李 博，劉 翔

(1.杭州市余杭區(qū)水利工程建設(shè)總站，浙江 余杭 311100；2.杭州市余杭區(qū)林業(yè)水利局，浙江 余杭 311100)

1 研究背景和必要性

西險大塘是東苕溪流域防洪體系的重要組成部分，也是直接保護杭州市主城區(qū)及杭嘉湖東部平原的重要屏障，位于東苕溪右岸，自余杭南湖分洪進水閘石門橋起，經(jīng)余杭、瓶窯、安溪、獐山至德清大閘，全長約44.58 km(余杭段38.73 km，德清段5.85 km)。西險大塘現(xiàn)狀防御東苕溪洪水的設(shè)計標準為100年一遇，堤防等級為2級，與流域內(nèi)大中型防洪水庫、滯洪區(qū)、分洪閘等防洪水利工程聯(lián)合調(diào)度、共同作用，確保流域防洪安全。

西險大塘始筑于東漢、建成于宋朝，屢毀屢建，故筑堤材料多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隱患眾多[1]。曾經(jīng)出現(xiàn)過的最高洪水位與保護區(qū)地面高差超過5 m，一旦失守，危害巨大。特別是隨著杭州市城市發(fā)展，重心西移，區(qū)域內(nèi)布局有城西科創(chuàng)大走廊、未來科技城、云城、之江實驗室等重要保護對象，經(jīng)濟要素高度集聚，杭州市城市防洪標準根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)的要求應(yīng)達到200年一遇或以上[2]，西險大塘防洪標準提高至200年一遇，實施提標加固的緊迫性、必要性更加凸顯。加上近年東苕溪中上游滯洪區(qū)布局及調(diào)控方式調(diào)整，里畈水庫加高擴容，青山水庫防洪能力提升等工程措施計劃實施，東苕溪防洪格局發(fā)生變化，因此有必要對西險大塘防洪水位(200年一遇標準)開展研究。

2 現(xiàn)狀防洪格局

2.1 水文情況

東苕溪發(fā)源于天目山南麓，全長165 km，流域面積2 267 km2[3]，屬于太湖流域，位于杭嘉湖平原西部，由南苕溪、中苕溪、北苕溪匯合而成，中上游為山區(qū)性河流，余杭以下為平原河道，流經(jīng)瓶窯至德清，向北流入太湖[4]。流域內(nèi)現(xiàn)有降水量觀測站共52個，水位、水文站共23個，流域4—10月為汛期，汛期雨量占年降水量的75%，多年平均降雨量1 400～1 600 mm，流域暴雨中心次數(shù)所占的比重一般為東苕溪占60%，西苕溪占40%，瓶窯站多年平均降雨量1 374 mm，實測年最大降雨量1 953.4 mm(1954年)，多年平均年徑流量1.063×109m3，實測最大年徑流量2.076×109m3(1954年)，實測最小年徑流量4.23×108m3(1978年)，多年平均流量33.2 m3/s，最大洪峰流量795 m3/s(1984年6月14日)，最小流量20.0 m3/s(2020年7月20日)[4]。流域面暴雨統(tǒng)計采用同場雨法，樣本取用年最大1 d雨量和年最大3 d雨量，選擇資料時間跨度為1953—2018年，分析選擇30個降水量站，以泰森多邊形法計算流域面雨量，年最大1,3 d暴雨相關(guān)系數(shù)分別為0.9和0.92。洪水邊界苕溪洪水與東部平原、長興平原高水位之間存在著不同程度的密切關(guān)系。

2.2 現(xiàn)狀流域防洪體系

東苕溪流域遵循“上蓄、中滯、下泄”治理原則，流域防洪工程由防洪水庫、分滯洪區(qū)、分洪閘、干支流河道、西險大塘、導(dǎo)流東大堤、環(huán)湖大堤、入湖溇港等組成。流域上游有6座大中型水庫，防洪總庫容2.4×108m3，主要為里畈、青山、水濤莊、四嶺、對河口、老虎潭[5]；流域中游有7個滯洪區(qū)，總庫容2.9 ×108m3，自上而下為南湖、北湖兩個滯洪區(qū)以及七里、永建、潘板、張堰、澄清5個非常滯洪區(qū)[5]；東苕溪右岸堤防防洪標準為100年一遇，主要為西險大塘和導(dǎo)流東大堤，左岸堤防防洪標準為10～20年一遇，導(dǎo)流東大堤右岸已建4座分洪閘用于東泄分洪控制導(dǎo)流入湖，自上而下依次為德清、洛舍、鲇魚口、菁山分洪閘。

東苕溪流域防洪調(diào)控標準為：當流域遭遇的洪水為5年一遇時，北湖分洪閘開閘，北湖滯洪區(qū)滯洪；遭遇10年一遇洪水時，南湖分洪閘開閘，南湖滯洪區(qū)滯洪；遭遇20年一遇及以上洪水時，非常滯洪區(qū)七里、永建、潘板、張堰、澄清根據(jù)西險大塘運行情況和洪水情勢適時分級啟用緊急分洪[5]。

2.3 規(guī)劃防洪體系

根據(jù)《東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整專項規(guī)劃》，擬近期先行實施滯洪區(qū)調(diào)整工程，包括永建滯洪區(qū)連通工程、永建滯洪區(qū)分區(qū)隔堤工程、新建新陡門分洪閘工程3項工程措施。2020年汛期前永建滯洪區(qū)連通工程已完工；2022年3月新建新陡門分洪閘工程已進場施工，計劃2023年完工；永建滯洪區(qū)分區(qū)隔堤工程正在進行前期工作，計劃2023年完工。

依據(jù)《杭嘉湖區(qū)域水利綜合規(guī)劃》《東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整專項規(guī)劃》《杭州城西科創(chuàng)大走廊水利綜合規(guī)劃》等規(guī)劃成果，對里畈水庫實施加高擴容，將防洪庫容增至約2.8×107m3，進一步增加?xùn)|苕溪流域上蓄能力，提高區(qū)域防洪能力，目前該項目正在開展前期工作。里畈水庫是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉、發(fā)電等綜合功能的中型水庫，壩高72 m，水庫總庫容2.094×107m3。依據(jù)《東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整專項規(guī)劃》，對青山水庫實施防洪能力提升工程，使水庫在汛限水位23.16 m時具備500 m3/s的泄洪能力，目前正在施工。

3 水利計算方法

3.1 研究的對象及范圍

研究對象為西險大塘，自南湖分洪閘起至德清大閘止，全長44.6 km，主要研究范圍為東苕溪德清以上區(qū)域，集水面積約1 588 km2。根據(jù)水文水利計算需要，分析范圍拓展至苕溪流域，并兼顧杭嘉湖東部平原。

3.2 計算原理

本次計算范圍屬山區(qū)和平原交互的流域，河道四通八達，內(nèi)河中的水位與流量隨流域降雨徑流的變化而變化，為了能客觀反映河網(wǎng)水系與工程設(shè)施相互連接的防洪體系，并全面、真實地模擬洪水演進變化過程，采用河網(wǎng)非恒定流方法進行流域防洪水利計算。工程區(qū)域采用MIKE11軟件建立河網(wǎng)水動力模型。

MIKE11水動力計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。

一維水動力模型的控制方程組(Saint-Venant方程組)為

(1)

(2)

式中：B為水面寬，m；z為水位，m；t為時間，s;Q為流量，m3/s；s代表距水道某固定斷面沿流程的距離，m;q為單位河長旁側(cè)流量，m2/s；v為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；F為過水斷面面積，m2；K為單位過水斷面面積的流量模數(shù)，m/s。

3.3 河網(wǎng)概化

采用MIKE11軟件建立河網(wǎng)水動力模型，共選取31條主要河道作為概化河網(wǎng)，其中東苕溪流域選取干流(青山水庫壩址以下)，支流中苕溪(長樂以下)、北苕溪(潘板以下)、澄清港(李王堂以下)、余英溪(八都以下)、阜溪(山東弄以下，含橫港)、埭溪(埭溪鎮(zhèn)以下)，與東部平原銜接河道余杭塘河、崇化港、獐山港、老龍溪、長洛河、鲇魚口閘下河、菁山閘下河、吳沈門閘下河、頔塘；西苕溪選取了干流(長潭以下)，支流滸溪(范潭以下)、遞溪(芝里以下)、西港溪(新港口以下)、曉墅港,以及與長興平原銜接河道泥橋港、楊家浦港、泗安塘、呂山港；尾閭河道選取了旄兒港、龍溪港、環(huán)城河、機坊港、小梅港、長兜港。共計概化計算斷面1 172個，基本采用2013—2017年的實測斷面成果，部分支流無實測資料，由水域調(diào)查數(shù)據(jù)、規(guī)劃調(diào)查數(shù)據(jù)補充替代。水利計算概化圖詳見圖1。

圖1 苕溪流域水利計算模型概化圖

3.4 邊界條件

模型上邊界概化了9個流量邊界，青山水庫、長樂、潘板、彭公、八都、埭溪、長潭、滸溪、芝里，下邊界概化了15個水位邊界，余杭閘、化灣閘、上牽埠閘、德清大閘、洛舍閘、鲇魚口閘、菁山閘、吳沈門閘、湖州船閘、小溪口閘、胥倉橋閘、塘口、呂山、長兜港口、小梅口。同時，概化了29個獨立小流域洪水入流，東苕溪包括江家灣、老虎山、汪家埠、丁橋、石門橋、坑門、照山、環(huán)橋頭上柏、莫梁山、阜溪、東山、小羊山、菁山河、青水河、吳沈門15個，西苕溪包括塘浦、大溪、石馬溪、銅山港、江渚渡、紫溪、馬家渡、西港溪、定勝河、渾泥港、昆銅港、青山港、和平港、潘店港14個。

流域上游已建防洪控制水庫的，調(diào)洪演算采用已批準的水庫調(diào)度原則進行，流量邊界采用水庫下泄過程進行計算；未建水庫的計算流量邊界以水文分析設(shè)計洪水過程線進行計算[6]。流域下游水位邊界與已批復(fù)的《杭嘉湖區(qū)域水利綜合規(guī)劃》成果一致。

3.5 下 墊 面

苕溪沿線均建有圩區(qū)，模型中以概湖形式加以概化，其概化的范圍、排澇規(guī)模、閘站位置、調(diào)蓄容積曲線、啟用條件等均按照現(xiàn)狀圩區(qū)的實際情況設(shè)定。圩區(qū)內(nèi)部的不同地類組成、地面高程值等參數(shù)，以最新實測地形圖進行分析測算。

3.6 模型的建立

1) 上邊界均采用流量邊界，涉及骨干防洪水庫的經(jīng)水庫調(diào)洪計算后與區(qū)間天然洪水疊加作為上邊界；下邊界均采用水位邊界，成果與流域規(guī)劃保持一致。

2) 控制性分洪閘(導(dǎo)流六閘、胥倉橋閘等)根據(jù)最新批復(fù)的控制運用計劃進行模型參數(shù)設(shè)定，包括啟用水位、控制斷面、分洪規(guī)模、停用水位等。

3) 蓄滯洪區(qū)以概湖形式加以概化，設(shè)有相應(yīng)的調(diào)蓄庫容和口門建筑物。依據(jù)批復(fù)實施的流域洪水調(diào)度方案和相關(guān)設(shè)計文件，設(shè)定蓄滯洪區(qū)的建筑物規(guī)模，分滯洪控制條件等。

4) 苕溪沿線圩區(qū)以概湖形式加以概化，設(shè)有相應(yīng)的調(diào)蓄庫容和口門建筑物[7]。依據(jù)新一輪杭嘉湖地區(qū)防洪能力調(diào)查成果，分析圩區(qū)下墊面情況，設(shè)定排澇閘泵的建筑物規(guī)模、啟停排水位等參數(shù)。

5) 根據(jù)干流沿線實測斷面的堤頂高程數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，合理設(shè)置漫堤堤段和易潰口堤段。

3.7 模型的驗證

驗證洪水分別采用2013年發(fā)生的“菲特”臺風[8]和2019年發(fā)生的“0713”梅雨，并考慮驗證年份實際工況(包括分洪閘、蓄滯洪區(qū)運用等重要水利工程調(diào)度，干流沿線漫堤、管涌等重大險情)及下墊面條件。驗證結(jié)果如表1和表2所示。

表1 東苕溪流域洪水驗證計算水位成果表(2013年“菲特”臺風)

表2 東苕溪流域洪水驗證計算成果表(2019年“0713”梅雨)

從表1,表2得出，模擬計算最高值與實測值基本吻合(誤差控制在0.06 m以下)，水利計算模型概化及擬定的參數(shù)相對合理，可用于防洪水利計算。

4 防洪水位研究

以西險大塘現(xiàn)狀防洪格局為基礎(chǔ)，計算得出現(xiàn)狀主要水文站點汪家埠、余杭站、鐵路橋、瓶窯站、德清大閘的水位值，再采用單因子法分析東苕溪中上游滯洪區(qū)、里畈水庫與青山水庫調(diào)整后與現(xiàn)狀水位值的差，從而得出各規(guī)劃新建工程對西險大塘防洪目標水位的影響。在此基礎(chǔ)上，分析近期新建項目(組合規(guī)劃工況)發(fā)揮防洪效益后西險大塘防洪水位目標值，為西險大塘達標加固工程提供數(shù)據(jù)支撐。

4.1 現(xiàn)狀防洪格局水位分析

以現(xiàn)狀防洪體系為基礎(chǔ)，依據(jù)現(xiàn)有骨干防洪工程洪水調(diào)度原則及方式，利用建立的水利計算模型，計算得出現(xiàn)狀工況下東苕溪各頻率洪水位成果，詳見表3。

表3 東苕溪現(xiàn)狀工況各頻率水位成果表

4.2 采用單因子法分析各項規(guī)劃工程措施對水位的影響

4.2.1 東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整后的水利計算

東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整工程含永建滯洪區(qū)連通、永建滯洪區(qū)分區(qū)隔堤、新陡門分洪閘3個子項，其調(diào)整前后水利計算成果見表4。

表4 東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整前后水利計算成果表

從計算結(jié)果看，與現(xiàn)狀工況相比，在流域遭遇200年一遇洪水時，余杭站和鐵路橋水位分別降低了0.19 m,0.55 m，瓶窯站以下水位基本無變化。

4.2.2 里畈水庫與青山水庫調(diào)整后水利計算

以東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整工程為基準工況，里畈水庫與青山水庫工程對西險大塘水位影響的水利計算分析如表5。從水利計算成果看，東苕溪流域遭遇200年一遇洪水時，里畈水庫擴容對余杭站以上河段最高洪水位降低有一定效果，汪家埠水位最大降低2.09 m，余杭站水位最大降低0.15 m，瓶窯站水位則無變化。青山水庫前期下泄能力增加，對降低干流洪水位的效果并不顯著，汪家埠水位最大降低0.05 m，余杭站水位最大降低0.03 m，瓶窯站水位則無變化。

表5 規(guī)劃的水利工程措施水利計算成果表

4.3 組合規(guī)劃工程措施工況對水位的影響分析

在東苕溪中上游滯洪區(qū)調(diào)整工程、里畈水庫加高擴容工程與青山水庫防洪能力提升全部發(fā)揮防洪效益工況下，考慮西險大塘200年一遇防洪水位的安全性和代表性，分析采用1963年型(臺風)、1984年型(梅雨)、1999年型(梅雨)、2013年型(臺風)四套流域典型洪水設(shè)計成果進行相應(yīng)計算分析，并取最高洪水位外包值作為西險大塘防洪目標水位(200年一遇標準)。水利計算成果、水量平衡分析成果詳見表6～表7及圖2。

表6 西險大塘主要控制斷面防洪目標水位 單位：m

表7 水量計算成果值

圖2 青山水庫洪水調(diào)度過程(0.5%)

根據(jù)最高洪水位計算成果分析可知，里畈水庫加高擴容及青山水庫防洪能力提升等工程措施為青山水庫洪水調(diào)度優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件，而青山水庫的洪水調(diào)度很大程度上決定了西險大塘防洪目標水位的確定。新的防洪格局下西險大塘重要控制站點余杭站(樁號2.7k)及瓶窯站(樁號19.4k)的防洪目標水位(200年一遇)為9.95 m,8.92 m，分別較現(xiàn)狀百年一遇設(shè)計水位抬高約0.16 m,0.64 m。

5 結(jié) 論

通過單因子計算分析得出：在流域設(shè)計洪水條件下，調(diào)整優(yōu)化東苕溪中上游滯洪區(qū)布局及調(diào)控方式，加高擴容里畈水庫，提升青山水庫防洪能力等工程措施，在流域遭遇200年一遇洪水時，西險大塘水位均得到有效地降低;在規(guī)劃工程全部發(fā)揮防洪效益的工況下，余杭站、瓶窯站200年一遇水位分別為9.95 m,8.92 m，為東苕溪防洪后續(xù)西險大塘達標加固工程提供數(shù)據(jù)支撐。