俄羅斯圣彼得堡綜合防洪系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)綜述

[] I.V.

自俄羅斯圣彼得堡市防洪系統(tǒng)完工以來，在防洪方面發(fā)揮了基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用，已成功防止了13次洪災(zāi)的發(fā)生，體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)的合理性以及運(yùn)行的及時(shí)性。其中，2011年發(fā)生的一場洪水，考慮到其可能對市政設(shè)施造成的損害(很多具有歷史價(jià)值的古跡難以用金錢來衡量，此次洪水有可能造成的損失無法準(zhǔn)確量化)，被認(rèn)為是當(dāng)?shù)赜杏涊d以來的5次最嚴(yán)重的水災(zāi)之一。

1 圣彼得堡市歷史洪水

2011年是圣彼得堡市建城308周年。巧合的是，該市自1703年有記錄以來到2011年，也共遭受了308場洪水。在該地區(qū)，一場洪水通常會(huì)造成涅瓦(Neva)河三角洲水位的上升，超出波羅的海水位1.6 m以上。水位測量點(diǎn)位于圣彼得堡國立礦業(yè)大學(xué)附近。

圣彼得堡防洪系統(tǒng)總長25 km；共有11座土石壩；6個(gè)過流閘調(diào)節(jié)河道水流；1條寬200 m的主航道，可以通過兩個(gè)大型閘門啟閉；一條寬110 m的輔助航道，可使用1個(gè)垂直閘門啟閉；通航航道可通船至2扇閘門處；1條6車道公路，構(gòu)成圣彼得堡市環(huán)城公路的一部分；主航道下方有1條公路隧道；1座高架橋(吊橋)位于輔助航道上方(圣彼得堡防洪系統(tǒng)布置(見圖1)。

大西洋低氣壓區(qū)形成較長的波浪，在旋風(fēng)的作用下沿芬蘭灣涌向涅瓦河河口，形成洪水。在海上，波浪不會(huì)造成危險(xiǎn)，但在芬蘭灣狹窄的水域則會(huì)引起水位急劇上升，形成的洪水對圣彼得堡市構(gòu)成嚴(yán)重威脅(見圖2)。

圖2 洪水形成示意

2011～2016年期間，防洪系統(tǒng)有效避免了13次洪災(zāi)的發(fā)生。而幾個(gè)世紀(jì)觀測的數(shù)據(jù)顯示，在此期間，如此大幅度的水位上漲出現(xiàn)頻率比以往增加了一倍(見圖3)。

圖3 圣彼得堡防洪系統(tǒng)運(yùn)行后的防洪效果

歷史上，圣彼得堡曾發(fā)生了4次嚴(yán)重的洪災(zāi)，對城市造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，分別是：1777年，水位漲幅3.21 m；1824年，水位漲幅4.21 m；1924年，水位漲幅 3.80 m；1955年，水位漲幅 2.93 m。

圖4 2011年12月26日洪水過程線

根據(jù)科研發(fā)現(xiàn)，暴風(fēng)雨最嚴(yán)重的情況下，可能導(dǎo)致涅瓦河三角洲的水位上升 5.4 m。若未來出現(xiàn)這種情況，圣彼得堡市被淹沒的概率為30%。

2011年12月26日洪水水位漲幅可以排至歷史第四，達(dá)到甚至超過了1955年洪水水位。根據(jù)計(jì)算，此次洪水水位漲幅最高達(dá)到 2.94 m。這種情況下，市內(nèi)河流的洪水從河道溢出，導(dǎo)致部分地鐵站封閉，歷史中心區(qū)建筑物的地下室和一樓均被洪水淹沒。

圖4為初步估計(jì)圖，說明圣彼得堡防洪閘在2次洪峰過境期間，如何抑制洪水水位上漲。通過打開防洪閘供涅瓦灣泄洪。

從2015年12月5～7日的洪水情況來看，大洪水仍然會(huì)發(fā)生，圣彼得堡市還是會(huì)遭遇與歷史洪水量級(jí)相當(dāng)?shù)暮樗Ｈ欢舜魏樗?，水位上升過程中出現(xiàn)了3次洪峰，其中第3次洪峰的峰值水位變化較大，導(dǎo)致洪峰間隔期內(nèi)防洪閘無法開閘泄洪。歷史洪水記錄里面尚無此類洪水的記載，因此圣彼得堡防洪系統(tǒng)也首次抵御了這種類型的洪水。

為避免該市在12月6日和7日被洪水淹沒，防洪閘必須關(guān)閉超過40 h以上。這種極端工況也暴露了防洪系統(tǒng)存在的一個(gè)重大問題：在閘門關(guān)閉時(shí)間如此之長的情況下，涅瓦河的水流正常匯入，導(dǎo)致海灣水位漲至危險(xiǎn)的致災(zāi)水位，而且涅瓦灣也無法容納如此大量的來水。

因此，經(jīng)過此次洪水，大家意識(shí)到，要通過在離岸區(qū)圍海造地的方式，制定一攬子規(guī)劃，用于城市將來的發(fā)展，以防其他的發(fā)展模式會(huì)降低灣區(qū)的蓄水能力。同時(shí)，還要在氣候條件變化及將來異常高洪水的情況下，保護(hù)城市不受洪水侵襲。

2 洪災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)

洪水危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)(FHWS)在圣彼得堡防洪系統(tǒng)的閘門控制中起到了關(guān)鍵作用。

洪水發(fā)生時(shí)間及量級(jí)、水位漲落速率、風(fēng)速以及與芬蘭灣風(fēng)浪相關(guān)各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，是圣彼得堡市成功抵御洪水的基礎(chǔ)。

FHWS通過以下主要方式來提供上述信息，包括水文氣象信息(FHWS HMC)、軟硬件組件(FHWS HSC)、通信網(wǎng)絡(luò)以及固定氣象觀測點(diǎn)。

FHWS通過數(shù)學(xué)模擬，從歐洲各類來源采集并處理數(shù)據(jù)，并考慮了芬蘭灣離岸區(qū)的具體特點(diǎn)。

該系統(tǒng)可連續(xù)、自動(dòng)運(yùn)行。首先，向防洪系統(tǒng)的值班操作人員發(fā)送初步信息，包括測算的國立礦業(yè)大學(xué)測站的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)水位(提前60 h發(fā)送，每天發(fā)送4次)、氣象預(yù)報(bào)以及未來24 h的氣象條件預(yù)測。在洪水期間，會(huì)提前8 h向防洪系統(tǒng)的操作人員發(fā)出初步預(yù)報(bào)，2 h后提供修改后的預(yù)報(bào)，以及EMERCOM危機(jī)管理中心發(fā)出的洪水危險(xiǎn)警報(bào)。隨后，該操作人員會(huì)通報(bào)管理層以及防洪系統(tǒng)的相關(guān)部門。

當(dāng)有“洪水危險(xiǎn)”的警報(bào)發(fā)出時(shí)，各部門都將各司其職，相關(guān)設(shè)施、設(shè)備和系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，為閘門的關(guān)閉和洪水過流做好準(zhǔn)備。

如果水位上升程度和速度與預(yù)測值相當(dāng)或超過預(yù)測值，根據(jù)防洪系統(tǒng)總指揮的指令，可將“洪水危險(xiǎn)”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂樗睜顟B(tài)。

根據(jù)收到的預(yù)報(bào)信息，決策支持系統(tǒng)(DSS)得出閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間推薦值。

3 防洪系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其他國家的防洪系統(tǒng)通常僅具有一種功能，即保護(hù)某一區(qū)域不受洪水侵襲。然而圣彼得堡防洪系統(tǒng)有更多功能，包括：避免城區(qū)遭受水災(zāi)、出入科林島的交通要道以及海上交通通道等。

自防洪系統(tǒng)投入使用以來，克龍斯塔德(Kronstadt)鎮(zhèn)迎來了工業(yè)經(jīng)濟(jì)和旅游業(yè)的新發(fā)展。此外，防洪系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，集水利工程、運(yùn)輸和發(fā)電設(shè)施于一體的綜合樞紐是唯一合適的方案，在該系統(tǒng)建設(shè)之前的各種問題也都迎刃而解。

4 環(huán)境生態(tài)

近來，防洪堤防將涅瓦灣沿戈?duì)?克龍斯塔德-布龍卡(Gorskaya-Kronstadt-Bronka)海岸線與芬蘭灣隔開，形成一個(gè)“自由出入流”的水庫。通過打開防洪系統(tǒng)中的航道和水道，水流在涅瓦灣與芬蘭灣之間自由流動(dòng)，總面積達(dá)9 610 m2，頂部長度為1 864 m，相當(dāng)于涅瓦河河口長度的 1.5倍。

防洪系統(tǒng)還可以與當(dāng)?shù)夭糠謴U水處理廠共同發(fā)揮作用，對沿防洪堤的高速公路以及防洪樞紐內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生的廢水進(jìn)行綜合處理。在防洪閘范圍內(nèi)的觀察表明，該工程在環(huán)保方面的措施，能夠使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到理想狀態(tài)。

如今，排放到涅瓦河的工業(yè)和公共用水 98.5%已經(jīng)過處理。在2020年沃赫金斯基(Okhtinsky)污水管投入使用后，涅瓦河廢水處理率將達(dá)到100%。

在洪水期間，所有航道閘門及水道均會(huì)關(guān)閉，從而避免污水從芬蘭灣東側(cè)流入涅瓦灣的離岸區(qū)。因此，2011年投入使用的防洪系統(tǒng)和2013年該市北側(cè)的主下水道的竣工，將進(jìn)一步促進(jìn)涅瓦灣和涅瓦河三角洲的水流凈化。

冬季和春季，在防洪系統(tǒng)的離岸區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了波羅的?；液１铜h(huán)斑海豹，證明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。

2016年5月，在防洪系統(tǒng)航運(yùn)通道S-1隧洞的草坪上，首次發(fā)現(xiàn)了大量櫻草，這種植物在該區(qū)域十分罕見，也證明了防洪系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)保護(hù)系統(tǒng)取得了令人滿意的效果，生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程完全符合專家在工程規(guī)劃和建設(shè)期的預(yù)測。修建如此大型的海上水利樞紐設(shè)施不會(huì)對環(huán)境造成負(fù)面影響。

5 防洪系統(tǒng)運(yùn)行保證

如今，俄羅斯聯(lián)邦對水利工程安全進(jìn)行了立法，工程運(yùn)行方負(fù)責(zé)保證設(shè)施的安全性，并建立相關(guān)的檢測和決策體系。FPB的管理層為了遵守聯(lián)邦法律，采用了綜合運(yùn)行機(jī)制，從技術(shù)和實(shí)踐方面保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

在運(yùn)行實(shí)踐的框架內(nèi)，制定并實(shí)施了一套記錄和規(guī)章體系，統(tǒng)一命名為“防洪工程運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并明確了與整個(gè)防洪系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的全部技術(shù)和組織流程。

俄羅斯水利工程領(lǐng)域權(quán)威研發(fā)機(jī)構(gòu)的專家為該系統(tǒng)的運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，部分關(guān)鍵組件和結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期間可能會(huì)出現(xiàn)一些“瓶頸”問題。采用最新的技術(shù)，如激光掃描、攝影測量、高精度大地測量、壓力控制和分析等方法，對系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。

防洪系統(tǒng)指揮部的工作人員定期接受各種交互性培訓(xùn)課程和能力發(fā)展培訓(xùn)。此外，在市政和聯(lián)邦相關(guān)部門的幫助下，還計(jì)劃準(zhǔn)備定期實(shí)施特別演練，如反恐培訓(xùn)等。

6 結(jié) 語

圣彼得堡防洪系統(tǒng)投運(yùn)5 a期間，證明了工程設(shè)計(jì)具有合理性，并能夠安全可靠運(yùn)行，能保護(hù)圣彼得堡市免受洪水侵襲。

該工程獨(dú)特的水利機(jī)械設(shè)施要求在工程運(yùn)行期間進(jìn)行綜合監(jiān)測，并能不間斷分析。此外，還需對該工程的維護(hù)維修工作進(jìn)行謹(jǐn)慎而準(zhǔn)確的規(guī)劃，以保證水工結(jié)構(gòu)達(dá)到安全運(yùn)行要求。

由于氣象和水文條件對工程整體運(yùn)行情況和各局部情況影響較大，為保證防洪系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，有必要在對氣象和水文條件進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的基礎(chǔ)上，用一種革新的概念來重新審視工程的整體性及其組成部分。