(浙江省杭州市水利發(fā)展規(guī)劃研究中心， 杭州 310014)

1 研究背景

杭州江北主城區(qū)位于杭嘉湖東部平原上游，西至東苕溪西險大塘、南至西南山區(qū)分水嶺和錢塘江北岸海塘、東面和北面至市界，總面積約為1 040 km2(圖1)。區(qū)域上承西部山水，下受湖州、嘉興平原水位頂托影響，防洪排澇形勢嚴(yán)峻。自2007年以來，該區(qū)域先后遭遇“羅莎”臺風(fēng)和“菲特”臺風(fēng)等引起的多次暴雨洪水，經(jīng)濟損失嚴(yán)重，社會反響較大。作為浙江省政府和杭州市政府所在地的江北城區(qū)，2017年常住人口438萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值5 747億元，人均13.1萬元。區(qū)域一旦受淹將帶來極大的經(jīng)濟損失。經(jīng)國務(wù)院批復(fù)的《杭州市城市總體規(guī)劃(2001—2020年)》提出：主城防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)200 a一遇，主城治澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于50 a一遇。杭州江北主城區(qū)現(xiàn)狀防洪排澇能力離城市總體規(guī)劃的要求還有較大差距[1-2]。故很有必要開展杭州江北主城區(qū)排澇格局優(yōu)化研究，確定規(guī)劃防洪排澇工程布局及規(guī)模。

圖1 杭州市江北城區(qū)范圍

2 排澇能力及澇災(zāi)成因分析

2.1 排澇格局

根據(jù)地形條件，杭州江北城區(qū)形成西湖、運南老城區(qū)片、下沙片、上塘河片、運河片5個水級。其中西湖流域27 km2的澇水，經(jīng)西湖調(diào)蓄后，通過古新河排入運河水系；運南老城區(qū)片約43 km2的澇水，一部分通過新塘河臨時泵站、白塔泵站等排入錢塘江，余下部分通過東河滾水壩、貼沙河閘排入運河水系；下沙片約95 km2為澇水自排區(qū)，澇水經(jīng)四格排灌站、下沙排澇閘站等沿江閘站排入錢塘江；上塘河片約155 km2的澇水，部分經(jīng)七堡閘站、談家埭閘和上塘河閘排入錢塘江，余下部分則經(jīng)上塘河北岸節(jié)制閘排入運河水系；運河水系澇水部分北排入太湖，余下部分經(jīng)三堡泵站南排入錢塘江?？偟呐潘窬譃楸迸胚\河水系、南排錢塘江[2]。

2.2 總體防御能力

采用建立的杭嘉湖東部平原防洪水利計算模型，就杭嘉湖水利綜合規(guī)劃工況下東部平原遭遇5、10、20、50、 100 a一遇暴雨洪水條件進行河網(wǎng)水利計算，結(jié)合區(qū)內(nèi)地面高程[3-6]，分析杭州江北城區(qū)總體抵御東部平原洪水能力。以位于江北城區(qū)中部的拱宸橋站水位作為判斷條件。洪水影響分析成果見表1。

表1 洪水影響分析成果

超額水量主要受規(guī)劃水位與現(xiàn)狀水位差控制，故5 a一遇最大、50 a一遇最小。盡管100 a一遇與50 a一遇超額洪水量差400 萬m3/d，但本次考慮采用50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是一方面運河堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇，周邊區(qū)塊及道路高程均按50 a一遇水位控制，目前運西、運東地區(qū)城市主干道路最低高程為3.9～4.0 m，若按100 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)水位3.92 m控制，將受城市建成區(qū)地坪高程制約，實施難度極大；另一方面市政排澇體系中雨水管入河道高程與100 a一遇排澇水位亦不匹配，河道控制水位的提高不利于城市洪澇水的匯合。

將各頻率計算水位值加超高后與地面高程比較得出：①運南老城區(qū)地面高程為6.5～8.5 m，下沙片地面高程為4.6～6.4 m，上塘河片地面高程為3.8～5.5 m，地勢均較高，防御東部平原洪水能力在100 a一遇以上。②運西、運東地區(qū)城市主干道路最低高程為3.9～4.0 m，根據(jù)城建部門地面高程按設(shè)計水位不低于0.5 m的超高要求，運西和運東地區(qū)防御東部平原洪水能力總體在20 a一遇左右。③局部如留下街道等地，地面高程為3.8～4.2 m，受上游山洪泄影響，防御能力僅在10 a一遇左右。

2.3 成因分析

杭州江北城區(qū)排澇問題出現(xiàn)的主要原因有：①上游西南山區(qū)面積大，洪水源短流急，山洪入平原難以及時排出。上游近93 km2的山洪未受控制，下泄洪峰流量較大，洪水下泄至平原后因河道排水能力不足造成水位抬高，漫溢至兩岸。②北面缺少控制，與流域洪水同漲同落;下游澇水北排受湖州、嘉興河網(wǎng)平原水位頂托影響。③河道規(guī)模不足，未形成有效排水骨干網(wǎng)絡(luò)。《杭州市城市防洪減災(zāi)規(guī)劃(2011—2020)》里提出了運東、運西“六橫九縱”的骨干排水網(wǎng)絡(luò)，但具體實施情況不容樂觀，城西排水干道受政策處理等方面因素影響，未按規(guī)劃河道寬度實施。

3 計算方法

包圍方案除澇計算采用水量平衡法，包圍圈實施效果和防洪影響分析采用一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型[7]。

3.1 除澇計算

水量平衡法計算公式：

W產(chǎn)=A陸(h-h陸損)+A水面(h-h水損)+A水田(h-h田損);

(1)

W排=Qt；

(2)

河網(wǎng)水位增減值：

Δh=(W產(chǎn)-W排)/A水面；

(3)

河網(wǎng)時段末水位：

h末=h初+(W產(chǎn)-W排)/A水面。

(4)

式中：W產(chǎn)為產(chǎn)水量；W排為排水量；Q為外排流量；t為時間；A陸為陸地面積；A水面為河網(wǎng)面積；A水田為水田面積；h為設(shè)計暴雨量；h陸損為降落陸地的損失暴雨量；h水損為降落水面的損失暴雨量；h田損為降落田面的損失暴雨量；Δh為河網(wǎng)水位增減值；h初為河網(wǎng)初始水位；h末為河網(wǎng)時段末水位。

3.2 實施效果和影響分析計算

3.2.1 計算方法

水利計算采用圣維南非恒定流偏微分方程組，建立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。圣維南偏微分方程組為

(5)

(6)

式中：z、Q、F、v和K分別表示某一時刻t某一空間位置s斷面的水位、流量、相應(yīng)過水?dāng)嗝婷娣e、斷面平均流速和流量模數(shù)；q為單位河長旁側(cè)流量；B為河道寬度；g為重力加速度。

3.2.2 計算范圍

計算范圍擴展至整個杭嘉湖東部平原，東至上海市張涇港，南至杭州錢塘江北岸，西至東苕溪，北至太湖和太浦河。計算面積7 426 km2。

3.2.3 模型概化

模型中概化骨干排水河道529條，計算河道斷面3 000余個。排水河道之間的調(diào)蓄水域概化為湖泊，共計680個。概化湖泊和排水河道之間根據(jù)實際情況，采用河道或排水閘、堰形式連接[8]。本模型選用了32個邊界，包括9個流量邊界、8個水位邊界和13個潮位邊界。江蘇入浦的平望北、淀峰2個邊界，根據(jù)計算方案需求及掌握的資料，或選用流量邊界，或選用水位邊界。

4 排澇格局研究

4.1 城市排水設(shè)計方法

城市排水系統(tǒng)包括雨水、污水收集、排放、處理等。城市排水設(shè)計主要進行屋面雨水的收集、雨洪入滲的設(shè)計、合理的屋頂綠化設(shè)計、草皮溝的設(shè)計、人工濕地等內(nèi)容。雨水利用不僅可以降低城市供配水管網(wǎng)在用水高峰時的用水量，還可以有效緩解暴雨洪峰流量。同時減少降雨徑流的污染負(fù)荷，目的是盡量減少雨洪入河量及減緩匯流時間[9-11]。本文主要考慮雨洪入河后的快速排出，使城市排水更加順暢。

4.2 方案設(shè)計

本次主要考慮在已有杭州城西科創(chuàng)大走廊水利專項規(guī)劃提出的“六橫九縱”河道進行拓浚整治、實施城西南排通道工程的基礎(chǔ)上，對江北主城區(qū)排澇格局進行優(yōu)化方案設(shè)計，提出3個城市包圍方案,如圖2所示。

圖2 3個建控制閘的平面布置方案

4.2.1 城市包圍方案一：運河片，在塘棲建控制閘

北面以上以牽埠閘—東塘港—京杭運河為界，東至運河二通道，南至海塘和分水嶺，西至西險大塘；在塘棲建控制閘。江北城區(qū)形成運河片、上塘河片、下沙片3個包圍圈，城市包圍以北建圩區(qū)，見圖2(a)。運河片面積793.4 km2，水面率約為5.9%。按50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，泵站起排水位2.4 m(運河停航水位)，控制水位不超過3.4 m，經(jīng)除澇計算，粗估外排泵站流量應(yīng)≥1 444 m3/s。

4.2.2 城市包圍方案二：運河片，在東下路建控制閘

范圍與方案一基本一致，僅是京杭運河上建閘位置向南移了約3 km，見圖2(b)。運河片面積792.9 km2，水面率約為5.9%，按50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，粗估外排泵站流量應(yīng)≥1 451 m3/s。

4.2.3 城市包圍方案三：運河片，在繞城公路建控制閘

江北城區(qū)形成運河片、上塘河片、下沙片3個包圍圈，在繞城公路建控制閘；城市包圍以北建圩區(qū)，見圖2(c)。運河片包圍面積540 km2，水面率約為5.2%，按50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，粗估外排泵站流量應(yīng)≥1 064 m3/s。

4.3 計算方案

考慮3種工況：一是城市包圍只建節(jié)制閘，不建泵站；二是閘、泵都建；三是閘、泵都建，對北控線進行優(yōu)化調(diào)度。經(jīng)計算分析，北控線只建閘不建泵，對江北運河片水位降低沒有作用；北控線建閘建泵后，區(qū)內(nèi)水位可滿足排澇要求，但對下游影響較大；對北控線閘泵進行優(yōu)化調(diào)度，可在確保杭州江北城區(qū)排澇安全的前提下，最大限度減輕下游防洪壓力。所以，城市包圍方案以北控線建閘建泵，并進行優(yōu)化調(diào)度的工況下，分析實施效果，選定推薦方案。

由表2可見：方案三50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，可在滿足杭州江北城區(qū)排澇安全的前提下，對下游影響也盡可能小。與方案一或方案二相比，塘棲、嘉興、湖州最高水位分別抬高0.19、0.03、0.09 m。

表2 城市包圍方案實施效果與影響分析

4.4 推薦方案

城市包圍方案優(yōu)缺點見表3。經(jīng)綜合比較，本次研究推薦方案三作為杭州江北城區(qū)城市包圍方案，即：運河片，在繞城公路建控制閘方案。

表3 城市包圍方案優(yōu)缺點

5 結(jié) 論

(1)杭州江北主城區(qū)經(jīng)濟社會快速發(fā)展，對區(qū)域排澇能力提出了更高要求，很有必要開展杭州江北主城區(qū)排澇格局優(yōu)化研究，謀劃新一輪治理工程。

(2)本文主要考慮在已有規(guī)劃提出的“六橫九縱”河道進行拓浚整治、實施城西南排通道工程的基礎(chǔ)上，對江北主城區(qū)排澇格局進行優(yōu)化方案設(shè)計，提出3個城市包圍方案。方案一：運河片，在塘棲建控制閘方案；方案二：運河片，在東下路建控制閘方案；方案三：在繞城公路建控制閘方案。經(jīng)綜合比較，推薦方案三為杭州江北城區(qū)城市包圍方案。

(3)城市包圍工程為盡可能減輕對下游地區(qū)的防洪壓力，北控線閘站需進行優(yōu)化調(diào)度。