入錢塘江；另一部分通過上塘河北岸的堰閘排入下塘河，經(jīng)運河水系排出.上塘河水系主要河道有上塘河、新塘河、大寨河、運輸河、和睦港等.

河網(wǎng)概化計算模型中概化骨干排水河道252條，計算河道斷面2 632個，閘、泵等水工建筑物43個，邊界24個.排水河道之間的調(diào)蓄水域(包括毛細河道、湖泊)概化為湖泊(或圩區(qū))，共計282個，在模型中用圩區(qū)用虛擬河道來表現(xiàn).概化湖泊(或圩區(qū))和排水河道之間根據(jù)實際情況，采用河道或排水閘、泵、堰形式連接[9-10].模型概化圖(見圖2).

圖2 模型概化圖

2.4 邊界條件

邊界條件是河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的主要約束條件.本模型選用了24個邊界，以反映計算區(qū)域與外域的水量交換情況.模型中考慮了兩種邊界屬性，分別為水位邊界、流量邊界.各個邊界根據(jù)資料情況和工程情況具體選擇其屬性.

目前，杭嘉湖東部平原已形成了“北排太湖(太浦河)，東排黃浦江，南排杭州灣”的區(qū)域水系格局.杭嘉湖東部平原西靠東苕溪及導(dǎo)流港，東接黃浦江，北濱太湖，南瀕錢塘江杭州灣.西南部山區(qū)有杭州西湖、留下、余杭閑林等邊界，西部有東苕溪及導(dǎo)流沿岸的分洪節(jié)制閘、湖州船閘邊界，共計10個流量邊界，為進口邊界；江蘇入浦的平望北、泖甸等兩個邊界，根據(jù)計算方案需求及掌握的資料，選用流量邊界；太湖沿線的溇港入湖各閘及太浦閘等邊界，共計6個水位邊界；東部米市渡及南部錢塘江北岸各閘等邊界共計6個，為潮位邊界，為出口邊界.本文采用的“99年南部100年”設(shè)計雨情中，杭州、留下、余杭山區(qū)采用水文方法用實況降雨推求的流量過程.導(dǎo)流東泄各閘流量、太湖設(shè)計水位、平望北、攔路港、米市渡邊界均由太湖流域管理局通過流域防洪水利算模型分析得來.南部錢塘江北岸各閘邊界受杭州灣潮位影響，在洪潮遭遇方面，按照平均偏不利的原則選擇略高于平均值的實際潮型為設(shè)計潮型，并優(yōu)先考慮與設(shè)計暴雨同步的實際潮型.

3 航道整治工程對防洪的影響分析

3.1 計算方案選擇

本文主要研究湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程的開通對防洪的影響，所以選擇現(xiàn)狀工況也即湖嘉申線航道嘉興段Ⅰ期工程及其補償措施實施為基本方案(方案1).在基本方案的基礎(chǔ)上開通湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程作為方案2分析工程前后的影響.

以“流域99南部型”100年一遇洪水為例，對兩方案進行水利計算：

方案1：湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程施工前

方案2：湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程施工后

3.2 計算成果分析

水利計算成果(見表1～表2)，可以看出：洪水影響以航道Ⅱ期上的虹陽為界，虹陽以西的嘉北、湖州及江蘇吳江浦南地區(qū)水位降低，而虹陽以東的嘉北地區(qū)則水位有所抬高.

工程實施后，受影響地區(qū)的洪水比降有所調(diào)整，虹陽以西地區(qū)水位有所降落，降落幅度在0.01～0.04 m.其中烏鎮(zhèn)降低0.01 m，高水持續(xù)時間減少26 h；南麻降低0.03 m，高水持續(xù)時間減少31 h；盛澤降低0.01 m，高水持續(xù)時間減少41 h；新塍降低0.04 m，高水持續(xù)時間減少11 h；南潯降低0.01 m，高水持續(xù)時間減少12 h；雙林降低0.01 m，高水持續(xù)時間減少9 h；平望水位基本持平，但高水持續(xù)時間減少35 h.

表1 防洪影響分析水位變化表

表2 防洪影響分析高水位持續(xù)時間變化表

備注：括號內(nèi)為各代表點的危急水位，高水持續(xù)時間為該代表點超過危急水位的時間

虹陽以東地區(qū)，主要是秀洲區(qū)東部地區(qū)和嘉善北部地區(qū)水位有所抬高，抬高幅度在0.01～0.03 m之間.其中王江涇抬高0.02 m，高水持續(xù)時間增加10 h；新橋抬高0.03 m，高水持續(xù)時間增加20 h；嘉興抬高0.01 m，高水持續(xù)時間增加3 h；油車港抬高0.02 m，高水持續(xù)時間增加50 h；洪溪抬高0.01 m、高水持續(xù)時間增加13 h；西塘抬高0.01 m、高水持續(xù)時間增加11 h.

航道整治工程后，由于航道過水?dāng)嗝嬖龃?，排水能力增強，使得上游水位降低，下游水位抬高，對整個杭嘉湖東部平原而言，東泄水量增加，有利于河道行洪，但部分原通過瀾溪塘北排入太浦河水，經(jīng)航道往東泄流，入蘇嘉運河水迅速增強，因此造成蘇嘉運河水流方向發(fā)生改變，從航道Ⅱ期增加的水量大部分經(jīng)過蘇嘉運河往東排，并有沿著蘇嘉運河往南壓，從而加重了嘉興城區(qū)及嘉北地區(qū)的防洪壓力.工程實施后，嘉北地區(qū)洪水位抬高、高水位持續(xù)時間延長，這將對嘉北地區(qū)圩區(qū)圩堤及排澇泵站、節(jié)制閘等圩區(qū)交叉建筑物的安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[11].

4 結(jié) 語

通過以上分析表明，湖嘉申線航道嘉興段Ⅱ期工程直接開通，對秀洲虹陽以東的嘉北地區(qū)防洪排澇和水利工程設(shè)施帶來了不利影響.嘉北地區(qū)洪水位將抬高、高水位持續(xù)時間將延長，這將對嘉北地區(qū)圩區(qū)圩堤及排澇泵站、節(jié)制閘等圩區(qū)交叉建筑物的安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響.另外，由于航道級別由4級提升到3級，除航道工程的護岸之外，還將增加船行波對交叉支河河口附近河段的沖刷，增大河口淤積.

為消除對嘉北地區(qū)防洪的不利影響，需采取必要的補償措施：(1)虹陽以東嘉北地區(qū)受影響圩區(qū)和航線沿線圩區(qū)進行圩堤加高培厚、水閘、泵閘等交叉建筑物加固改造；(2)為防止洪澇水過量東移，對航道Ⅱ期上、下游建套閘控制，上游建在桃園港西口新塍塘北支上，下游建在桃園港東口；(3)為減少船行波對交叉河口的影響，根據(jù)嘉興段Ⅰ期工程及以往工程經(jīng)驗，對交叉河口150 m范圍內(nèi)河流進行砌石加固并以機械施工的方式進行積淤清除.

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