鐘 娜 ,岳青華 ,徐郡麟
(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2. 浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心,浙江 杭州 311122)
近年來(lái),因暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)和廣大民眾的關(guān)注,不少大中城市出現(xiàn)“城市看?!鼻闆r。相對(duì)內(nèi)陸城市,濱海城市既遭受江河洪水威脅,又遭受風(fēng)暴潮洪水影響,防洪排澇受多方面影響。象山縣位于我國(guó)浙江省寧波市,屬半島平原,長(zhǎng)期受臺(tái)風(fēng)、暴雨和高潮的影響,防洪排澇形勢(shì)較為嚴(yán)峻。同時(shí)下游灘涂地區(qū)規(guī)劃建設(shè)大目灣新城,將減小下游調(diào)蓄的體積,加重上游主城區(qū)的排澇壓力。這種情況隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的騰飛越發(fā)常見(jiàn)。本文以研究象山縣中心城區(qū)的防洪排澇措施為基礎(chǔ),結(jié)合下游大目灣新城建設(shè)共同探討2個(gè)區(qū)域共同達(dá)標(biāo)的措施方案。
象山縣城位于浙江省中部象山半島,東、西、北三面環(huán)山,南面臨海,地勢(shì)西北高,微向東南傾斜,屬山地間平原地帶,由河流沖積和灘涂淤積而成,地勢(shì)低洼,平均海拔接近海平面。中心城區(qū)是象山縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化、服務(wù)中心,也是二、三產(chǎn)業(yè)并舉的寧波市副中心城市,交通方便、市場(chǎng)繁榮。
象山半島為約50 km2左右的“馬蹄形”古海灣,城區(qū)為海拔8 ~ 25 m的緩坡崗地,南門(mén)之外至南莊鄉(xiāng)洋心村,為始于唐代圍墾的南莊平原,海拔3 ~ 8 m。再往南至鶴山,為解放后圍墾的門(mén)前涂,地勢(shì)低洼,海拔<3 m。門(mén)前涂圍塘以外,即為大目涂洋,距城區(qū)約8 km。根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,規(guī)劃分一期、二期2期,在門(mén)前涂海堤以外、大目涂海堤之間建設(shè)15 km2的大目灣新城。
根據(jù)城市總體規(guī)劃確定象山縣城中心城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水,排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇24 h降雨24 h排出。防潮標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。規(guī)劃確定的象山縣城主城區(qū)的規(guī)劃地坪高程為4.30 m,大目灣新城的規(guī)劃地坪高程為4.00 m。
本區(qū)域降水受梅雨期、臺(tái)風(fēng)期降水影響,多年平均降水量為1 481.6 mm,年內(nèi)最大降水出現(xiàn)在6、8、9月份,6 — 9月降水占年降水量的51%。5 — 6月多為梅雨降水,梅雨降水具有歷時(shí)長(zhǎng)、范圍廣的特點(diǎn);8 — 10月多臺(tái)風(fēng)降水,臺(tái)風(fēng)降水具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、雨量集中的特點(diǎn),臺(tái)風(fēng)暴雨與外海高潮遭遇,可形成嚴(yán)重的災(zāi)害。據(jù)丹城站1951 — 2007年短歷時(shí)降雨統(tǒng)計(jì)資料,最大1,3,6,24 h降水分別為104.9,163.6,175.9,358.5 mm,均系臺(tái)風(fēng)影響形成的降水,降水強(qiáng)度很大。
歷史上象山縣城洪澇災(zāi)害頻繁,多次造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。距史志記載,較大的水災(zāi)清代有13次,民國(guó)時(shí)期9次,解放后水災(zāi)年均0.4次,臺(tái)災(zāi)年均0.5次。近年來(lái)象山縣城也發(fā)生過(guò)幾次較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,其中以1956年和2015年較為嚴(yán)重。
1956年8月1日晚,12號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸南莊平原,門(mén)前涂海堤全線倒塌,南莊平原變成汪洋,死亡3 402人,傷5 614人,毀壞財(cái)物無(wú)計(jì),危害慘烈。
2015年臺(tái)風(fēng)“燦鴻”肆虐,是50 a來(lái)7月上旬影響象山縣最為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)。截至7月11日16時(shí),象山縣全縣受災(zāi)人口40 962人,農(nóng)林漁業(yè)損失慘重。其中,農(nóng)作物受災(zāi)面積0.92萬(wàn)hm2(13.9萬(wàn)畝),水產(chǎn)養(yǎng)殖受災(zāi)面積0.56萬(wàn)hm2(8.38萬(wàn)畝)。全縣城建設(shè)施、民房等不同程度受淹,最大積水深度達(dá)到0.80 m;新橋、石浦等地多處出現(xiàn)大面積受災(zāi),144個(gè)村莊、2 400余戶(hù)房屋受淹。此外,由于道路塌方、山體滑坡等原因,導(dǎo)致7條公路中斷、146條供電線路中斷。水利設(shè)施損失嚴(yán)重,其中68處計(jì)3.24 km堤防損壞,161處護(hù)岸、9處水閘、24處灌溉設(shè)施等均遭到不同程度的損毀。
下游象山縣城南部臨海區(qū)由內(nèi)向外分別建成門(mén)前涂海堤、大目涂二期海堤用于防潮,防潮標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。其中:門(mén)前涂海堤防浪墻頂高程為8.00 m,建有22.5 m排澇閘;大目涂二期海堤防浪墻頂高程為8.80 m,建有92.0 m排澇閘,海堤保護(hù)上游的城區(qū)安全,區(qū)域防潮標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)。而上游洪澇水主要通過(guò)大目涂二期海堤上面的排澇閘向外海排泄。
由于特有的地形條件及地理環(huán)境,象山縣城上游不具備修建大型蓄洪、滯洪等控制性防洪工程,只有一些小的水庫(kù)、塘壩,并且分散、獨(dú)立,未能形成完整、有效的防洪體系。主要防洪排澇體系是通過(guò)人工形成的三縱四橫的排洪通道,通過(guò)下游丹城路以南的農(nóng)田區(qū)域(現(xiàn)狀平均地坪2.70 m)以及門(mén)前涂海堤至大目涂二期海堤之間的灘涂區(qū)域(現(xiàn)狀平均地坪1.50 m臨時(shí)調(diào)蓄后,通過(guò)下游的水閘排泄至外海。由于現(xiàn)狀河道、水閘的泄洪寬度不足,泄流能力低,加上區(qū)內(nèi)地面高程低,常形成內(nèi)澇。據(jù)河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型模擬分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知,象山主城區(qū)丹山路以北大部分區(qū)域的現(xiàn)狀防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇,但局部區(qū)域較低,如建設(shè)路 — 靖南路約0.8 km2局部區(qū)域防洪排澇能力僅為5 a一遇;丹山路以南區(qū)域現(xiàn)狀為農(nóng)田,防洪排澇能力僅5 a一遇。
隨著下游大目灣新城及象山主城區(qū)逐漸開(kāi)發(fā)建設(shè),2區(qū)域地坪逐漸抬高至規(guī)劃的地坪高程4.30,4.00 m后,現(xiàn)有可用于臨時(shí)滯洪和調(diào)蓄空間將大為縮減,象山縣上游城區(qū)的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步降低,區(qū)域上游防洪排澇壓力將加重?,F(xiàn)狀區(qū)域防洪排澇格局示意見(jiàn)圖1。
圖1 象山城區(qū)現(xiàn)狀防洪排澇格局示意圖
(1)本區(qū)域臺(tái)風(fēng)形成強(qiáng)降雨,雨量集中,強(qiáng)度大,山區(qū)溪流分散、河道短、落差大、坡度陡、匯流快,洪水陡漲陡落。據(jù)丹城站1951 — 2007年短歷時(shí)降雨統(tǒng)計(jì)資料,最大1,3,6,24 h降水分別為104.9,163.6,175.9,358.5 mm,均系臺(tái)風(fēng)影響形成的降水,降水強(qiáng)度很大。同時(shí)由于用地功能的轉(zhuǎn)變,下墊面不透水層面積增加,暴雨產(chǎn)生的洪水將相應(yīng)增大。
(2)流域缺乏調(diào)蓄性工程,調(diào)蓄空間的減小將不可避免地加重內(nèi)澇。本區(qū)域基本為獨(dú)立入海的水系,不具備建設(shè)為下游削峰的大中型水庫(kù),上游已建小型水庫(kù)也主要承擔(dān)灌溉、供水的任務(wù),故上游洪水不經(jīng)攔蓄直接下泄。從下游來(lái)看,南部現(xiàn)狀南莊平原區(qū)域和門(mén)前涂海堤以外區(qū)域均對(duì)上游城區(qū)下泄的洪澇水有調(diào)蓄作用。隨著大目灣新城的開(kāi)發(fā),地坪將抬高至規(guī)劃地坪,大目灣新區(qū)將無(wú)法繼續(xù)完全作為主城區(qū)的調(diào)蓄區(qū),洪水的滯蓄空間將大為減小。
(3)外江洪水、潮水頂托時(shí)間長(zhǎng),強(qiáng)降雨后易形成內(nèi)澇。大目洋是象山縣城區(qū)內(nèi)澇的唯一承泄區(qū),多年平均最高潮水位達(dá)到3.30 m以上,50 a一遇高潮位達(dá)4.66 m,加上城區(qū)地勢(shì)平緩,汛期受外海潮位頂托影響,洪水外排不暢,洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。
(4)河道、節(jié)制閘和排澇閘的泄洪能力不夠,洪澇水排泄能力不足?,F(xiàn)有的西大河、南大河、東大河等河流的河道規(guī)模較小,河道淤積,無(wú)法及時(shí)排泄洪水。門(mén)前涂海堤上現(xiàn)狀排澇閘寬度僅為22.5 m,上游洪澇水無(wú)法及時(shí)排泄,造成上游水位壅高。同時(shí),小洋心村南大河上的節(jié)制閘僅為8.5 m,百丈岸村東大河的節(jié)制閘僅6.0 m寬,這些河道上面的節(jié)制閘與河道規(guī)模不匹配,成為河道的卡口,嚴(yán)重制約河道的泄水能力。
本文采用MIKE11軟件中的HD(水動(dòng)力學(xué)模塊)建立象山縣中心城區(qū)和下游大目灣新城的沿海平原河網(wǎng)地區(qū)的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用水動(dòng)力學(xué)模塊分析河道規(guī)劃工況下的各控制斷面水位,考慮沿途各關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)建筑物。
為盡量模擬各區(qū)域的水力計(jì)算情況,并盡可能真實(shí)反映各條河流寬度、卡口以及節(jié)制閘等對(duì)區(qū)域防洪排澇的阻水作用等,本文不僅將區(qū)域的三縱四橫的防洪排澇干河在模型中模擬,還盡可能多的將各連通河道也盡可能地概化模擬。本次共概化河流28條,河流總長(zhǎng)69.3 km,概化模型見(jiàn)圖2。在河勢(shì)斷面的突然放大或縮小處、在有控制性結(jié)構(gòu)建筑物處、在有較大旁側(cè)支流匯入處均布設(shè)斷面,本次共布設(shè)159個(gè)計(jì)算斷面,各斷面間距最小為50 m,一般為139 ~ 753 m。
圖2 象山縣城區(qū)防洪排澇模型概化圖
模型中涉及的擋潮閘按照控制建筑物處理,計(jì)算時(shí)設(shè)定底檻高程、閘孔規(guī)模等參數(shù),當(dāng)閘下水位低于閘上水位時(shí)開(kāi)閘,否則關(guān)閘。
對(duì)于存在山區(qū)和平原的地區(qū),上游洪水和下游平原地區(qū)的澇水標(biāo)準(zhǔn)的組合,以及澇水排入河道的方式直接對(duì)平原河網(wǎng)的河道水位產(chǎn)生較大影響,而規(guī)范中未做明確規(guī)定。應(yīng)在充分調(diào)查了解區(qū)域的規(guī)模和發(fā)展前景,調(diào)查了解區(qū)域現(xiàn)狀及未來(lái)雨水管網(wǎng)建設(shè)情況的基礎(chǔ)上,并考慮適當(dāng)留有裕度??紤]本區(qū)域山區(qū)與平原屬同一流域,且流域面積均不大,發(fā)生頻率接近的暴雨的可能性較大,同時(shí)為區(qū)域排澇留有一定余地,根據(jù)總體規(guī)劃確定洪澇組合本區(qū)域的防洪排澇為采取50 a一遇洪水疊加20 a一遇澇水的洪澇頻率組合,同時(shí)澇水進(jìn)入河道的形式在24 h排出基礎(chǔ)上適當(dāng)留有余地,按照12 h標(biāo)準(zhǔn)平均排入河道。
沿海地區(qū)長(zhǎng)期受風(fēng)、暴、潮的影響,上游洪澇水常常受到下游高潮位的頂托無(wú)法排出,從而造成上游嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。暴雨和下游潮位的遭遇頻率、上游洪峰和下游高潮位遭遇的時(shí)間對(duì)于沿海地區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要。應(yīng)充分收集歷史實(shí)際洪潮遭遇資料,進(jìn)行頻率和遭遇時(shí)間分析,并考慮適當(dāng)留有余地確定計(jì)算采用的洪潮組合及遭遇問(wèn)題。
根據(jù)1981 — 2007年實(shí)測(cè)洪水統(tǒng)計(jì),27 a系列中有2 a(1983年、1997年)出現(xiàn)最高潮位與最大降水發(fā)生在同一天。1997年8月18日臺(tái)風(fēng)與年內(nèi)大潮遭遇,下游大目涂出現(xiàn)1981年有觀測(cè)潮位以來(lái)的首位(最高潮位達(dá)4.54 m黃海高程),潮位的頻率約為50 a一遇;同時(shí),上游臺(tái)風(fēng)帶來(lái)強(qiáng)降水,丹城站3日降水達(dá)317.0 mm,為1981年以來(lái)的首大,3日降水量非常突出,暴雨的頻率約20 a一遇;經(jīng)實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析,最高潮位約滯后于雨峰之后5 h出現(xiàn)。故在考慮洪潮組合時(shí),除考慮常規(guī)的多年平均高潮位疊加常遇洪水、上游多年平均常遇洪水(P = 50%頻率)疊加外海設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)防潮標(biāo)準(zhǔn)之外,考慮實(shí)際發(fā)生的洪潮遭遇頻率和時(shí)間,考慮50 a一遇洪水疊加外海50 a一遇高潮位,最高潮于洪峰之后5.0 h出現(xiàn)的組合。
平原河網(wǎng)可用的防洪排澇措施主要包括蓄、分、排、擋等措施,通過(guò)對(duì)規(guī)劃區(qū)的地形條件、上下游水力關(guān)系、河道規(guī)模及排洪能力、規(guī)劃區(qū)建設(shè)進(jìn)度及用地要求等方面進(jìn)行綜合判斷,對(duì)上述防洪排澇措施逐項(xiàng)分析,認(rèn)為本區(qū)域可用的防洪排澇措施包括:下游大目灣新城建設(shè)調(diào)蓄湖,拓寬排洪干流河道和排澇閘等卡口、結(jié)合沿岸治污、生態(tài)修復(fù)及景觀規(guī)劃實(shí)施筑堤或護(hù)岸工程。同時(shí)地面按照城市的建設(shè)抬高,實(shí)現(xiàn)澇水自排。
大目灣新城建設(shè)前具有為上游城區(qū)調(diào)蓄的作用,作為大目灣新城開(kāi)發(fā)建設(shè)后,地坪將按規(guī)劃的4.00 m進(jìn)行規(guī)劃建設(shè),區(qū)域調(diào)蓄作用將減弱,從保障自身和上游的防洪排澇安全考慮,建議在下游結(jié)合大目灣新城生態(tài)水系的建設(shè)及高爾夫球場(chǎng)、綠化等設(shè)施的建設(shè),保留一定規(guī)模的滯洪區(qū)域。
象山縣中心城區(qū)50 a一遇洪水的24 h洪水總量為2 856萬(wàn)m3,其中山區(qū)為1 214萬(wàn)m3,平原區(qū)為1 642萬(wàn)m3。以50 a一遇洪水遭遇50 a一遇潮位的洪潮遭遇工況進(jìn)行分析,當(dāng)大目灣漲潮,外海潮位高于滯洪區(qū)水位時(shí),大目涂二期海堤上的排澇閘無(wú)法開(kāi)啟,此時(shí)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的洪澇水無(wú)法排出。大目灣漲潮潮水位高于規(guī)劃區(qū)內(nèi)水位的時(shí)間為4.5 ~ 5.5 h,此段時(shí)間需存蓄于滯洪區(qū)內(nèi)的水量約為1 200萬(wàn)m3。若通過(guò)滯洪區(qū)和河網(wǎng)進(jìn)行調(diào)蓄,考慮大目灣新城規(guī)劃地坪4.00 m的目標(biāo),調(diào)蓄區(qū)底高程按-1.00 m,則滯洪區(qū)規(guī)模應(yīng)不低于2.1 km2,相應(yīng)大目涂新城的洪水位為3.67 m,相應(yīng)滯洪區(qū)調(diào)蓄水量為560.7萬(wàn)m3、河網(wǎng)調(diào)蓄水量約603.3萬(wàn)m3,可見(jiàn)滯洪區(qū)對(duì)于區(qū)域的防洪排澇作用非常顯著。
要滿(mǎn)足象山縣中心城區(qū)的防洪排澇要求,除下游調(diào)蓄措施外,還需通過(guò)局部疏浚和擴(kuò)寬等措施來(lái)保證排洪河道的通暢和河網(wǎng)的連通,縱向河道規(guī)模經(jīng)河網(wǎng)水利計(jì)算確定。
象山縣中心城區(qū)規(guī)劃地坪高程為4.30 m,在考慮相關(guān)規(guī)劃措施后,按照規(guī)劃地坪可滿(mǎn)足目標(biāo)排澇要求。但經(jīng)對(duì)地形圖內(nèi)業(yè)作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,建設(shè)路 — 靖南路約0.8 km2的老城區(qū)地坪高程約為3.60 m;同時(shí)丹山路下游現(xiàn)南莊平原農(nóng)村區(qū)域約18 km2的區(qū)域,地面高程為2.40 ~ 3.30 m,平均高程約為2.70 m,由于城市開(kāi)發(fā)建設(shè)的時(shí)序性以及舊城改造的難度,還應(yīng)兼顧這2處區(qū)域地坪尚處于較為低矮的情況,研究分析調(diào)度等措施使其在建設(shè)過(guò)程中不致受淹嚴(yán)重。
4.3.1 排水路徑方案
考慮充分利用現(xiàn)有的主要排澇河道及連通性、節(jié)制閘等水工建筑物,擬定“統(tǒng)排”和“分排”2種排洪澇路徑,對(duì)丹山路南北的澇水、山區(qū)洪水不同的排洪方式進(jìn)行研究。
統(tǒng)排方案:丹城區(qū)域周邊山區(qū)的洪水經(jīng)坡面匯流進(jìn)入丹城城區(qū),匯合城區(qū)澇水,并主要通過(guò)橫向河道進(jìn)入西大河、南大河和東大河3條縱向河道,進(jìn)入橫大河,經(jīng)擴(kuò)建的岳頭嘴水閘和柴嘴頭水閘進(jìn)入大目涂二期滯洪區(qū)后,經(jīng)大目涂二期海堤上面的92 m排澇閘排至外海。
分排方案:山區(qū)洪水和丹山路以北區(qū)域的澇水通過(guò)橫向河道進(jìn)入東大河通過(guò)柴嘴頭水閘排入大目涂滯洪區(qū),丹山路以南區(qū)域的澇水通過(guò)西大河、南大河通過(guò)岳頭嘴水閘排入大目涂滯洪區(qū),當(dāng)滯洪區(qū)水位高于西大河和南大河的水位時(shí)關(guān)閉岳頭嘴水閘。2種排水路徑的水利計(jì)算成果見(jiàn)圖3。
圖3 象山縣中心城區(qū)不同排水路徑方案示意圖
4.3.2 兩方案作用及效果
統(tǒng)排方案將丹城路以北的洪澇水分別通過(guò)縱向河道向下游排泄,排水通道相對(duì)較順暢,丹城路以北區(qū)域洪澇水位可降低相對(duì)低一些,為3.51 ~ 3.57 m,可以滿(mǎn)足已建城區(qū)的局部低洼地帶的排澇水位3.6 m,同時(shí)丹城路以南區(qū)域水位為2.65 ~ 2.83 m,略高一些,但仍基本在區(qū)域的允許高程2.70 m范圍內(nèi),基本可以滿(mǎn)足農(nóng)田的排澇要求。
分排方案由于利用現(xiàn)有西大河和南大河的節(jié)制閘和岳頭嘴水閘的節(jié)制措施將丹城路以南的洪澇水水位高程降低為2.50 ~ 2.59 m,低于南部較低的未開(kāi)發(fā)區(qū)域的農(nóng)田平均高程2.70 m,但丹城路以北的局部洪澇水位達(dá)到3.82 ~ 3.87 m,高于該區(qū)域的地坪高程0.20 m,區(qū)域澇水將無(wú)法排出,將造成主城區(qū)的交通道路、小區(qū)等受淹給居民出行等造成不利影響。
4.3.3 排水路徑選擇
考慮對(duì)城市居民的影響以及農(nóng)田的耐淹深度等原因,建議本區(qū)域選擇統(tǒng)排路徑。即各自區(qū)域的洪澇水分別通過(guò)臨近排洪干河向下游排泄,以盡快降低北部主城區(qū)的洪水位的目的。對(duì)于不同的規(guī)劃區(qū)域應(yīng)結(jié)合不同的保護(hù)區(qū)特點(diǎn)確定排澇方案。
(1)沿海平原河網(wǎng)地區(qū)的水動(dòng)力關(guān)系較為復(fù)雜,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬時(shí),應(yīng)對(duì)采用的洪潮組合、洪澇組合進(jìn)行詳細(xì)分析,在具備條件時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際的水位潮位資料詳細(xì)分析后采用。
(2)在濱海地區(qū)尤其下游原灘涂區(qū)域規(guī)劃建設(shè)新城的區(qū)域,除通過(guò)填高地坪、疏浚河道等措施外,還可結(jié)合新城的規(guī)劃及水系設(shè)計(jì),設(shè)置一定規(guī)模的滯洪區(qū),以保障上游老城區(qū)的調(diào)蓄容積,同時(shí)也為下游新城的景觀和生態(tài)用水提供存蓄空間。
(3)按照規(guī)劃地坪進(jìn)行城市的防洪排澇規(guī)劃方案研究時(shí),應(yīng)考慮老城區(qū)局部低矮區(qū)域和舊城改建的時(shí)序等因素,充分利用現(xiàn)有節(jié)制閘措施,設(shè)置不同的排水路徑,保障局部低矮區(qū)域在改造過(guò)程中的排澇安全。