余方順，江雨田，張衛(wèi)國，薛曉鵬，于 慧

（1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192；2.長江水利委員會長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

1 問題的提出

甬江流域地處浙江省東部沿海，歷年頻繁遭受臺風(fēng)暴雨侵襲，四明山區(qū)是浙江省暴雨中心之一[1]。流域內(nèi)寧波中心城區(qū)、余姚、慈溪等市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口眾多，受到洪澇災(zāi)害影響損失尤為嚴(yán)重。特別是2013年“菲特”臺風(fēng)，流域發(fā)生了超過50 a一遇的降雨，致使寧波市受災(zāi)嚴(yán)重，受災(zāi)人口248萬，直接經(jīng)濟(jì)損失333億元[2]。2013年“菲特”臺風(fēng)嚴(yán)重受災(zāi)后，寧波市制定了“治水強(qiáng)基”重大項目三年行動計劃，在全市開展水利設(shè)施大整修、大建設(shè)[3]。以增強(qiáng)防洪排澇能力為目標(biāo)，推進(jìn)一系列江河堤防加固、排澇骨干河道整治和水閘、泵站的配套設(shè)施等工程措施建設(shè)。截至2016年12月，工程建設(shè)已基本完成。

為明確這一系列工程建設(shè)對甬江流域防洪排澇能力的提升效果，本文采用河網(wǎng)水動力模型[4-5]，分別模擬工程建設(shè)前以及工程建設(shè)后的工況進(jìn)行洪水分析計算，以平原主要代表站的水位特征值以及平原淹沒特征為主要評價因子，研究防洪排澇工程措施的建設(shè)作用。

2 甬江流域河網(wǎng)水動力模型建立

2.1 模型計算原理

河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型大體可以分為節(jié)點 — 河道模型、單元劃分模型、混合模型以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型4類[6-7]，可對河網(wǎng)地區(qū)的防洪、排澇、灌溉、配水方案設(shè)計及水環(huán)境治理等提供可靠的解決方法[8-9]。針對甬江流域的河網(wǎng)特征和水利工程情況，采用混合模型對其進(jìn)行模擬研究，根據(jù)甬江流域河道與水利工程資料，將甬江流域水系概化成由河網(wǎng)和水域組成的系統(tǒng)。河網(wǎng)由流域內(nèi)骨干河道和一系列連接骨干河道的主要河道組成，是流域輸送水流的載體；水域主要由水塘、支流小溪等水體概化組成，主要起著水量調(diào)蓄作用。對河網(wǎng)采用節(jié)點 — 河道模型，對成片水域則劃分為單元，這部分單元僅起蓄水調(diào)節(jié)作用，不起動力輸水作用。通過引入陸域?qū)挾鹊母拍睿泳W(wǎng)和水域組成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，稱混合模型。

2.1.1 水流控制方程

河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型的求解歸根結(jié)底是對描述河道一維非恒定流運動的圣維南方程組的求解。圣維南偏微分方程組如下：

式中：q為河道旁側(cè)入流，m3/s；BT為調(diào)蓄河寬，m；Z為斷面水位，m；Q為流量，m3/s；K為流量模數(shù)。

2.1.2 堰閘出流模擬

堰閘出流由堰流公式和堰閘調(diào)度方式?jīng)Q定。

碶閘的泄洪形式為自由出流時：

泄洪形式為淹沒出流時：

式中：m為閘孔自由出流流量系數(shù)；φ為閘孔淹沒出流流量系數(shù)；Zu閘前水位，m；Zd閘后水位，m；H閘前水頭，m；Hs閘后水頭，m；B閘孔的寬度，m。

2.1.3 泵站出流模擬

泵站出流由泵站調(diào)度方式和設(shè)計泵排能力決定。

2.1.4 過水?dāng)嗝娓呕?/p>

天然河道斷面往往是不規(guī)則的，本文將天然河道斷面概化為梯形斷面或復(fù)式梯形斷面進(jìn)行模擬計算。

2.2 模型建立

充分考慮流域地形、地勢、河流走向、水利工程、交通路網(wǎng)情況，對甬江流域平原河網(wǎng)進(jìn)行概化。本次概化了2 308條河段，2 032個節(jié)點，15 661個斷面。甬江流域河網(wǎng)水動力模型河網(wǎng)概化示意見圖1。

圖1 甬江流域洪水模擬河網(wǎng)概化示意圖

2.3 模型驗證

2013年“菲特”臺風(fēng)于10月7日凌晨在浙閩交界處登陸，臺風(fēng)期間姚江流域最大3日面雨量456 mm，約120 a一遇，奉化江流域最大3日面雨量460 mm，約50 a一遇，是甬江流域歷史有記錄以來最大一場臺風(fēng)，具有雨量大、降雨集中、持續(xù)影響時間長的特點。

根據(jù)“菲特”臺風(fēng)實際工況及調(diào)度方式，采用甬江流域河網(wǎng)水動力模型進(jìn)行分析計算。平原重要代表站點水位計算與實測最高水位見表1。

表1 “菲特”臺風(fēng)代表站水位驗證結(jié)果表 m

通過“菲特”臺風(fēng)的模擬驗證，各平原代表站計算與實測最高水位誤差較小，證明河網(wǎng)水動力模型在甬江流域的模擬具有較高精度，可應(yīng)用于防洪排澇工程措施建設(shè)作用評價中。

3 防洪排澇工程建設(shè)作用評價

3.1 甬江流域近年防洪排澇工程建設(shè)情況

寧波市中心城區(qū)由3條主干河道 — 奉化江、姚江和甬江穿城而過，將平原劃分為鄞東南平原、江北鎮(zhèn)海平原、鄞西平原3片平原區(qū)域。鄞江、東江、剡江、縣江是奉化江上游主要支流。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系及水利工程見圖2。

圖2 寧波市中心城區(qū)河網(wǎng)水系及水利工程示意圖

根據(jù)《寧波市治水強(qiáng)基重大項目三年行動計劃》的安排，在2014 — 2016年，以江河堤防加固、排澇骨干河道整治和水閘、泵站配套為重點，通過實施“治水強(qiáng)基”工程，實現(xiàn)“三江”干流堤防全線封閉，東江、剡江、縣江等重要支流和獨流入海河流的堤防加固任務(wù)基本完成；骨干排澇河道整治全面實施，建設(shè)沿江強(qiáng)排泵站，流域和主要培養(yǎng)的主子排澇體系初步形成；防洪減災(zāi)應(yīng)急管理體系和社會管理體系更加完善，防洪減災(zāi)整體能力不斷提高。

3.1.1 防洪工程建設(shè)

以三江干堤為主線，全面加快江河堤防建設(shè)。加快推進(jìn)甬江防洪工程建設(shè)，基本建成奉化江鄞州新城區(qū)段、東江剡江奉化段、姚江江北和鄞州段、姚江蜀山閘以上河段堤防加固130 km和配套閘站近100座。開工建設(shè)奉化江鄞奉交界段、東江剡江鄞州段、余姚上姚江等約40 km堤防。

截至2016年12月，鄞東南平原、江北鎮(zhèn)海平原干流堤防實現(xiàn)全線封閉，鄞西平原由于鄞江堤防整治工程未在本次建設(shè)周期之內(nèi)，鄞江堤防尚未完全封閉。

3.1.2 排澇工程建設(shè)

以城市和主要平原地區(qū)為重點，完善主干排澇體系。全面實施鄞東南、鄞西、江北、鎮(zhèn)海等主要平原主干排澇河道整治；開工新建鄞東南、鄞西、江北、鎮(zhèn)海沿江沿河的保豐閘泵、甬新泵、銅盆浦泵、孔浦閘泵、新泓口泵等與主干河道配套的強(qiáng)排泵站，設(shè)計總規(guī)模300 m3/s左右，增強(qiáng)城市及主要平原強(qiáng)排能力。加快城區(qū)防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，著力溝通疏浚內(nèi)河，落實管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)責(zé)任，推進(jìn)排水設(shè)施升級改造。

3.2 模型應(yīng)用與分析

為合理評價防洪排澇工程建設(shè)的作用，采用平原河網(wǎng)水動力模型，分別模擬甬江流域近年防洪排澇工程建設(shè)前后2種不同工況下， 遭遇2013年“菲特”臺風(fēng)、 2016年“莫蘭蒂”臺風(fēng)期間實際降雨和實際外海潮位時的洪澇災(zāi)害情況，以流域內(nèi)主要平原代表點最高水位、平原淹沒情況為因子進(jìn)行對比分析。

3.2.1 平原代表點最高水位分析

統(tǒng)計工程建設(shè)前、工程建設(shè)后流域內(nèi)主要平原代表點最高水位特征值（見表2），統(tǒng)計工程建設(shè)前、工程建設(shè)后流域內(nèi)主要平原代表點超警戒水位持續(xù)時間特征值（見表3）。

表2 平原代表點最高水位對比表 m

表3 平原代表點超警戒水位時間表 h

從表2、表3計算成果可知：

（1）對于鄞東南和江北鎮(zhèn)海平原，近年城市防洪排澇工程建設(shè)后，各代表點最高水位和超警戒水位時間相較工程建設(shè)前均有所降低。遭遇“菲特”臺風(fēng)情況下，鄞東南平原最高水位降低0.11 ～ 0.14 m，超警戒時間縮短5 ～ 11 h，江北鎮(zhèn)海平原最高水位降低0.05 ～ 0.06 m；遭遇“莫蘭蒂”臺風(fēng)情況下，鄞東南平原最高水位降低0.05 ～ 0.07 m，超警戒水位時間縮短4 ～ 5 h，江北鎮(zhèn)海平原最高水位降低0.04 ～0.06 m，超警戒水位時間縮短5 h。

（2）對于鄞西平原，由于干流整體水位的抬升且鄞江堤防尚未完全封閉，近年城市防洪排澇工程建設(shè)后鄞西平原遭受鄞江漫堤的洪水量有所增加，因此各代表點最高水位和超警戒水位時間相較工程建設(shè)前反而略有提升。遭遇“菲特”臺風(fēng)情況下，鄞西平原最高水位抬升0.02 ～ 0.05 m，超警戒水位時間延長0 ～ 1 h；遭遇“莫蘭蒂”臺風(fēng)情況下，鄞西平原最高水位抬升0.01 ～ 0.03 m，超警戒水位時間延長 0 ～ 1 h。

3.2.2 平原淹沒情況分析

為形象展現(xiàn)鄞東南、鄞西、江北鎮(zhèn)海3片平原在工程建設(shè)前后的洪澇淹沒情況，繪制防洪排澇工程建設(shè)前、工程建設(shè)后流域遭遇“莫蘭蒂”臺風(fēng)下3片平原的洪水淹沒水深圖（見圖3和圖4）。統(tǒng)計工程建設(shè)前、工程建設(shè)后各片平原的淹沒面積與淹沒面積比例見表4。

圖3 工程建設(shè)前“莫蘭蒂”臺風(fēng)下寧波市中心城區(qū)淹沒水深圖

圖4 工程建設(shè)后“莫蘭蒂”臺風(fēng)下寧波市中心城區(qū)淹沒水深圖

表4 “莫蘭蒂”臺風(fēng)各片平原淹沒面積與比例統(tǒng)計表

從圖3和圖4對比，結(jié)合表4信息可以看出，以2016年“莫蘭蒂”臺風(fēng)實際降雨、潮位邊界條件進(jìn)行模擬分析下，工程建設(shè)后鄞東南平原和江北鎮(zhèn)海平原洪水淹沒范圍和淹沒水深均明顯減少，其中鄞東南平原淹沒面積減少36.8 km2，比例為20.1%；江北鎮(zhèn)海平原淹沒面積減少14.8 km2，比例為14.1%；鄞西平原洪水淹沒范圍和淹沒水深稍有增加，淹沒面積增加8.5 km2，比例為6.8%；3大平原總計淹沒面積減少43.1 km2，總計減少比例為10.4%。

3.3 工程作用評價

3.3.1 防洪工程作用評價

從2.2節(jié)分析計算成果可知，寧波市近年建設(shè)的干流防洪工程，如奉化江鄞州新城區(qū)段、奉化江鄞奉交界段、東江剡江奉化段、東江剡江鄞州段、姚江江北和鄞州段等堤防加固工程完成后：①鄞東南平原、江北鎮(zhèn)海平原干流堤防全線封閉，各河段防洪能力達(dá)到相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)，防洪能力有所提高；②鄞西平原姚江和奉化江堤防封閉完成，達(dá)到規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)，但由于鄞江堤防整治工程尚未完成，因此鄞西平原防洪能力仍需提升。

3.3.2 排澇工程作用評價

從以上模擬計算成果可知，除鄞西平原受干流漫灘影響外，鄞東南、江北鎮(zhèn)海平原工程建設(shè)后平原代表點最高水位、高水位持續(xù)時間相較工程建設(shè)前都有所降低，淹沒范圍及淹沒水深整體減少。說明寧波市近年建設(shè)的主干排澇河道整治、沿江配套閘門建設(shè)、強(qiáng)排泵站建設(shè)以及內(nèi)河河道疏浚工程，能夠一定程度上提升各片平原排澇能力。

4 結(jié) 語

本文采用河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型，模擬寧波市近年城市防洪排澇工程建設(shè)前后流域遭遇典型臺風(fēng)洪水下的洪澇災(zāi)害情況，計算并分析了工程建設(shè)前后平原代表站最高水位特征值、超警戒水位時間特征值和平原淹沒水深的變化。

研究結(jié)果表明，通過近年來干流堤防建設(shè)、平原骨干河道整治、平原強(qiáng)排泵站建設(shè)等一系列工程的實施，寧波市干流防洪能力和平原排澇能力均有一定程度提升。在2016年“莫蘭蒂”臺風(fēng)期間，寧波市因洪澇災(zāi)害造成的損失相較往年同級別臺風(fēng)洪水有所降低。本文的研究思路可為其他城市和地區(qū)防洪排澇工程建設(shè)作用評價提供參考。

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