感潮河口平原防洪排涝的探索——以浙江省某河口为例

章哲恺,汤丽慧,陈志刚,郑雄伟

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

我国海岸线总长3.2万km,其中大陆海岸线长1.8万km,位居世界第四位。大陆海岸线北部起于鸭绿江口,南部终于北仑河口,其间河口、港湾不计其数,自江苏以南为台风的主要影响区域,西南、东南及华东沿海一带,经常出现由于河口排涝不畅造成的洪涝灾害,给当地人民生命财产带来了巨大的损失[1-2]。常见的河口防洪排涝工程措施分为排洪措施和蓄洪措施2类,其中排洪措施包括加大排涝口门、拓宽行洪河道、新建排涝泵站等,蓄洪措施包括利用水库调蓄、增大调蓄水域面积等[3-4]。独流入海河流由于沿海地区多为低山丘陵,较难具备大中型水库的建库条件,加上区域经济发展相对较快,用水需求较大,单纯的防洪水库并不多见,而综合利用水库中防洪库容比例不大;沿海地区土地资源稀缺,行洪河道的拓宽和调蓄水面的拓广空间也十分有限;增加排涝口门净宽在一定程度上可以缓解洪水压力,但很难从根本上解决问题;新建排涝泵站也是常见的工程措施,但其建设及管理费用巨大,使用时间较短,从经济性来说难以体现其优势。因此,本文提出在充分发掘现有防洪排涝能力的基础上,应以调蓄为主要手段[5],将挡潮闸外移,利用挡潮闸下游河道水面增加调蓄容积,改善河口防洪排涝条件,并将其作为一种解决类似感潮河口平原防洪排涝问题的思路和建议。

YQ市位于浙江省东南沿海,芙蓉池是市内最大的淡水湖,池水秀丽,青山环抱,是该市规划的重点旅游区。目前芙蓉池通过新塘闸、小芙闸、大芙闸3座闸门与感潮河道清江相连,芙蓉池上游支流主要有大芙河、小芙河等7条溪流,现状3座闸门闸址以上集雨面积约134.3 km2。河口地形及现状工程位置示意见图1。

该区域排涝存在如下问题:①上游是浙江省的台风暴雨中心,流域面积大,河源短,坡降大,缺乏防洪控制性工程;②台风暴雨期洪水汇流时间短,上游山洪短时间内汇聚到平原水系,“芙蓉池”受下游潮位顶托,洪潮集中造成洪灾;③芙蓉池所在平原区域面积为11 km2,不足区域集雨面积134 km2的1/10,芙蓉池水面积2.8 km2,滞洪能力有限,现状虽有3座排涝闸,但总净宽偏小,排涝能力无法满足要求。

图1 河口示意图

现状条件下,平原区20 a一遇洪水位为4.11m,而芙蓉池周边区域陆地高程在0.50～1.50m,地势较低,防洪排涝能力严重不足。提高该区域的防洪排涝标准途径,一是填高地面,二是降低洪 (涝)水位。根据周边现状建筑物地坪高程情况,相关部门提出了控制芙蓉池20 a一遇洪水位不超过3m的治理目标。

2 防洪排涝工程分类

2.1 排洪措施

上游河道拓宽及沟通内部水系:黄金溪芙蓉溪汇合口下游河道及芙蓉池北部汇水河道偏窄,导致行洪不畅,对上述河道进行拓宽;扩建闸门及新建泵站:排涝口门净宽不足,通过扩建闸门并考虑新建泵站的可能性,提高排洪能力。

2.2 蓄洪措施

上游水库调蓄:根据《浙能乐清电厂配套水源雁湖水库工程初步设计》,芙蓉池上游将会建设雁湖水库,同时流域北侧筋竹涧筋竹村上游1 km处,也具备建设小型水库的条件。

清江河道调蓄:由于现状条件下芙蓉池平原区调蓄能力严重不足,洪水期水位居高不下,因此考虑将挡潮闸外移至蔡岙塘处,可增加清江河道调蓄面积约3.6 km2。

3 计算模型

3.1 数学模型

水利计算采用圣维南明渠非恒定流偏微分方程组,其方程为:

式中:Z、Q、F、V和K分别表示某一时刻t在某空间位置x断面的水位(m)、流量(m3/s)、相应过水断面积(m2)、断面平均流速(m/s)和流量模数;q为单位河长旁侧入流量(m3/s◦m)。本模型考虑了堰、闸、阻水桥梁,以及区间水量交换等,能适用于本段河道洪流演进的定量分析计算,得出河道各特征断面水位和流量的过程。

计算方法为用隐式差分法化为差分方程,再与河汊方程、闸汊方程、边界条件及初始条件构成一大型非线性方程组,采用牛顿迭代及高斯列主元消去法求解,从而得出各计算断面的水位和流量过程。计算中分别考虑规划水工程的工况,求出流域内不同工况的各特征断面的水位及流量变化过程,为工程效果分析及工程规模的拟定提供定量的科学依据。

3.2 河道概化

根据研究区域的现状及相关规划所确定的河道布局,本次水利计算概化为40个内河段,71个计算断面,2个概化湖泊,8个边界,9个闸汊,9个河汊。其中下边界为水位 (潮位)边界,采取平均偏不利潮型;上边界为流量边界。河道概化见图2。

图2 水力计算概化图

4 各种工程措施的效果分析比较

4.1 优先实施措施效果分析

根据流域及区域防洪工程实施的近期安排,可优先实施的工程措施包括排洪措施中的新塘闸扩建 (至5孔×5 m)、上游河道拓宽和蓄洪措施中的雁湖水库防洪 (防洪库容250万m3)。

经计算,采取上述排蓄结合措施后,芙蓉池20 a一遇水位可降至3.84 m,远不能满足防洪标准控制要求,在此基础上采取加强排洪和蓄洪措施解决芙蓉池防洪问题。

4.2 加强工程措施的效果分析

4.2.1 加强以排为主工程措施的效果分析

4.2.1.1 大芙闸扩建效果

考虑在扩建新塘闸的基础上,继续扩建其余2座闸门中排水条件相对较优的大芙闸。大芙闸扩建防洪排涝效果见图3。

可见,增加大芙闸净宽具有一定的排涝效果,当大芙闸净宽增大到75m后,再扩闸对降低水位效果则变得不明显。河口大闸不外移条件下,推荐大芙闸采用15孔×5m,净宽75m,此时芙蓉池20 a一遇水位可降至3.67m。

4.2.1.2 筋竹涧水库防洪效果

初定筋竹涧水库防洪库容250万m3,参与防洪后,可进一步降低芙蓉池水位至3.54m,与20 a一遇的控制水位要求尚有较大差距。

图3 大芙闸扩建防洪排涝效果图

4.2.1.3 大芙闸泵站效果

根据排涝条件,考虑在上述工程基础上设置大芙闸排涝泵站,排涝效果见图4。

图4 大芙闸扩建防洪排涝效果图

当泵站规模接近500m3/s时,20 a一遇洪水位方能达到要求。由于泵站流量较大,投资巨大,且需要设置供电专线,就近远期来说,配套都难以跟上,加上泵站年利用小时数较少,从经济性角度考虑,此处采取泵站措施不可取。

可见,加强以排为主工程措施的防洪排涝效果十分有限,在排除新建强排泵站的可能性后,调蓄库容尚有约1 100万m3的缺口 (见图5)。

图5 防洪调蓄库容分布图 (以排为主时)单位:万m3

4.2.2 加强以蓄为主工程措施的效果分析

为了初步确定芙蓉池达到防洪目标所需的防洪调蓄容积,在4.1节所提到的优先实施的工程措施的基础上,按照20 a一遇规划目标水位3.0 m控制,假定芙蓉池调蓄容积进行计算,需要设置3 200万m3洪水调蓄容积。芙蓉池既有有效调蓄容积约1 600万m3(水位0～3m),已优先实施的雁湖水库可以提供约250万m3的防洪库容,还需增加调蓄容积约1 350m3。

4.2.2.1 大闸外移效果

挡潮闸外移至蔡岙塘处,可增加清江河道调蓄面积约3.6 km2,增加洪水调蓄容积约1 100万m3,将大大提高清江河口的调蓄能力。推荐的蔡岙塘大闸净宽100m。

经计算,在大闸外移配合已优先实施的工程措施情况下,芙蓉池20 a一遇水位降至3.11m,已较为接近防洪要求,此时可以通过新建上游筋竹涧水库进一步降低水位。

4.2.2.2 筋竹涧水库防洪效果

初定筋竹涧水库防洪库容250万m3。在大闸外移至蔡岙塘时,筋竹涧水库参与防洪,可使芙蓉池20 a一遇水位降低至2.97m,满足其防洪要求。此时,防洪调蓄库容分布见图6。

图6 防洪调蓄库容分布图(以蓄为主时)单位:万m3

可见,河口大闸外移增加清江河道调蓄后,总调蓄库容不足得到了弥补,区域防洪排涝得到了保障。

5 结 语

通过上述分析可以看到,采取排蓄结合、以蓄为主的工程措施,是提高河口调蓄库容的主要途径,可以有效地解决河口防洪排涝难题。

本文根据浙江省独流入海某河口的实际情况,提出外移河口大闸,充分利用下游河道水体增加调蓄容积,大大改善区域防洪排涝条件。此外,河口大闸外移后,既可以进行蓄淡,也可以配合潮汐电站进行发电,发挥工程综合效益,为解决我国沿海同类河口地区的防洪排涝问题提供了一种思路,具有一定的借鉴意义。

[1]李红.灌云县排涝入海口门演变及规划设想 [J].江苏水利,2006(2):13-14.

[2]柯红革,张莎.台州经济开发区滨海工业区块的排涝问题与治理对策[J].浙江水利水电专科学校学报,2007,19(3):37-38.

[3]陈华镜.垦区土地开发之排涝对策探讨 [J].黑龙江水利科技,2010(3):89-90.

[4]陈斌.福建省城市排涝对策研究 [J].城市道桥与防洪,2010(5):61-64.

[5]朱岳明,刘立军.从排涝角度论平原河网地区水域调蓄能力的重要性[J].浙江水利科技,2005(5):26-27.