蔣建靈

（浙江省杭州市水利發(fā)展規(guī)劃研究中心，浙江 杭州 310014）

1 研究背景

杭州市區(qū)運河以西地區(qū)西面以苕溪為界，北面以杭州市界附近東塘港為界，東面以京杭運河為界，南面以杭州山區(qū)分水嶺為界，處在浙西低山丘陵向浙北平原過渡地帶，地勢由西南向東北傾斜，總面積約579 km2，扣除西湖流域及老城區(qū)面積（約93 km2），余下部分面積486 km2。杭州運河以西地區(qū)地勢上由西南向東北傾斜，西南為流域的上游，屬低山丘陵地帶，往東北進入流域下游，屬平原河網(wǎng)地帶。上游為山區(qū)，中下游新建了小和山高教園區(qū)。下游平原區(qū)河網(wǎng)縱橫，為杭州市區(qū)西部城鄉(xiāng)結合區(qū)，包括西湖區(qū)的留下街道、蔣村街道和余杭區(qū)的閑林街道。城西區(qū)域上承西部山水，下受湖州、嘉興平原水位頂托影響，防洪排澇形勢嚴峻。自2007年以來，杭州市先后遭遇“羅莎”臺風和“菲特”臺風等多次暴雨洪水，城西地區(qū)首擋其沖，內澇嚴重，經(jīng)濟損失慘重，社會反響較大。2018年，浙江省政府將省級產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)——杭州城西科創(chuàng)大走廊產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)落戶于城西，2020年，浙江省政府決定在杭州城西科創(chuàng)大走廊產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)在全省率先試點數(shù)字化城市建設——城市大腦，杭州城西區(qū)域地位無可比擬，城西區(qū)域淹不得，淹不起，區(qū)域發(fā)展對水利保障提出了更高的要求。針對區(qū)域防洪排澇存在的問題，杭州市城市防洪減災規(guī)劃和相關城西洪水出路研究課題提出以“上蓄、中滯、下排”為原則的一系列防澇工程，規(guī)劃和研究課題均提出上蓄工程閑林水庫、中滯工程西溪濕地調蓄、下排工程“西部排水快速通道”，目前閑林水庫已建成投入運行，西溪濕地調蓄工程通過科學調度，正積極發(fā)揮蓄滯洪作用，下游骨干河道拓寬整治工程基本無實施。目前規(guī)劃下游河道拓寬受城市快速發(fā)展影響，實施難度極大，故城西區(qū)域主要存在下排通道受阻、排水不暢等問題；另外，近年來下游嘉興、湖州地區(qū)加大實施城市包圍、城鎮(zhèn)圩區(qū)工程，外圍骨干河網(wǎng)水位呈逐年上升趨勢，使城西下游河道排水時流速慢，排水受下游頂托時間長［1-6］。

國內學者已總結出洪澇災害的危害，如譚徐明等［7］認為洪澇災害是發(fā)生頻率最高、影響范圍最廣的自然災害，山區(qū)暴雨洪水引發(fā)的山洪泥石流是死亡人口最多的自然災害。因此基于城西區(qū)域特殊地理位置和規(guī)劃工程實施現(xiàn)狀，為適應新時代社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調發(fā)展，減輕和預防洪澇災害給城西地區(qū)居民帶來的生命和財產(chǎn)威脅，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，更有必要系統(tǒng)分析杭州市區(qū)城西洪澇災害成因，因地制宜提出對策，為徹底解決該地區(qū)洪澇災害問題提供依據(jù)。

本文提出深隧排洪方案——城西南排通道，將城西澇水就近排放錢塘江，可大大緩解城市洪澇壓力，提高防洪減災能力。深隧排水系統(tǒng)是一種行之有效的內澇防治工程措施，縱觀國內外城市深隧排水案列，國外多個國家已經(jīng)有了較為成熟的應用，比如：法國巴黎地下水處理系統(tǒng)管道總長達2400 km，深達50 m；日本東京“首都圈外圍排水工程”由地下管道、儲水立坑組成，包括總長6.3 km、內徑10 m的地下管道；美國芝加哥隧道及水庫隧道工程，隧道長211 km，深45～91 m，直徑2.7～10.8 m；英國倫敦泰晤士深層排水隧道工程，長35 km、最深處達75 m。國內相對較少，尚處于試點階段：廣州深層隧道排水系統(tǒng)工程東濠涌試驗段工程，長1.7 km、直徑6 m，具有排水、排污或配水等多功能；上海蘇州河深隧工程，長約17 km，管徑8 m，具有排水、排污功能。

2 城西洪澇現(xiàn)狀分析

2.1 城西洪澇災害及現(xiàn)狀防澇能力分析 近十年來杭州城西區(qū)域遭受的較大洪澇災害為2013年“菲特”臺風暴雨洪水。2013年10月，受第23號“菲特”臺風影響，杭州市出現(xiàn)了大范圍的持續(xù)強降雨，全市面雨量186 mm，重現(xiàn)期約為35年。“菲特”臺風對杭州城西地區(qū)造成嚴重影響，五常港南端最高水位4.15 m，沿山河（慶豐新村）最高水位4.11 m，拱宸橋最高水位3.64 m。部分區(qū)域出現(xiàn)大面積積水，部分交通中斷，特別是留下等地區(qū)內澇嚴重，經(jīng)濟損失慘重。

城西平原片由于地勢低洼、受杭嘉湖平原高水位的頂托，骨干河道規(guī)模小，一般河道局部存在卡口，整體排水效果不理想，積澇歷時也較長，積澇情況較為嚴重。對城西區(qū)域現(xiàn)狀用地、現(xiàn)狀水利工程下遭遇20年一遇、50年一遇的洪水進行演進計算，計算成果得出，城西區(qū)域整體排澇標準未達到20年一遇，其中五常街道、夢想小鎮(zhèn)（閑林港余杭塘河口）、云谷小鎮(zhèn)等重點建設區(qū)塊未達到50年一遇排澇標準。

2.2 已建和擬建規(guī)劃工程效果分析 城西洪澇水通過區(qū)域內“兩橫兩縱”的骨干河網(wǎng)（兩橫：梧桐港-沿山河、余杭塘河；兩縱：閑林港-九曲洋港、五常港-蓬駕橋港）東排北排進入運河。由于現(xiàn)狀九曲洋港及蓬駕橋港等北排通道缺乏整治，局部存在卡口，排水能力受限，沿山河東側受地形影響，洪水多經(jīng)五常港后流入余杭塘河，沿余杭塘河東排運河成為城西洪澇水實際的主要排水通道，給下游杭州主城區(qū)防洪排澇帶來較大壓力。故城西洪澇水實際東排受限，勢必產(chǎn)生洪澇災害問題。

針對區(qū)域防洪排澇存在的問題，杭州市城市防洪減災規(guī)劃提出以“上蓄、中滯、下排”為原則的一系列防澇工程。從規(guī)劃工程落地性分析，擴建上游水庫，增加蓄洪功能；利用區(qū)內濕地水面率大、調蓄能力強，通過控制調度，充分發(fā)揮其河道行洪和滯洪作用等“上蓄、中滯”工程已實施，但下排工程“西部排水快速通道”方案，即在繞城公路西側，利用現(xiàn)有閑林港、余杭塘河、九曲港、毛家洋港、良渚港、柵莊橋港等河道整治形成一條自留下至勾莊的主要排水通道，城西山區(qū)洪水可直接進入排水快速通道（見圖1）；因地方政府政策處理原因，需拓寬的骨干河道兩側土地近年已開發(fā)或出讓，西部排水快速通道工程已無實施可能。另外，下游地區(qū)河網(wǎng)水位對杭州城西地區(qū)的頂托影響，加劇了沿天然水流方向排水的受阻問題，導致下排流量、時間均受流域洪水影響，即為被動排除澇水，排水效果不佳。近年來，杭州也在探討建立城市包圍圈，北面設置控制線和強排泵站，但工程規(guī)模和強排流量等同樣受下游地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需求影響，增加了流域防洪的不利因素，且存在工程投資巨大，實施時間長的缺點。

圖1 城西南排通道工程

2.3 影響防洪排澇的主要問題 根據(jù)城西所處地形條件和水系走向分布情況，本地區(qū)防洪排澇存在的主要問題有：

（1）上游山區(qū)面積大，洪水源短流急。上埠河等山區(qū)小流域集雨面積較大，有110余km2，上游缺乏骨干攔蓄工程（目前已建成閑林水庫，僅攔蓄17 km2），下泄洪峰流量較大，洪水下泄至平原后因河道排水能力不足造成水位抬高，漫溢至兩岸。

（2）自然地理因素獨特，河道坡降緩慢。城西地區(qū)從地理區(qū)塊上來看正處于京杭運河上游，下游受平原水位頂托，上游受山區(qū)來水承泄，加上自身地勢低洼，于上下游逼迫夾攻之間形成易澇死角。隨著杭州市域發(fā)展版圖的不斷擴大，防洪排澇包圍圈亦不斷擴大，給洪水出路帶來了更多的限制。

（3）城市化進程快，域內可調蓄面積迅速萎縮。比較典型的情況如：小和山高教園區(qū)從可以短期滯蓄山洪的大片低洼農(nóng)田變?yōu)樾@或道路，地面硬化程度急劇升高，降雨形成的徑流增多，洪水量大幅增加；西溪濕地公園建成大包圍，并在周邊或過境的河道設閘擋水，洪水期為保護濕地內旅游設施，沿山河上西溪濕地節(jié)制閘往往很少甚至不打開，阻斷了沿山河東西向排洪，其自身的高標準防洪要求與周邊區(qū)域的排水、滯洪要求產(chǎn)生的新矛盾沒有協(xié)調好；留下、閑林、三墩一帶被納入了城市建成區(qū)的范圍，原來大面積的農(nóng)田以及魚塘水面等變成了道路、小區(qū)等硬化地面，調蓄能力減弱。目前隨著海綿城市建設的理念深入及管理技術的提高，部分集中開發(fā)地塊可以發(fā)揮城市綠地、道路、水系對雨水的吸納、蓄滲作用，有效緩解調蓄面積驟減［8］。

（4）區(qū)域缺少大河溝通，未形成有效的骨干排水通道。區(qū)域內的閑林港、五常港、紫金港、蓮花港、馮家河等下游縱向排水河道規(guī)模不足，淤積嚴重，并部分人為設閘擋水，未形成有效的排水骨干河道。

（5）流域周邊水文條件及下墊面情況變化的影響。杭州市城西地區(qū)屬杭嘉湖東部平原上游地區(qū)，處在太湖流域和黃浦江上游。與上世紀中期相比，黃浦江米市渡潮位有較大幅度抬高，使杭嘉湖東排受阻；太浦河高水行洪造成北排能力減弱、太湖洪水倒灌杭嘉湖地區(qū)；同時，地區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類活動的加劇，造成不透水地面面積擴大，東部平原1970年代水面率為12%，到如今僅9%左右，水面調蓄減少了四分之一；圩區(qū)建設減少圩外洪水調蓄面積，圩區(qū)排澇能力提高造成圩外骨干河道水位上漲。流域周邊水文條件及下墊面情況變化使杭州市運西地區(qū)下游水位抬高，進而對城西地區(qū)防洪排澇帶來更為不利影響［5-6］。

3 城西洪澇防治方案研究

根據(jù)城西洪澇現(xiàn)狀情況，防洪排澇工程的短板，是下排問題，骨干排水河道整治不能到位，且受北面下游洪水頂托，導致骨干河道規(guī)模排水不暢，而東排又受主城區(qū)余杭塘河規(guī)模擴建以及既有城市開發(fā)建設影響，穿城而過的地下隧道方案受工程投資及地鐵、市政管道線路制約，幾無可能。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，土地資源日益緊缺，城西地區(qū)受地理條件制約，傳統(tǒng)的沿天然河流方向排水治水思路受限，本文另辟捷徑，大膽提出切實可行的外排方案，即城西南排通道方案（深隧排洪），就近排放錢塘江，可大大緩解城市洪澇壓力，提高防洪減災能力。

3.1 城西洪澇防治方案 借鑒國內外城市排水工程成功經(jīng)驗，結合城西所處地形地勢條件，我們提出城西南排通道工程，即利用河道連通閑林濕地、五常濕地和西溪濕地，將城西地區(qū)洪水匯至五常港附近的進水口，新建五常港到錢塘江長約13 km的地下深埋隧洞，出水口新建排澇泵站，將洪澇水抽排至錢塘江，并結合建設上泗沿山河擋潮閘、九溪擋潮閘等，提高之江片區(qū)和九溪十八澗排洪御潮能力。

工程規(guī)模：根據(jù)本工程目標，主要是解決城西科創(chuàng)大走廊及運西片西湖、拱墅區(qū)內50年一遇澇水威脅。通過不同泵站規(guī)模比選，確定城西南排通道工程泵站規(guī)模。經(jīng)計算，在排澇泵站設計流量為200 m3/s，可基本滿足目標范圍內近遠期水位控制目標，近期運西片繞城公路以東水位可基本控制在3.5 m左右，繞城公路以西水位可控制在4.0 m左右。同時，考慮城市可持續(xù)發(fā)展對防洪排澇要求，建議城西南排通道工程預留遠期達到300 m3/s排澇規(guī)模。故泵站設計排澇流量為200 m3/s（遠期300 m3/s）。輸水隧洞方案，考慮現(xiàn)有流量資料、地質條件、工程總體布置、水力學、泵站揚程等初擬了單洞、雙洞方案進行初步比選。單洞方案襯后洞徑11 m，開挖洞徑約12.5 m，隧洞長度約13.0 km；雙洞方案線路走向與單洞方案一致，洞徑考慮水頭損失一致原則，擬定襯后洞徑8.5 m，開挖洞徑約9.7 m。單洞、雙洞方案均考慮主體TBM施工。單洞投資相對較低，暫按單洞方案考慮。目前，推薦線路方案平面轉彎共7處，從首部至尾部轉彎半徑分別為600 m、500 m、900 m、1000 m、1000 m、1000 m、1000 m。采用雙護盾TBM開挖，轉彎半徑滿足要求。南排通道線路縱坡采用自進口至出口爬坡設計，雙護盾TBM自西溪濕地出發(fā)，自出口豎井接收，爬坡掘進，縱坡采用約0.01%，施工期排水自掌子面沿隧洞底板排至進口豎井底部，設置臨時泵抽排至洞外。主隧進口底板高程-54.5 m，出口底板高程-53.33 m，出口泵站專設一臺運行期抽空隧洞內水體的水泵，檢修時可自出口將隧洞內大部分水體抽排至錢塘江，進口剩余部分少量水體設置臨時泵抽空。故按隧洞方案布置，隧洞長度約13.0 km，襯后洞徑11 m。

工程技術經(jīng)濟可行性：工程屬杭嘉湖平原的西南端，天目山系余脈的低山丘陵地貌，地勢呈西高東低之勢，通過前期地質測繪、鉆探及室內試驗，對工程地質情況進行了初步勘察，無制約工程建設的不良地質條件。主要工程項目隧洞采用TBM法施工，技術條件成熟。工程總投資約61億元，工程屬社會公益性的水利工程建設項目，工程排澇效益、水環(huán)境改善效益以及濱水景觀和土地利用效益顯著，運行成本主要體現(xiàn)在汛期排澇和平常反向配水產(chǎn)生的運管費用。故工程建設在技術經(jīng)濟上是合理可行的。

工程方案優(yōu)點：（1）大大縮短洪澇水排水行程，與通過幾十公里長的河道自然流向下游杭嘉湖地區(qū)相比，深埋輸水隧洞長僅13 km，洪澇水就近入江；（2）排澇流量大，城西匯水通過襯后洞徑11 m（目前國內少有）的隧洞，出口泵站強排入江，最高排澇流量可達300 m3/s；（3）綜合效益明顯，具備反向配水功能，利用自然水位差，從錢塘江引水入城西地區(qū)，提高城西水系的生態(tài)環(huán)境功能。

3.2 城西洪澇防治方案效果分析

3.2.1 排澇水利計算 城西南排通道工程外排運西片部分洪澇水入錢塘江，故洪澇水水利計算范圍為杭州運西片，東至京杭大運河，南至山區(qū)分水嶺，西至西險大塘，北至東塘港。計算面積為486 km2，其中山區(qū)面積104 km2，平原區(qū)面積382 km2。采用一維非恒定流水動力學模型，建立杭州市運西片河網(wǎng)水利計算模型。國內有不少學者針對圩區(qū)、水閘分布對平原河網(wǎng)的洪澇影響開展了研究，如王靜等［9］認為基于已有的一、二維非恒定流水動力學理論建立的城市洪澇仿真模型，引入“小蓄水面”的概念，將圩區(qū)內外在水動力學模型中未被概化但對降雨的調蓄作用不可忽略的小河、塘壩、小湖泊等根據(jù)其實際空間分布統(tǒng)一概化為所在網(wǎng)格的小蓄水面。李大鳴等［10］采用三級聯(lián)解法建立一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學模型，提出雙向迭代內邊界控制法對具有閘、堰的特殊河段求解，考慮了河網(wǎng)復雜的水閘控制條件。本文考慮“小蓄水面”以及圩內外以排水閘堰連接方式。模型中概化骨干排水河道127條，計算河道斷面1500余個。排水河道之間的調蓄水域概化為湖泊，共計8個。概化湖泊和排水河道之間根據(jù)實際情況，采用河道或排水閘、堰形式連接［10-13］。

外邊界條件。計算的上邊界條件取山區(qū)河流的流量過程線，根據(jù)水文計算結果，以點入流、旁側入流的形式分別進入相應河段，其中點入流3個，旁側入流4個；平原區(qū)的設計洪水以旁側入流的形式進入相應河段，共計19個。河網(wǎng)概化圖見圖2。

圖2 河網(wǎng)概化圖

糙率取值。按照模型率定結果及參考以往的研究成果加以選取，一般取0.02～0.035。

模型驗證。選取2013年10月的“菲特”臺風，對模型進行檢驗。檢驗后，15個驗證點的實測水位、計算水位的誤差均在0.08 m內，表明模型的概化及參數(shù)選擇基本合理［14-17］。

3.2.2 效果分析 結合規(guī)劃河道已實施和擬整治規(guī)模，實施城西南排方案后進行水利計算，成果見表1，由表1可知實施南排方案對降低平原河網(wǎng)水位作用較為明顯，50年一遇臺雨洪水可降低平原區(qū)塊水位0.08~0.47 m。本工程的建設有助于降低區(qū)域內高水位持續(xù)時間，緩解城區(qū)雨水排水壓力，減少了東排運河水量，減輕下游防洪排澇壓力，與三堡、八堡泵站共同構筑杭州主城區(qū)安全屏障。本工程對于運西片防洪排澇改善效果尤為明顯，經(jīng)計算，本工程建成后，流域再次遭遇“羅莎”實況臺風，拱宸橋水位峰值前，三堡及城西南排通道工程南排水量分別達到0.20億m3和0.22億m3。經(jīng)計算，本工程建成后，50年一遇設計工況下，近期運西片繞城公路以東水位可基本控制在3.5m左右，繞城公路以西水位可控制在4.0 m左右。城西地區(qū)部分澇水外排錢塘江，能減輕下游杭嘉湖平原的防洪排澇壓力，對流域防澇也有積極貢獻。

表1 城西南排方案水利計算成果表（臺雨P=2%）

設計流量對下游排水防澇能力的影響：隧洞出水口位于錢塘江九溪段，通過出水口豎井至泵站前池提升入錢塘江。泵站設計排澇流量200 m3/s，預留遠期達到300 m3/s的規(guī)模。該出口正好位于上泗沿山河出口、珊瑚沙水庫與錢塘江主河道所圍三角區(qū)域水面，該區(qū)域不占錢塘江行洪主河道斷面，對錢塘江行洪基本無影響。

4 結論

（1）通過水利計算和分析，杭州市區(qū)城西地區(qū)的防澇現(xiàn)狀未達到20年一遇排澇標準，為10年一遇到20年一遇之間，與城市高質量社會發(fā)展提供水利要素保障要求尚不匹配。

（2）城西南排通道工程采用深隧排洪，隧洞襯后洞徑11 m，開挖洞徑約12.5 m，隧洞長度約13.0 km，出口泵站設計排澇流量為200 m3/s（遠期300 m3/s）。結合區(qū)域上蓄、中滯及其他河道整治工程，使城西區(qū)域整體排澇標準達到20年一遇，城西核心五常街道、夢想小鎮(zhèn)、云谷小鎮(zhèn)等重點建設區(qū)塊達到50年一遇排澇標準。

（3）隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，土地資源緊缺，天然河道水系拓寬受阻，傳統(tǒng)治水思路受限，本次綜合分析城西所處地形、地勢條件，按照洪澇水就近強排原則，向地下空間要資源，提出切實可行的城西南排通道方案，不僅快速解決了城西洪澇災害下排問題，還緩解了杭嘉湖地區(qū)流域，特別是下游嘉興、湖州地區(qū)洪水壓力，為治理流域洪水災害也作出了一定貢獻。本工程建成后，50年一遇設計工況下，近期運西片繞城公路以東水位可基本控制在3.5 m左右，繞城公路以西水位可控制在4.0 m左右。遠期隨著杭嘉湖水位抬升，工程目標范圍內水位將進一步抬升，但考慮地坪按規(guī)劃抬高后，水位可基本控制在4.0 m以內，滿足區(qū)域防洪排澇要求。工程排澇效益明顯，方案切實可行。