太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原回水影響及應(yīng)對

陳竽舟，曹升起

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原回水影響及應(yīng)對

陳竽舟，曹升起

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

太湖是長興平原洪澇水唯一承泄區(qū)，太湖水位變化直接影響長興平原行洪除澇能力.長興平原洪澇災(zāi)害系水文、地質(zhì)、人類多重因素影響而成.通過梳理太湖防洪設(shè)計(jì)水位變化過程，分析回水影響，建議對骨干泄洪入湖通道開展綜合整治，通過行洪斷面擴(kuò)大、兩岸堤防加高加固，支汊河道建閘控制等工程措施，形成防洪閉合圈，使長興平原達(dá)到防御太湖百年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn).

太湖；防洪設(shè)計(jì)水位；回水影響；防洪

太湖是流域河湖水系中最大的水體，是流域洪水和水資源的調(diào)蓄中心，是沿湖城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)保障.環(huán)湖大堤是沿湖平原地區(qū)的重要防洪屏障，是太湖洪水安全蓄泄的關(guān)鍵.依據(jù)“西敞東控”的布局原則，環(huán)湖大堤分別以直湖港口(北)、長兜港口(南)為界，分為“西段”和“東段”，長興平原所處的“西段”入湖口門基本敞開.近年來，長興平原泄洪、除澇受太湖高水位頂托影響明顯，2016年入汛以來，太湖流域累積面平均降雨量較常年同期偏多4成，太湖水位不斷攀升至歷史次高值，致使長興平原發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害.太湖是長興平原洪澇水的唯一承泄區(qū)，太湖水位變化與長興平原防洪除澇能力密切相關(guān)[1].本文通過分析太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原的回水影響，初步研究提出應(yīng)對措施，完善長興平原防洪減災(zāi)體系.

1 長興平原洪澇災(zāi)害成因

1.1 水文氣象因素

長興平原屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)明顯，由于地理位置所致，地區(qū)洪澇災(zāi)害呈現(xiàn)梅雨型和臺(tái)風(fēng)型洪澇災(zāi)害特征，其中尤以梅雨型洪澇災(zāi)害明顯.鋒面雨常在本區(qū)域上空停留而形成強(qiáng)度較大的梅雨暴雨，籠罩范圍廣，降雨集中，洪峰流量大，歷時(shí)長，容易遭遇連續(xù)幾次降雨過程，常造成流域性洪災(zāi).建國以來的1957年、1984年、1999年以及2016年6～7月發(fā)生的洪澇災(zāi)害均為典型的梅雨型[2].

每年的7月底至10月初，天熱雨少蒸發(fā)大，常出現(xiàn)伏旱，也是臺(tái)風(fēng)集中時(shí)期，臺(tái)風(fēng)經(jīng)沿海登陸浙北地區(qū)后，受天目山阻擋抬升，暴雨中心集中于天目山一帶，受臺(tái)風(fēng)外圍影響帶來的強(qiáng)風(fēng)暴雨，也極易引發(fā)洪澇災(zāi)害，2000年以后發(fā)生的“羅莎”、“莫拉克”、“海葵”、“菲特”等臺(tái)風(fēng)[3]，對長興平原同樣造成了較大損失.

1.2 地形地貌因素

長興平原山地多、平原少，山區(qū)面積約占區(qū)域總面積的60%，已建大中型水庫控制了約43%的集雨面積，其他山區(qū)受地形地貌所限，缺乏控制性工程.山峰高程大多在300～500 m，河道上游縱坡陡，源短流急，暴雨時(shí)洪水迅速匯集，形成洪峰，宣泄而下.進(jìn)入平原后，又受制于平緩的河道縱坡，較小的過流斷面，行洪能力無法滿足設(shè)防要求.而梅雨期間，下邊界受太湖高水位頂托，致使洪水外排能力減弱，高水位持續(xù)時(shí)間延長.此外，區(qū)域南側(cè)又受西苕溪洪水侵襲，造成河道洪水位迅速抬高.瀕臨太湖區(qū)塊地勢低洼，現(xiàn)狀田面高程在1.7 m(85高程，下同)左右，局部低于1.2 m，現(xiàn)有圩堤高程不足，堤身單薄，排澇動(dòng)力欠缺，在持續(xù)高水位運(yùn)行下，易發(fā)生倒堤破圩、淹沒農(nóng)田村莊等險(xiǎn)情.

1.3 人類活動(dòng)因素

隨著城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進(jìn)程推進(jìn)，不透水地面面積不斷增大，使區(qū)域調(diào)蓄能力減弱[4]，降雨匯水速度加快，不可避免地加重了防洪除澇壓力.隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，規(guī)劃建設(shè)用地規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，然而城鎮(zhèn)防洪體系建設(shè)普遍滯后于城鎮(zhèn)建設(shè)，大量新建城鎮(zhèn)區(qū)塊沒有防洪工程保護(hù)，易受洪澇水襲擊.再者非法占用河道水域等情況時(shí)有發(fā)生，建設(shè)項(xiàng)目水域補(bǔ)償工程實(shí)施情況并不樂觀，進(jìn)一步增加了區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn).

圩區(qū)一直是長興平原低洼區(qū)防洪除澇的有效措施，擴(kuò)大圩區(qū)規(guī)?？梢钥s短防洪堤線，減輕區(qū)域防洪壓力.但圩區(qū)整治是把雙刃劍，圩區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，勢必將一部分圩外河道成為圩內(nèi)水面，使圩外可調(diào)蓄容積相應(yīng)減少；同時(shí)圩內(nèi)城鎮(zhèn)化建設(shè)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，對圩區(qū)排澇能力提出了更高的要求，圩區(qū)外排能力的增加使得同等暴雨條件下圩外河道洪水位增高，加大了圩外河道的行洪壓力[5].

2 太湖防洪設(shè)計(jì)水位

新中國成立后，中央和地方十分重視太湖流域治理，進(jìn)行了大量的水利基本建設(shè)，取得了顯著成效，為保障太湖流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展發(fā)揮了重要作用.隨著沿湖城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水雨工情的不斷變化，太湖防洪設(shè)計(jì)水位在治太過程也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整.

1987年由原國家計(jì)委批復(fù)的《太湖流域綜合治理總體規(guī)劃方案》(以下簡稱《總體規(guī)劃方案》)對治理標(biāo)準(zhǔn)的闡述為：“選用1954年5～7月降雨過程作為確定流域性骨干工程規(guī)模的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其頻率約為50年一遇”，流域平均雨量合計(jì)為890.8 mm.根據(jù)《總體規(guī)劃方案》對設(shè)計(jì)典型年洪澇水的安排，流域洪澇水經(jīng)太湖容蓄，并擴(kuò)大外排能力后，控制太湖最高水位為2.82 m(吳淞4.66 m).

在《總體規(guī)劃方案》實(shí)施過程中，流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)同步高速發(fā)展，對防洪的要求不斷提高；同時(shí)，流域下墊面及水雨工情也發(fā)生了較大變化.20世紀(jì)90年代以來，太湖流域連續(xù)發(fā)生了多次較大洪澇災(zāi)害，特別是1991年和1999年的兩場流域洪水，與1954 年降雨相比，對流域防洪更為不利.為此，流域管理局組織編制了《太湖流域防洪規(guī)劃》(以下簡稱《防洪規(guī)劃》)，并于2008年由國務(wù)院批復(fù)實(shí)施.

《防洪規(guī)劃》確定的防洪建設(shè)目標(biāo)為：“近期流域能防御不同降雨典型的50年一遇洪水，重點(diǎn)工程建設(shè)與防御流域100年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn)相銜接”.遠(yuǎn)期“使流域達(dá)到防御不同降雨典型100年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)；遇1999年實(shí)況洪水，能確保流域重點(diǎn)保護(hù)對象防洪安全”.其中50年一遇，全流域90 d降雨量為908.1 mm；100年一遇，全流域90 d降雨量為975.1 mm.鑒于不利降雨典型出現(xiàn)和防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高，太湖防洪設(shè)計(jì)水位繼續(xù)維持2.82 m較難實(shí)現(xiàn)，因此，《防洪規(guī)劃》確定太湖防洪設(shè)計(jì)水位抬高至2.96 m(吳淞4.8 m).

3 回水影響分析

3.1 擬定分析方案

太湖防洪設(shè)計(jì)水位的抬高使本就受太湖回水影響的長興平原防洪壓力進(jìn)一步增加.為分析太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原回水影響范圍及影響程度，采用控制變量法，分別擬定以下兩種分析方案.

本底方案：長興平原防洪除澇不受太湖防洪設(shè)計(jì)水位影響.即在長興平原出現(xiàn)5年一遇降雨時(shí)，下邊界遭遇太湖常水位的方案.根據(jù)2000年至今太湖(選用夾浦站作為長興段代表站)年均水位統(tǒng)計(jì)，多年平均水位約為1.4 m，故以此作為本方案的下邊界水位.

對比方案：長興平原防洪除澇受太湖防洪設(shè)計(jì)水位影響.即在長興平原出現(xiàn)5年一遇降雨時(shí)，下邊界遭遇的太湖水位過程峰值為防洪設(shè)計(jì)水位.太湖湖區(qū)100年一遇防洪設(shè)計(jì)水位為2.96 m，考慮到長興段太湖沿岸洪水位高于太湖湖區(qū)平均水位的因素，同時(shí)結(jié)合已建工程，長興段太湖防洪設(shè)計(jì)水位采用3.1 m，故以此作為本方案的下邊界水位峰值.

3.2 計(jì)算分析方法

天然河道回水曲線一般根據(jù)河流的水文、地形和縱橫斷面等因素，采用分段計(jì)算的方法推求[6].考慮到長興平原河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，平原圩區(qū)遍布，受山水和太湖雙重影響，彼此間水量交換頻繁，水文情勢十分復(fù)雜.因此本文通過建立水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型開展相關(guān)分析工作.

水力計(jì)算方法采用河網(wǎng)非恒定流方法[7]，其基本方程為圣維南明渠非恒定流偏微分方程組(見式(1)、式(2))，用隱式差分法化為差分方程，再與邊界條件及初始條件構(gòu)成非線性方程組，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.模型計(jì)算考慮山區(qū)河流、平原漫灘以及堰、閘、泵等工程對洪流演進(jìn)的影響，逐時(shí)計(jì)算河網(wǎng)的洪水過程.

(1)

(2)

式中：Z—某一時(shí)刻t及在某一空間位置S斷面的水位；

Q—某一時(shí)刻t及在某一空間位置S斷面的流量；

F—某一時(shí)刻t及在某一空間位置S斷面的相應(yīng)過水?dāng)嗝娣e；

υ—某一時(shí)刻t及在某一空間位置S斷面的斷面平均流速；

K—某一時(shí)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)入流量.

根據(jù)長興平原河流水系分布，計(jì)算模型共概化骨干排水河道150多條，計(jì)算河道斷面802個(gè)，概化河汊129個(gè)，閘汊51個(gè)，集中入流37個(gè)，流量邊界18個(gè)，水位邊界13個(gè)，概化湖泊114個(gè).與河網(wǎng)相連通的大小湖蕩，通過河汊調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)加以概化.圩區(qū)等概化為湖泊，概化湖泊和排水河道之間根據(jù)實(shí)際情況，采用排水閘、排水泵站、堰三種形式連接.模型上邊界入流采用流量過程，下邊界采用水位過程.

3.3 回水影響分析

鑒于長興平原現(xiàn)有橫山港、楊家浦港、長興港、合溪新港、沉瀆港、夾浦港、常豐澗等多條骨干入湖河道，其回水影響情況大同小異.限于篇幅，本文以長興港為例，對上述兩個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算分析.

(1)對洪水位影響

根據(jù)模型計(jì)算成果，長興平原在5年一遇降雨條件下，太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原的回水影響可一直上溯至泗安水庫壩下，且無明顯水位尖滅點(diǎn).由此初步判斷，太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原的回水影響涉及整個(gè)平原河網(wǎng)地區(qū).通過繪制長興港沿程水面線(見圖1)可以看到，太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原的回水影響程度有所不同.兩個(gè)方案的水面線在楊灣節(jié)點(diǎn)有明顯差異，其中楊灣至太湖口河段受太湖防洪設(shè)計(jì)水位影響較大，為太湖洪水控制河段；而楊灣以上，影響則逐步減弱，為長興平原本地洪水控制河段.受回水影響程度較大的河段自太湖口往長興平原內(nèi)部延伸約7.2 km.

(2)對洪峰流量影響

洪峰流量方面，長興平原防洪除澇受太湖防洪設(shè)計(jì)水位影響的方案，其長興、楊灣、太湖口三個(gè)特征點(diǎn)的洪峰流量分別較不受影響方案下降4.9%、17.4%、23.0%；洪量方面，在受太湖防洪設(shè)計(jì)水位影響情況下，太湖口的七日入湖洪量較不受影響方案削減52.8%，減少的洪量將大部分滯蓄在平原低洼區(qū)塊.

(3)對已建工程影響

長興平原現(xiàn)有防洪工程可大致分為城防和農(nóng)防兩部分，其中城防工程主要采用地面抬高形式，將建城區(qū)地面高程控制在50年一遇洪水位以上，部分老城區(qū)則采用圍圩筑堤形式，提高防洪能力.經(jīng)水力計(jì)算，現(xiàn)狀工況長興平原在50年一遇降雨條件下，若遭遇太湖防洪設(shè)計(jì)水位3.1 m，長興站的洪水位在平原圩區(qū)已大范圍滯蓄的情況下，仍將達(dá)到3.8 m，逼近城防控制的地面高程，主城區(qū)內(nèi)局部低洼區(qū)塊將受淹，城市排水系統(tǒng)也將受制于外港的高水位，排澇能力銳減.

圖1 長興港不同方案沿程水面線

農(nóng)防工程主要依靠圩區(qū)來抵御外部洪水的侵襲.據(jù)統(tǒng)計(jì)，長興平原現(xiàn)有圩區(qū)229片，總面積約460 km2，其中洪橋鎮(zhèn)、太湖街道、夾浦鎮(zhèn)等濱湖區(qū)的圩堤平均高程在3.5 m左右，部分圩堤高程低至2.5 m，圩堤的平均寬度約2.0 m，最小寬度不足1.0 m.長興平原在20年一遇降雨條件下，若遭遇太湖防洪設(shè)計(jì)水位3.1 m，現(xiàn)狀圩區(qū)的圩堤高程在扣除安全超高(0.6 m)后，約有60%的圩堤達(dá)不到設(shè)防要求；此外，外港超警戒水位的持續(xù)時(shí)間也將相應(yīng)延長，由此會(huì)帶來圩堤決堤風(fēng)險(xiǎn)升高、內(nèi)澇加劇、機(jī)排時(shí)間延長，受災(zāi)程度及運(yùn)行成本相應(yīng)增加等影響.

4 應(yīng)對措施研究

依據(jù)已有的流域(區(qū)域)規(guī)劃，長興平原防洪治理貫徹“上攔、中固、下疏、外擋”的總體布局：“上攔”部分，定期對域內(nèi)大中小型水庫開展安全鑒定工作，并依據(jù)鑒定結(jié)果開展水庫除險(xiǎn)加固，控制山水有序下泄；“中固”部分，根據(jù)“嵌套設(shè)防、分級控制”的總體布局，因地制宜的實(shí)施圩區(qū)整治工程，通過加高加固圩堤、改擴(kuò)建水閘、更新改造排澇泵站、梳理溝通內(nèi)部河網(wǎng)，提高平原腹地的防洪除澇能力;“下疏”部分，統(tǒng)籌區(qū)域防洪減災(zāi)、水資源配置、水環(huán)境改善、航運(yùn)能力提升等綜合利用需求，開展相應(yīng)的河道綜合整治工程，通過拓浚河道、加高加固堤防，提高行洪過流能力，快速導(dǎo)引區(qū)域洪澇水入太湖；“外擋”部分，依據(jù)流域規(guī)劃確定的百年一遇堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合環(huán)湖大堤現(xiàn)狀及存在問題，實(shí)施環(huán)湖大堤長興段加高加固工程[8].

按照環(huán)湖大堤“西敞東控”布局原則，長興平原骨干入湖河道口門基本處于敞開狀態(tài)，屬太湖湖區(qū)的一部分，受太湖回水頂托，普遍存在行洪不暢、底泥淤積、兩岸堤防標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)等問題.因此，“外擋”工程在環(huán)湖大堤加高加固的基礎(chǔ)上，亟需結(jié)合骨干入湖河道綜合整治，興建必要的回水堤工程，才能有效緩減太湖防洪設(shè)計(jì)水位對長興平原的回水影響.結(jié)合已有規(guī)劃成果，建議長興平原保留楊家浦港、長興港、合溪新港、沉瀆港、夾浦港、常豐澗6 條骨干泄洪入湖通道，根據(jù)上文所述的回水影響分析方法，相應(yīng)確定各入湖通道受太湖洪水控制的回水河段.有針對性的開展河道拓浚、底泥清淤、回水堤建設(shè)等工程措施.同時(shí)，對骨干泄洪入湖通道以外的溝通輸水河道，通過新建閘、泵等交叉建筑物，實(shí)行全封閉控制.從而形成防洪閉合圈，使長興平原達(dá)到防御太湖百年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn).

5 結(jié) 論

隨著環(huán)湖大堤后續(xù)工程的不斷推進(jìn)，太湖對水資源調(diào)配、水環(huán)境改善的條件將進(jìn)一步優(yōu)化，未來太湖高水位運(yùn)行頻次也將逐步增加.處于太湖湖區(qū)的長興平原，受太湖防洪設(shè)計(jì)水位回水影響較大.以長興港為例，入湖段(楊灣～太湖口)約7.2 km河段受太湖洪水控制，亟需采取有效應(yīng)對措施.結(jié)合已有規(guī)劃成果，本文建議對骨干泄洪入湖通道開展綜合整治，通過行洪斷面擴(kuò)大、兩岸堤防加高加固，支汊河道建閘控制等工程措施，形成防洪閉合圈，使長興平原達(dá)到防御太湖百年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn).

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InfluenceandCountermeasuresofDesignLevelforTaihuLakeFloodControlonBackwaterinChangxingPlain

CHEN Yu-zhou, CAO Sheng-qi

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hangzhou 310002, China)

Taihu Lake is the only drainage area in Changxing Plain. The changes of Taihu water level directly affect the control capacity of flood and water logging in Changxing Plain. The flood disaster in Changxing Plain is caused by multiple factors, such as hydrology, geology and human beings as well. By analyzing the causes of flood disaster in Changxing Plain, the changes of design level for flood control in Taihu Lake, and the relevant backwater effect, the comprehensive treatments are suggested in backbone discharge channel by enlarging flood draining section, heightening and strengthening the embankment and constructing controlled gate in tributaries, so as to form a closed circle, enabling Changxing Plain to obtain the resisting standard of “hundred-year flood”.

Taihu Lake; design level for flood control; backwater effect; flood control

2016-10-17

陳竽舟(1983-)，男，浙江舟山人，工程師，主要從事水利規(guī)劃工作.

TV87

A

1008-536X(2016)12-0038-05