河谷平原排澇方案測算及對比研究
——以臨海市義城港平原為例

陳 成，周淑英

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.衢州市水資源與水土保持管理中心，浙江 衢州 324000)

河谷平原由兩側(cè)山脈與中間河流構(gòu)成，地形的主要特點(diǎn)為四周高、中間低，谷地地形比較平坦，坡度極小[1]；河谷兩側(cè)，高山聳立，由外圍向河谷方向逐漸降低。每遇強(qiáng)降雨，山區(qū)洪水傾瀉于平原內(nèi)有限的滯蓄空間，其河道的行洪能力不足以宣泄大量洪水，易導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)澇嚴(yán)重。位于臨海的義城港平原正是如此，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，排澇問題嚴(yán)重，是浙江省有名的澇區(qū)之一[2]。義城港平原位于臨海市靈江南岸，與臨海主城區(qū)隔江相望。東西長85 km，南北寬44 km。流域面積228.8 km2，其中山地丘陵面積200.9 km2，占總面積的87.8%；平原面積27.2 km2，占總面積的11.9%；水域面積0.7 km2，占總面積的0.3%。義城港平原包括江南街道大部和尤溪鎮(zhèn)部分，土地利用以城建和農(nóng)業(yè)為主，其中臺金高速以南以城建用地為主，高程約5.0～6.5 m；高速以北以農(nóng)業(yè)用地為主，尤溪鎮(zhèn)高程較高，約9.0～11.0 m；其余約4.5～5.5 m。

1 義城港平原排澇現(xiàn)狀及存在問題

義城港平原主要排澇河道為義城港。義城港是靈江的第二大支流[3]，發(fā)源于臨海市尤溪鎮(zhèn)白巖村牛崗，河源高程788 m。從白巖至羊尾段稱雙坑，先后匯集樟樹坑水和長加坑水，至尤溪鎮(zhèn)，此段稱柴坦溪；于尤溪鎮(zhèn)匯溫家岙溪、大左溪后稱尤溪，至塘里匯香年溪后稱義城港，至后周、增棚埠入靈江[4]，河口高程0.7 m。主流全長43 km，流域面積215 km2[5]。義城港上游段(尤溪鎮(zhèn))為山溪性河道，長29.3 km，坡降較陡。上游無控制性水庫工程，僅有龍門等一些以灌溉為主的小型水庫，且河短坡陡，集流快、洪水猛，洪水出山谷后即泛濫于義城港平原；下游(江南街道)為平原性河道，長13.7 km，河寬40～80 m，坡降較緩。通過長石嶺閘、紅旗閘、七一閘入靈江，組成“兩縱一橫”排澇水系。

紅旗閘位于義城港出口處，閘底高程2.0 m，共8孔，每孔寬3 m，凈寬24 m，該出口閘位于江南區(qū)北端，排水距離長，且出口處于廟龍港峽谷上游。當(dāng)靈江干流發(fā)洪水時(shí)，受峽谷頂托，排澇困難。長石嶺閘位于長石嶺隧洞出口處，閘底高程3.0 m，共5孔，每孔寬7 m，凈寬35 m。七一閘位于七一河出口處，閘底高程1.0 m，共2孔，每孔寬4 m，凈寬8 m，該出口閘位于江南區(qū)北端，排水距離長，且閘前河道與七一河主流交叉，交叉角度大，無形中增加排水距離；且出口處于兩卡口上游，排水條件更不利。

義城港平原城市及城鎮(zhèn)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇最大24 h暴雨不受淹，農(nóng)田排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇3日暴雨4日排出。在現(xiàn)狀下墊面工況下，義城港平原臺金高速以下城區(qū)20年一遇最高水位基本低于5.5 m，可以達(dá)到5年一遇；臺金高速上游現(xiàn)狀防洪能力較低，不足5年一遇。隨著臨海中心城區(qū)優(yōu)化提升城市功能，跨江向南發(fā)展，江南街道及尤溪鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃為臨海主城區(qū)的組成部分，義城港平原城市化進(jìn)程加快，平原建設(shè)用地?cái)U(kuò)大，洪水調(diào)蓄容積大幅減少。在規(guī)劃下墊面工況下，臺金高速以下的城區(qū)排澇能力將不足5年一遇，臺金高速以上防洪形勢更加嚴(yán)峻，遭遇5年一遇洪水時(shí)，淹沒深度達(dá)1.5～2.5 m。

義城港平原存在的排澇問題為：1) 義城港平原為典型的河谷平原，兩側(cè)山區(qū)集水面積大，而上游未建有控制性防洪工程，這是義城港平原洪災(zāi)頻發(fā)的主要原因。2) 排澇通道少。義城港平原僅有義城港一個(gè)排澇通道，既要承擔(dān)排泄上游山區(qū)洪水的任務(wù)，又要承擔(dān)排除本地澇水的任務(wù)，山洪和澇水疊加，造成水位居高不下，澇水難以及時(shí)排除，造成洪澇災(zāi)害。3) 中游河段存在卡口影響河道行洪。義城港上游里坎頭段河寬約60 m，下游河段河寬約70 m，但是在中游三姓村、塘渡村河道較窄，河寬僅約30 m。河道規(guī)模上下游不匹配，影響河道行洪。

2 整體排澇思路

義城港平原流域面積達(dá)228.8 km2，山區(qū)面積占比達(dá)87.8%，其中尤溪鎮(zhèn)以上的雙坑溪、左岙溪流域面積達(dá)135 km2，中游的香年溪、白巖岙等支流，集雨面積共55 km2，因此解決義城港平原內(nèi)澇的關(guān)鍵在于解決山區(qū)洪水的出路。排澇總體思路為：由于山區(qū)面積大，上游必須新建蓄洪水庫工程[6]，且在盡可能少占用耕地的前提下，新開排洪通道。排澇總體布局可概括為“上蓄、中分、下排”，即上游新建水庫，對山區(qū)洪水進(jìn)行調(diào)蓄；中游新開排澇通道，減輕義城港行洪壓力；下游新增出口，提高澇水外排能力。

2.1 模型搭建及計(jì)算

為了能定量計(jì)算排澇方案的效果，采用漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合模型非恒定流計(jì)算程序[7-8]，建立義城港平原計(jì)算區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，全面、真實(shí)地模擬洪水演進(jìn)變化過程。模型基本原理為隱式差分格式求解圣維南偏微分方程組。

圣維南偏微分方程組為

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：B為水面寬，m；z為河道水位，m；Q為流量，m3/s；q為旁側(cè)流量，m3/s；v為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；K為單位過水?dāng)嗝娣e的流量模數(shù)，m3/s。以四點(diǎn)隱式差分格式將上述偏微分方程組化為差分方程組。該差分方程組與河汊方程、邊界條件及初始條件一起構(gòu)成大型的非線性方程組，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。本數(shù)學(xué)模型考慮倒堤、漫灘、分洪及多種形式的閘、泵、堰、壩、阻水橋梁等各種水利條件因素，能適用于河道洪流演進(jìn)的定量分析計(jì)算。

義城港平原排澇模型覆蓋整個(gè)義城港平原，上邊界為義城港尤溪洪水邊界，下邊界為七一閘、紅旗閘、長石嶺隧洞出口和規(guī)劃出口等邊界，香年溪、白巖岙等主要支流在模型中概化成集中入流。下邊界靈江水位由靈江干流模型提供。模型概化了江南街道主要排澇河道包括七一河、義城港、長石嶺河以及規(guī)劃的新開河道、尤汛隧洞等線路，概化了5個(gè)邊界、87個(gè)斷面、11個(gè)河汊、9個(gè)水閘。

模型驗(yàn)證采用2015年“蘇迪羅”臺風(fēng)雨洪過程，對義城港模型進(jìn)行驗(yàn)證，洪痕水位成果為現(xiàn)場洪調(diào)取得。13號臺風(fēng)“蘇迪羅”自8月7日開始影響臨海市，至10日18時(shí)，全市累計(jì)平均面雨量234.2 mm。主城區(qū)8月9日降雨量近300 mm，超20年一遇。臺風(fēng)強(qiáng)降雨引發(fā)香年溪、義城港上游溪流等小流域山洪，所屬鎮(zhèn)街損失嚴(yán)重，江南淹沒面積超50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，臨海市直接經(jīng)濟(jì)損失18.97億元，受影響人口約25萬人，受淹村莊206個(gè)，房屋倒塌12間。驗(yàn)證計(jì)算成果見表1，可以看出，計(jì)算洪水位與洪水調(diào)查水位基本吻合(誤差控制在0.04 m以下)，說明模型結(jié)果準(zhǔn)確，參數(shù)相對合理，能全面反映平原水流運(yùn)動(dòng)特性，可用作規(guī)劃方案的分析和比較。本次排澇計(jì)算模型河道糙率取0.023～0.025。

表1 “蘇迪羅”臺風(fēng)暴雨驗(yàn)證洪水計(jì)算成果比較 單位：m

2.2 “上蓄”工程

擬在柴坦溪和香年溪上分別建設(shè)水庫，增加“上蓄”能力。包括在柴坦溪建設(shè)指巖水庫，在香年溪建設(shè)香年水庫和上垟水庫。

指巖水庫位于柴坦水電站下游2.4 km位置，集雨面積69 km2。指巖水庫定位為防洪、供水和灌溉等綜合功能。根據(jù)流域排澇要求，水庫按照低于20年一遇洪水控制最大下泄100 m3/s，50年一遇洪水不超過200 m3/s控制，50年一遇以上洪水敞開泄洪的原則調(diào)度,則指巖水庫防洪庫容(P=5%)為1.5×107m3,死庫容參考本地區(qū)其他工程，擬定為2×106m3,水庫初定正常蓄水位130 m，興利庫容約4×107m3,總庫容為5.7×107m3，壩頂高程140 m，壩高約110 m。

香年水庫壩址位于香年溪上馬村上游700 m，集雨面積24.8 km2。香年水庫功能定位以防洪為主，結(jié)合生態(tài)等綜合利用。根據(jù)流域排澇要求，水庫按照低于20年一遇洪水不下泄，50年一遇洪水不超過100 m3/s控制，50年一遇以上洪水敞開泄洪的原則調(diào)度,則香年水庫防洪庫容(P=5%)為1×107m3，生態(tài)庫容約3×106m3,死庫容參考本地區(qū)其他工程，擬定為2×106m3，總庫容為2×107m3，壩頂高程110 m，壩高約70 m。

上垟水庫壩址位于香年溪支流洋路溪上垟村附近，集雨面積9 km2。上垟水庫功能定位以防洪為主。根據(jù)流域排澇要求，水庫按照低于20年一遇洪水不下泄，50年一遇洪水不超過50 m3/s控制，50年一遇以上洪水敞開泄洪的原則調(diào)度,則上垟水庫防洪庫容(P=5%)為4×106m3,死庫容參考本地區(qū)其他工程，擬定為8×105m3，總庫容為8.8×106m3，壩頂高程85 m，壩高約55 m。

2.3 “中分下排”工程

根據(jù)《臨海市市域總體規(guī)劃》(2017—2035年)，江南街道的發(fā)展空間主要在尤溪鎮(zhèn)以下。在尤溪鎮(zhèn)里坎頭以上流域面積達(dá)135 km2，即使指巖水庫控制69 km2的流域面積，尤溪里坎頭以上，仍有包括左岙溪在內(nèi)66 km2的流域面積洪水要流到下游，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量達(dá)600 m3/s。如何解決里坎頭以上區(qū)間洪水，筆者提出兩種解決方案：

方案1(圖1)：基本維持現(xiàn)有的紅旗閘、長石嶺出口，對于義城港河道過流不足的問題，整治上江至長石嶺9 km河段；拓寬至70 m以提高河道的整體行洪能力，同時(shí)河道兩岸興建堤防。

圖1 義城港平原排澇方案1示意圖

方案2(圖2)：新開尤汛排澇通道，即在里坎頭至江海船廠出口新開長8.5 km的排澇隧洞，將義城港上游洪水直接排至靈江干流，以減輕義城港中游的防洪壓力。隧洞擬考慮采用有壓形式，有壓隧洞流量計(jì)算公式為

圖2 義城港平原排澇方案2示意圖

(3)

式(3)中：μ為流量系數(shù)；A為過水面積，m2；T0-hp為上下游水頭差，m。

上下游水頭差與平原澇水和靈江洪水組合有關(guān)。根據(jù)水文資料分析，義城港洪水與靈江洪水組合呈同頻率，且義城港洪峰要早于靈江洪峰14 h以上，根據(jù)歷年的洪潮組合分析，義城港排澇洪峰時(shí)刻恰處于前期自然潮位階段，而非靈江洪水影響階段。排澇期間，假設(shè)義城港洪峰遭遇靈江前期高潮位4～4.5 m，那么洞徑14 m的過流流量為600～650 m3/s。因此里坎頭以上的洪水一部分通過指巖水庫調(diào)蓄，剩余洪水通過尤汛排澇通道排入靈江，無需通過義城港排出。此時(shí)，平原排澇模型上邊界為0流量。

由表2可以看出，在20年一遇設(shè)計(jì)洪水下，方案2比方案1最高水位降低0.05～1.24 m，高水位持續(xù)時(shí)間減少1～9 h。從排澇效果看，新開排澇通道方案具有更大的排澇優(yōu)勢。方案1利用現(xiàn)有的排澇出口，在拓寬河道基礎(chǔ)上，仍需要義城港老河道兩岸新建堤防14 km，按照6 m的地面高程控制，堤防高0.5～2.0 m，這將嚴(yán)重影響周邊地塊洪水歸槽，影響義城港河道親水性和沿岸城市景觀；興建的堤防把義城港平原狹窄的地塊又分隔成兩塊獨(dú)立的區(qū)域，無論從土地利用還是交通布置都存在極大的不利因素，不利于城市的總體開發(fā)；而且河道兩岸房屋多人口密集，拓寬河道將涉及較多耕地和自然村，征地拆遷難度大。方案2采用隧洞分洪的措施，占用土地資源更少，老河道具有良好的親水性，雖然存在隧洞開挖工程量較大，尤汛排澇隧洞為有壓隧洞，施工難度較大的缺點(diǎn)，但上述工程施工的技術(shù)問題均能解決[9]。

表2 排澇比較方案計(jì)算成果表(P=5%)

方案1和方案2的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表3。由表3可以看出，方案2較方案1減少土地征用49 ha2，而投資只增加38 913萬元。從節(jié)約土地、有利于城市總體開發(fā)的角度看，方案2即新開尤汛排澇通道的方案優(yōu)于方案1。

表3 排澇方案各項(xiàng)指標(biāo)比較成果表(P=5%)

3 結(jié)論和建議

義城港平原由于上游山區(qū)面積大、排澇通道少、排澇河道存在卡口等原因洪澇災(zāi)害頻發(fā)。針對此種情況,筆者提出“上蓄、中分、下排”的總體解決思路，并在“中分、下排”處理方法中提出了擴(kuò)寬河道和新開排澇通道兩種方案。同時(shí)在上游新建水庫的條件下，通過采用河網(wǎng)一維非恒定流計(jì)算程序，建立整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，并對兩種方案進(jìn)行模擬，對比分析了兩種方案的效果與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)計(jì)算，從排澇效果看，相比拓寬河道方案，分洪隧洞方案最高水位降低0.05～1.24 m，高水位持續(xù)時(shí)間減少1～9 h，具有更大的排澇優(yōu)勢。且拓寬河道方案仍需要在義城港老河道兩岸新建堤防14 km，影響周邊地塊澇水歸槽，把義城港平原狹窄的地塊又分隔成兩塊獨(dú)立的區(qū)域，不利于城市總體開發(fā)。隧洞分洪方案占用土地資源少，老河道親水性好，從節(jié)約土地、利于城市總體開發(fā)的角度看，推薦采用新開排澇通道的方案，對其他河谷平原的排澇格局確定亦有一定的借鑒意義。