閆偉偉，何德舜，廖文俊

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

漲渡湖流域位于武漢市新洲區(qū)南部，東抵舉水河西堤，與黃岡市團(tuán)風(fēng)縣隔河相望，西接倒水東堤，南依長(zhǎng)江堵龍干堤，北鄰新洲區(qū)汪集街，因“漲水為渡、落水為湖”而得名。流域河湖密布，水系復(fù)雜，水利工程眾多，確定合理的防洪排澇規(guī)劃方案是保障該區(qū)域防洪安全[1-4]的重點(diǎn)。

漲渡湖承接舉、倒二水下游區(qū)間524 km2的來(lái)水，漲渡湖主港以上流域面積為344 km2，可分為西港、東港，中間有水系經(jīng)兌公咀湖、安仁湖和三寶湖與主港相連。漲渡湖主港以下流域面積為180 km2，其中漲渡湖主湖區(qū)面積為40 km2，漲渡湖主湖西部和南部面積為90 km2(包括陶家大 湖、七湖)，漲渡湖主湖東部面積為50 km2。

漲渡湖區(qū)主要排水泵站為沐家涇一泵站(設(shè)計(jì)排水流量47 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)、沐家涇二泵站(設(shè)計(jì)排水流量47 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)和蔑扎湖泵站(設(shè)計(jì)排水流量50 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)等3座泵站，主要功能是將漲渡湖區(qū)的沐家涇主港、西港和東港的澇水在外河高水位時(shí)排至舉水和倒水，再由舉、倒二水排至長(zhǎng)江，總排水流量144 m3/s，總裝機(jī)1.8 萬(wàn)kW。

根據(jù)已批復(fù)的《武漢市新洲區(qū)漲渡湖、柴泊湖水利綜合治理規(guī)劃》：漲渡湖整體防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，漲渡湖排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇15 d暴雨控制漲渡湖最高水位不超過(guò)20.5 m[5]。

1 湖泊調(diào)蓄演算模型及方法

考慮到漲渡湖流域水系的復(fù)雜性，本次擬采用明渠非恒定流圣維南偏微分方程組來(lái)模擬河道水位流量過(guò)程[6]；節(jié)制閘、分水閘、無(wú)支流的集中入流等作為內(nèi)邊界條件；外排閘站、上下游入出流、已知流量或水位等作為外邊界條件；湖泊作為蓄水汊點(diǎn)處理，而河渠交界作為不蓄水汊點(diǎn)處理；對(duì)可分洪內(nèi)垸或分蓄洪區(qū)，啟用狀態(tài)下處理成堰流內(nèi)邊界，不啟用狀態(tài)下為流量已知的外邊界條件。采用隱式差分法將圣維南方程組、邊界條件方程和汊點(diǎn)方程離散成線性方程組，并采用牛頓迭代及高斯列主元消去法求解該方程組，從而得到各計(jì)算斷面的水位和流量過(guò)程。

1.1 河網(wǎng)概化及斷面劃分

依據(jù)流域河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)、常規(guī)水流走向、現(xiàn)有流域內(nèi)水利工程布局等因素，構(gòu)建流域河網(wǎng)現(xiàn)狀概化圖，同時(shí)可根據(jù)流域防洪除澇存在的問(wèn)題，在提出規(guī)劃工程的基礎(chǔ)上構(gòu)建河網(wǎng)規(guī)劃概化圖，據(jù)此可求出流域內(nèi)不同工況的各特征斷面的水位及流量變化過(guò)程，為工程效果分析及工程規(guī)模的擬定提供定量的科學(xué)依據(jù)。河網(wǎng)概化和斷面劃分見(jiàn)圖1。

圖1 漲渡湖排澇系統(tǒng)概化圖Fig.1 Sketch of Zhangdu Lake drainage system

由圖1可見(jiàn)主控閘站、調(diào)蓄湖泊、河渠分布等。倒水和舉水上游概化渠共計(jì)24 km2來(lái)水通過(guò)上游閘站排入倒水和舉水，該部分來(lái)水不參與洪水分析，實(shí)際參與洪水分析的共計(jì)500 km2區(qū)域。

沐家涇一、二泵站由于距離較近，將其概化成1座泵站，流量按兩者之和計(jì)；漲北1號(hào)、2號(hào)調(diào)洪閘由于距離較近，功能相似，將其概化成1座水閘，流量按兩者之和計(jì)，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，概化處理對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小。主港西北側(cè)、漲渡湖西北側(cè)和西南側(cè)有排澇泵站，將其概化成點(diǎn)源入流；主港東部南北側(cè)有多座排澇泵站，將其概化成線源入流，漲渡湖主湖自身40 km2來(lái)水概化成線源入流。

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

模型模擬前必須確定模擬時(shí)刻前一時(shí)刻各斷面的水位和流量以便實(shí)現(xiàn)遞推計(jì)算，因此，初始時(shí)刻各斷面的水位和流量須事先賦值。本規(guī)劃假設(shè)初始時(shí)刻河網(wǎng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，各斷面流量接近于0，水位為規(guī)劃起排水位。

1.2.2 邊界條件

本次排澇系統(tǒng)入流開邊界為東港、西港、概化中港和概化陶七港上游端。根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，本次采用典型年設(shè)計(jì)雨洪過(guò)程[7]，期間由于外江(河)水位均高于內(nèi)河水位，沐家涇閘和漲渡湖閘均呈關(guān)閉狀態(tài)，因此排水途徑僅考慮泵站外排。閉邊界為主港和蔑扎湖泵站渠末端，若考慮于挖溝港增加外排泵站時(shí)，則閉邊界增設(shè)1處，為挖溝港末端。

2 防洪排澇調(diào)度方案

漲渡湖起排水位為19.0 m，最高控制水位為20.5 m。

漲渡湖流域防洪排澇體系采取分區(qū)提排、聯(lián)合自排、湖泊滯洪、靈活調(diào)度，先確保城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)安全，再搶排農(nóng)田漬水，最后排除湖泊澇水，盡量減少洪澇災(zāi)害損失。

漲渡湖區(qū)外排站主要為蔑扎湖泵站和沐家涇一、二泵站。蔑扎湖泵站設(shè)計(jì)排澇流量50 m3/s，沐家涇一、二泵站設(shè)計(jì)排澇流量均為47 m3/s。蔑扎湖泵站主要排除西港及主港西部流域約150 km2澇水，沐家涇一、二泵站排除東港流域、主港中東部(包括兌公咀湖、安仁湖和三寶湖)及漲渡湖主湖東部約244 km2澇水。漲渡湖主湖及西部、南部共130 km2澇水入漲渡湖后經(jīng)調(diào)洪閘進(jìn)入主港，主要由沐家涇一、二泵站予以排除。

在來(lái)水流量小于144 m3/s時(shí)，來(lái)多少抽多少，控制漲渡湖和主港水位維持在起排水位19.0 m，來(lái)水流量大于144 m3/s時(shí)，泵站滿開全力抽排。

3 湖泊現(xiàn)狀防洪能力分析

基于現(xiàn)狀工況，分析漲渡湖的現(xiàn)狀防洪能力?，F(xiàn)狀工況指：

(1)所有閘站的過(guò)流能力均能達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

(2)入湖、入河洪水采用現(xiàn)狀下墊面條件下的洪水過(guò)程。

(3)湖容曲線按現(xiàn)狀考慮。

現(xiàn)狀工況下，利用河網(wǎng)水力學(xué)模型分別對(duì)漲渡湖10年一遇、20年一遇、50年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程進(jìn)行防洪調(diào)度模擬演算，得到河網(wǎng)各斷面水位流量過(guò)程[8,9]。

根據(jù)，現(xiàn)狀工況下漲渡湖10年一遇最高洪水位為20.48 m，20年一遇最高洪水位為20.83 m，50年一遇最高洪水位為21.05 m。

漲渡湖堤防現(xiàn)狀堤頂高程超過(guò)21.5 m，若考慮1.0 m的超高，可以防御10年一遇洪水，這說(shuō)明漲渡湖現(xiàn)狀防洪能力不高。

去掉百分比≤5%的證候要素，最終共得到19個(gè)證候要素：病位類：肝、心、脾、肺、腎、胃、腦神、膽，病性類：痰濁、氣滯、氣逆、氣虛、血瘀、血虛、血熱、陰虛、陽(yáng)虛、陽(yáng)亢、津虧，具體出現(xiàn)頻數(shù)及所占百分比見(jiàn)表1。

4 規(guī)劃方案擬定

4.1 方案設(shè)置考慮因素

根據(jù)湖泊及所屬流域的水系及水利工程情況，可采取如下3個(gè)方面的工程措施來(lái)提高湖泊防洪能力：

(1)增加調(diào)蓄能力。退漁(田)還湖；設(shè)置分洪內(nèi)垸。由于湖泊保證水位難以提高，所以未考慮提高保證水位增加調(diào)蓄能力的情況。

(2)增加外排能力。現(xiàn)有泵站增容；新建外排泵站；湖區(qū)港渠整治；河道上阻水建筑物改造。

(3)高水高排。疏通上游港渠，將上游澇水直接由上游泵站排入倒水和舉水，泵站可擴(kuò)建或新建，減小下游澇水量。

4.2 方案產(chǎn)生原則

結(jié)合漲渡湖流域?qū)嶋H情況，對(duì)20年一遇的洪水，規(guī)劃的原則是：盡量維持現(xiàn)有蓄泄格局，首先考慮排水干渠疏挖、阻水建筑物改造、閘站更新改造等措施，充分發(fā)揮湖泊蓄澇能力和閘站外排能力；若現(xiàn)有蓄泄格局不足以統(tǒng)籌解決20年一遇洪水，則優(yōu)先考慮退漁(田)還湖和分洪方案，其次考慮泵站增容方案[10-15]。

4.3 退漁(田)還湖、分洪垸設(shè)置可行性分析

退漁還湖包括漲渡湖、陶家大湖、七湖、兌公咀湖、安仁湖和三寶湖等6座湖泊。由于武漢市各湖泊均已確定湖泊“三線”，本次主要針對(duì)上述6座湖泊藍(lán)線內(nèi)的現(xiàn)有魚塘進(jìn)行退漁還湖。

本次對(duì)上述6座湖泊藍(lán)線內(nèi)的調(diào)蓄容積(常年蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位之間的湖容)按退漁還湖前、后進(jìn)行復(fù)核，6座湖泊調(diào)蓄容積退漁還湖后較現(xiàn)狀增加了408 萬(wàn)m3，實(shí)際上增加的湖泊調(diào)蓄容積遠(yuǎn)較湖區(qū)20年一遇15 d雨洪量要小，對(duì)區(qū)域雨洪的調(diào)蓄作用不明顯，主要原因是設(shè)計(jì)洪水位情況下，湖泊藍(lán)線內(nèi)許多魚塘被淹，實(shí)際上已經(jīng)算作了現(xiàn)狀調(diào)蓄容積。

漲渡湖周邊區(qū)域的用地已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃，漲渡湖藍(lán)線外設(shè)置分洪垸的想法已經(jīng)不具備可行性。

4.4 調(diào)蓄演算方案組合

(1)增加調(diào)蓄能力。本次規(guī)劃僅考慮退漁還湖，設(shè)置分洪內(nèi)垸不具備可行性。

(2)增加外排能力。漲渡湖流域排水干渠體系較為完善，但二級(jí)排水港渠淤積阻水嚴(yán)重，需進(jìn)行整治，港渠上阻水建筑物進(jìn)行需配套改造。現(xiàn)有外排泵站增容或新建外排泵站通過(guò)比選確定。

目前，漲渡湖閘除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行前期工作，蔑扎湖泵站和沐家涇一、二泵站已進(jìn)行過(guò)更新改造。漲渡湖閘和沐家涇閘聯(lián)合自排能力達(dá)到540 m3/s，歷史數(shù)據(jù)和分析計(jì)算表明，該自排流量可以滿足漲渡湖流域排澇期自排需求。漲渡湖流域較大澇災(zāi)一般發(fā)生在外江水位高于內(nèi)湖水位時(shí)期，受外排泵站排澇能力不足影響，連續(xù)大暴雨導(dǎo)致湖水位持續(xù)走高而成災(zāi)。因此，本次增加外排能力的思路是增加提排流量。

增加提排流量就現(xiàn)有排水系統(tǒng)情況來(lái)看(必須要有一級(jí)排水港渠)，有4種方案可以比選：蔑扎湖泵站增容改造(與主港相連)；沐家涇泵站增容改造(與主港相連)；新建挖溝泵站(現(xiàn)有挖溝港)；于倒水東堤陶家大湖處新建泵站(現(xiàn)有陶家大湖—七湖—漲渡湖連通渠)。

若于倒水東堤陶家大湖處新建泵站，水流走向?yàn)闈q渡湖--七湖--陶家大湖?，F(xiàn)狀雖有排水港渠，但陶家大湖--七湖--漲渡湖輸水渠斷面較小，過(guò)流能力不足，且實(shí)際地形為西高東低，需對(duì)輸水渠道進(jìn)行擴(kuò)挖改造，涉及大量的占地，工程量較大。加之陶家大湖和七湖湖床相對(duì)較高，同時(shí)也需要對(duì)上述兩湖進(jìn)行湖底清淤和湖盆改造，工程投資將會(huì)明顯增加。因此該方案可予以淘汰。

(3)高水高排。漲渡湖上游區(qū)澇水較為分散，現(xiàn)狀無(wú)排水干渠將澇水集中，若考慮高水高排，將上游澇水撇除，則需開挖較長(zhǎng)的排水干渠，配套較大的排水泵站，工程量過(guò)大，本次不予考慮。

綜上所述，由于本次擬進(jìn)行退漁還湖、湖區(qū)港渠整治、阻水建筑物改造，上述為調(diào)蓄演算方案組合中的必選項(xiàng)，比選項(xiàng)為：不增加提排能力；蔑扎湖泵站增容改造；沐家涇泵站增容改造；新建挖溝泵站。

表1 湖泊防洪規(guī)劃方案組合Tab.1 Combination of flood control planning schemes for lakes

4.5 方案比選

對(duì)表1中各方案分別進(jìn)行洪水演算，方案2～4需要假定增加的提排流量，當(dāng)漲渡湖最高水位正好為20.5 m時(shí)，可認(rèn)為該提排流量比較合適。

規(guī)劃方案防洪調(diào)度模擬成果見(jiàn)表2。

表2 規(guī)劃方案防洪調(diào)度模擬成果(P=5%)Tab.2 Scheduling simulation results of flood control plan (P=5%)

由表2可知，方案1較現(xiàn)狀(20.85 m)將漲渡湖最高水位降低了0.07 m，究其原因，排水干渠現(xiàn)狀過(guò)流能力基本滿足要求，疏挖排水港渠不能明顯增加提排能力，阻水建筑物主要集中在陶家大湖--七湖--漲渡湖連通渠，對(duì)其進(jìn)行改造可以適當(dāng)降低連通渠水位，但對(duì)漲渡湖水位影響較小。退漁還湖可以適當(dāng)增加調(diào)蓄容積，但由于增加的湖容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于來(lái)水量，所以最高水位降低幅度有限。方案1在不增加提排能力的情況下，不能將漲渡湖最高水位控制在20.5m，不滿足設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)要求。

方案2～4在增加外排流量的情況下，水位均有降低，以方案4降低幅度最大，方案2與方案3相差不大。方案4在增加60 m3/s的情況下，可以將漲渡湖最高水位控制在20.5 m，方案2和方案3在增加80 m3/s的情況下，也不能將漲渡湖最高水位控制在20.5 m。

本次對(duì)方案2～4進(jìn)行詳細(xì)比選：

(1)方案2。蔑扎湖泵站位于倒水東堤26+000處，承泄區(qū)為倒水下游，汛期為長(zhǎng)江回水區(qū)。蔑扎湖泵站引水渠長(zhǎng)2.8 km，接西港下游，底寬32 m，渠底高程15～16 m，縱坡1∶3 000，邊坡1∶2，渠頂高程22 m，設(shè)計(jì)流量164 m3/s。蔑扎湖泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位為16.5 m，漲渡湖排澇期設(shè)計(jì)水位為19.5 m，水位差為3 m。根據(jù)排澇期外江水位觀測(cè)資料，長(zhǎng)江龍口閘處排澇期平均水位較長(zhǎng)江漲渡湖閘處高出接近0.5 m，若擴(kuò)建蔑扎湖泵站，則所需設(shè)計(jì)揚(yáng)程較漲渡湖閘處高出3.5 m，且根據(jù)防洪調(diào)度模擬，增加流量需達(dá)到100 m3/s左右才能滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，從建設(shè)和運(yùn)行成本來(lái)說(shuō)，方案2運(yùn)行費(fèi)用較高。

另外，若擴(kuò)建蔑扎湖泵站，漲渡湖主湖區(qū)130 km2澇水需經(jīng)由漲渡湖北部調(diào)洪閘進(jìn)入主港，經(jīng)主港往西由西港進(jìn)入蔑扎湖泵站引水渠，從調(diào)洪閘至蔑扎湖泵站距離在8 km以上，排澇流程長(zhǎng)，影響漲渡湖主湖澇水出流速度。最主要的是，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分區(qū)提排的目標(biāo)，漲渡湖主湖澇水實(shí)際上仍通過(guò)東西兩線的舉、倒二水排入長(zhǎng)江。因此，方案2技術(shù)上不盡合理。

(2)方案3。沐家涇一泵站位于舉水長(zhǎng)江口上游約8.7 km處，沐家涇閘南100 m處，一泵站引水渠與主港相接，長(zhǎng)約550 m，設(shè)計(jì)流量54 m3/s。沐家涇二泵站位于一泵站以南500 m處，二泵站引水渠與主港相接，長(zhǎng)1 990 m，港底高程16 m，邊坡坡比1∶2.5，底寬30 m，設(shè)計(jì)流量54 m3/s?，F(xiàn)有一、二泵站引水渠設(shè)計(jì)流量略大于沐家涇一、二泵站設(shè)計(jì)流量之和(均為94 m3/s)，若擴(kuò)建沐家涇泵站，需擴(kuò)挖或新建引水渠。沐家涇一、二泵站內(nèi)湖設(shè)計(jì)水位19.4 m，漲渡湖排澇期設(shè)計(jì)水位為19.5 m，根據(jù)排澇期外江(河)水位觀測(cè)資料，長(zhǎng)江沐家涇閘處排澇期平均水位較長(zhǎng)江漲渡湖閘處低0.06 m，從提排揚(yáng)程上看，沐家涇與挖溝兩處選址差別很小。但根據(jù)防洪排澇演算模擬，增加流量需達(dá)到90 m3/s左右才能滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，從建設(shè)和運(yùn)行成本來(lái)說(shuō)，方案3運(yùn)行費(fèi)用較高。

另外，若于沐家涇擴(kuò)建泵站，與方案2一樣，排澇流程長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分區(qū)提排的目標(biāo)，技術(shù)上不盡合理。

(3)方案4。若于挖溝處新建外排泵站，現(xiàn)有挖溝港直接連通漲渡湖至漲渡湖閘，全長(zhǎng)1.5 km，設(shè)計(jì)流量240 m3/s，漲渡湖澇水可經(jīng)由最短途徑(相較其他方案)直接排入長(zhǎng)江，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)分區(qū)排水的目標(biāo)，防洪排澇調(diào)度上更為靈活，技術(shù)上更為合理。泵站設(shè)計(jì)流量為60 m3/s時(shí)，即可滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，且提水揚(yáng)程相對(duì)較低，有現(xiàn)成引水渠可資利用，設(shè)計(jì)引水流量滿足提排要求，經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)。

挖溝泵站所在的挖溝港東側(cè)和西側(cè)分別有30 km2和28 km2的澇水通過(guò)匯水渠進(jìn)入挖溝港，抽排期上述58 km2的澇水通過(guò)挖溝港匯入漲渡湖。若挖溝泵站建成后，上述澇水可通過(guò)泵站直排，無(wú)需進(jìn)入漲渡湖調(diào)蓄，且七湖以上50 km2的澇水還可以通過(guò)擴(kuò)挖渠道進(jìn)入挖溝港后由挖溝泵站直排，實(shí)現(xiàn)先排田、后排湖。

挖溝港西側(cè)有雙柳街辦、武漢新港古龍港口產(chǎn)業(yè)園和武漢國(guó)家航天產(chǎn)業(yè)基地，挖溝泵站建成后，通過(guò)渠道疏挖和節(jié)制閘改造等配套設(shè)施，可對(duì)上述重要保護(hù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)直排。若后期進(jìn)一步完成工程配套措施，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶家大湖和七湖區(qū)域的直排，保護(hù)范圍內(nèi)包含華中影視城等大型產(chǎn)業(yè)基地，總直排面積可達(dá)到108 km2，可覆蓋整個(gè)漲渡湖南部地區(qū)，從而結(jié)束依靠漲渡湖以北區(qū)域泵站先排湖、再排田的不利局面。

綜上所述，推薦方案4作為漲渡湖流域防洪工程規(guī)劃推薦方案，即湖堤加高加固、退漁還湖、湖區(qū)港渠整治、阻水建筑物改造、新建挖溝泵站(設(shè)計(jì)流量60 m3/s)。

5 結(jié) 語(yǔ)

漲渡湖流域河湖密布，水系復(fù)雜，水利工程眾多。如何合理地確定防洪排澇規(guī)劃方案是一個(gè)值得研究的課題，筆者通過(guò)建立湖泊調(diào)蓄演算模型，進(jìn)行湖泊調(diào)蓄演算，提出了經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的防洪排澇規(guī)劃方案，推薦方案包括新建挖溝排澇泵站(設(shè)計(jì)排澇流量60 m3/s)。

該設(shè)計(jì)方案已通過(guò)專家評(píng)審并獲得相關(guān)部門批復(fù)，可為類似平原水網(wǎng)地區(qū)的防洪排澇工程規(guī)劃提供參考。

□