張曉波，王文杰

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州 310002)

1 問題的提出

沿海平原排澇受外海潮汐的影響，在外海低潮位時開閘排澇，高潮位時關(guān)閘擋潮。尤其在排澇路徑較長的區(qū)域，在低潮位開閘排水時，經(jīng)常會出現(xiàn)閘前河道水位很低，而上游區(qū)域受澇依然嚴(yán)重的情況。這是因為，河道寬度及過水面積總是有限的，在口門排水時不能完全及時地補充澇水到閘前[1]；而高潮關(guān)閘期間，由于河道槽蓄容積小，很容易導(dǎo)致河道水位隨外海高潮位快速上漲。

為此，設(shè)想在排澇閘前設(shè)置湖泊，利用湖泊較大的調(diào)蓄能力，既有利于關(guān)閘時蓄水滯洪，又有利于低潮開閘時水量的及時補給，從而提高區(qū)域整體排澇能力。本次研究采用浙江省溫黃平原的一條主要排澇干河-青龍浦排澇河道分析閘前設(shè)湖的作用。

溫黃平原位于浙江省的椒江以南，樂清灣以北，東部和東南部瀕臨東海，總面積約2 357.7 km2。區(qū)域內(nèi)有永寧江和金清兩大重要水系，地形是西南高，東北低。溫黃平原總的排澇方向為北排、東排和南排，其中東排主要干河包括洪家場浦、青龍浦和金清大港等(圖1)。青龍浦排澇工程河道起自南官河與青龍浦交界污水處理廠處，沿青龍浦老河道穿越路澤太一級公路、東方大道、三才涇、一條河、三條河、七條河、十塘等，至調(diào)蓄湖經(jīng)青龍浦排澇閘站出海，全長21.45 km，河寬40～100 m，底高程-1.0～-2.5 m，沿線地面高程3.4～2.6 m。青龍浦出口設(shè)排澇閘，凈寬50 m，閘底高程-2.5 m[2]。

2 計算原理和概化模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

為了能較好反映實際情況，全面、真實地模擬洪水演進變化過程，采用浙江省水利水電勘測設(shè)計院開發(fā)研制的漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合模型非恒定流計算程序，建立整個規(guī)劃計算區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型：

圖1 區(qū)域水系示意圖

(1)

(2)

式中：x為距離坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；B、A、R為河段斷面的河寬、過水面積、水力半徑；u為河道流速；q為河段的單寬旁側(cè)入流；Z、Q為所求的斷面水位和流量。

本次計算以四點隱式差分格式將上述偏微分方程組離散為差分方程組。該差分方程組與河汊、閘汊平衡方程，邊界條件及初始條件聯(lián)立，構(gòu)成一大型的非線性方程組，采用迭代法求解[3]。

2.2 模型概化

本次水利計算范圍覆蓋臺州市路橋、椒江兩區(qū)，計算范圍總面積591 km2。模型北邊界取自椒江沿程水位邊界，南邊界取自金清港水位邊界，東邊界為外海潮位過程，西邊界為與黃巖相接的東官河、南官河(壩頭閘)、山水涇等水位或者流量邊界。模型中概化骨干排水河道135條，計算河道斷面259個，河汊53個，閘汊24個，邊界22個。排水河道之間的調(diào)蓄區(qū)域(包括毛細(xì)河道、湖泊、田面)59個。調(diào)蓄區(qū)域與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。

2.3 模型驗證

為檢驗所建水利計算模型的合理性，根據(jù)多年洪澇資料分析，選用洪澇發(fā)生時間較近，降雨情況較為典型，實測資料較完整的2010年“726”強降雨過程進行驗證計算。

2010年7月24日，路橋區(qū)開始持續(xù)降雨，26日全區(qū)普降大暴雨，局部出現(xiàn)特大暴雨，降雨至27日凌晨3時基本結(jié)束，路橋監(jiān)測站過程面雨量337 mm。路橋站24 h最大降雨294 mm，出現(xiàn)在26日0時-27日0時，降雨量超過20年一遇，為建區(qū)以來最大的一次強降雨。7月24日零時，路橋河網(wǎng)水位1.95 m，經(jīng)預(yù)排到19時降到1.84 m，到27日1時，路橋站達到本次降雨的最高水位3.43 m，全區(qū)河網(wǎng)均超警戒水位，直到30日8時，路橋水位降到2.27 m，城區(qū)街道積水基本消除，之后回復(fù)到正常蓄水位1.73 m。驗證計算成果見表1和圖2。

表1 “726”暴雨特征點水位驗證計算成果 m

圖2 “726”暴雨路橋站水位驗證成果

由表1、圖2看出，模型計算的特征點最高水位及路橋站水位過程同實測數(shù)據(jù)相差很小，說明模型概化的相關(guān)參數(shù)較為合理。本次計算河道糙率取0.024～0.026。

3 閘前設(shè)湖的排澇作用分析

初步設(shè)定青龍浦閘前湖泊水域面積21.33 hm2，湖底高程同河道底高程-2.5 m。對比閘前設(shè)湖前后的閘前水位過程見圖3，過閘流量過程見圖4。

圖3 青龍浦閘前設(shè)湖前后閘前水位過程對比圖

圖4 青龍浦閘前設(shè)湖前后過閘流量過程對比圖

由圖3看出，青龍浦閘前設(shè)置湖泊，由于其較大的調(diào)蓄能力，導(dǎo)致閘前水位在低潮位開閘時閘前水位要高于無湖工況水位；在高潮位關(guān)閘時閘前水位要低于無湖工況水位；由圖4看出，在低潮位開閘時，出口閘最大流量由300 m3/s提高到500～600 m3/s。閘前設(shè)湖引起的閘前水位和流量過程變化，對上游水位和匯流過程發(fā)生明顯作用，以下分低潮開閘和高潮關(guān)閘兩階段分別說明閘前設(shè)湖的作用。

3.1 低潮開閘階段的補水作用

選用平原20年一遇排澇計算過程，統(tǒng)計在低潮位開閘時最大排澇流量時刻，相應(yīng)的閘前河道的沿程流量和水位，統(tǒng)計成果見表2和圖5、圖6。

表2 低潮開閘階段閘前河道沿程流量和水位(P=5%)

圖5 閘前設(shè)湖前后低潮開閘階段沿程流量對比圖

圖6 閘前設(shè)湖前后低潮開閘階段沿程水位對比圖

由表2和圖5、圖6看出，低潮開閘階段，在排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖后，從上游至下游沿程12 km范圍內(nèi)，流量增加3～267 m3/s，調(diào)蓄湖以上河道沿程水位降低0.03～0.22 m，調(diào)蓄湖及閘前水位壅高0.28～0.52 m。這是因為排澇閘前設(shè)置湖泊，相當(dāng)于過流斷面突然增大，此時湖泊上游河道流量加大，水位降低；而湖泊本身由于調(diào)蓄能力大，開閘排水時水位降低幅度較慢，故可保持相對較高的水頭排水，總體排澇流量和水量加大。

3.2 高潮關(guān)閘階段的滯洪作用

選用平原20年一遇排澇計算過程，統(tǒng)計在高潮位關(guān)閘時最高水位時刻，相應(yīng)的閘前河道的沿程水位和流量，統(tǒng)計成果見表3和圖7、圖8。

表3 高潮關(guān)閘階段閘前河道沿程水位和流量(P=5%)

圖7 閘前設(shè)湖前后高潮關(guān)閘階段沿程流量對比圖

圖8 閘前設(shè)湖前后高潮關(guān)閘階段沿程水位對比圖

由表3和圖7、圖8看出，高潮關(guān)閘階段，在排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖后，從上游至下游沿程12 km范圍內(nèi)，流量增加12～88 m3/s，，調(diào)蓄湖以上河道沿程水位降低0.06～0.19 m。這是因為，排澇閘前設(shè)置湖泊，在高潮關(guān)閘時，由于閘前湖泊調(diào)蓄容量較大，故其水位上漲速度較慢，如此導(dǎo)致上游水位與閘前形成較大的水力坡降，吸引更多的上游澇水匯流至閘前，即使在關(guān)閘階段，沿程水位仍然有明顯的降低。

4 泵前設(shè)湖的排澇作用

沿海平原受外海潮汐影響，在高潮位時必須關(guān)閘擋潮，為延長排水時間，在排澇閘前設(shè)置泵站，在外海高潮關(guān)閘時啟用泵站排澇是一種常見的工程措施。但是，在排澇路徑較長的平原地區(qū)，即使閘前設(shè)泵，由于排澇河道本身的規(guī)模限制，仍然會造成閘(泵)前水位拉低，水力坡降很大，而上游澇水仍然難以即使補充的現(xiàn)象。因此，在泵排階段，在泵前設(shè)置調(diào)蓄湖，其排水效果與低潮開閘時閘前設(shè)湖相類似。本次分析在口門設(shè)置泵站(設(shè)計流量100 m3/s)工況下，泵前有無調(diào)蓄湖的對比排澇效果，計算成果見表4、圖9。

表4 排澇閘(泵)前設(shè)置調(diào)蓄湖泊的排澇效果

圖9 排澇閘(泵)前設(shè)置調(diào)蓄湖泊的沿程水面線對比圖

由表4、圖9看出，在排澇閘(泵)前設(shè)置調(diào)蓄湖，對于整體外排水量和沿程水面線的降低有非常明顯的效果。在排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖，其排澇效果基本相當(dāng)于在閘前設(shè)置泵站；在泵前設(shè)置調(diào)蓄湖，可充分發(fā)揮調(diào)蓄湖的補水作用，較沒有調(diào)蓄湖的工況增加排水1 437 萬m3，從上游至下游沿程12 km范圍內(nèi)沿程水面線進一步降低0.04～0.36 m?？梢姡谂艥抽l、泵前設(shè)置調(diào)蓄湖，對于擴大外排水量，降低上游澇水位，作用是非常明顯的。

5 閘前設(shè)湖對河道流速影響

排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖泊后，閘上河道的沿程最大流速見表5。

表5 閘前設(shè)湖前后河道沿程流速變化對比表

由表5看出，排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖泊，調(diào)蓄湖上游沿程流速均增加，相應(yīng)流量也增大；但調(diào)蓄湖位置及閘前由于湖泊過水?dāng)嗝娴脑龃?，流速大幅度削減，閘前流速由1.26～1.70 m/s降低至0.38～0.41 m/s。浙江省沿海平原閘站地質(zhì)基礎(chǔ)除少量巖基外，大多數(shù)為粉質(zhì)黏土，經(jīng)常導(dǎo)致閘前河道沖刷、掏空的現(xiàn)象發(fā)生，對閘室和河道堤防、護岸、橋梁的安全造成嚴(yán)重威脅。按照一般黏性土河道不沖流速0.75～0.80 m/s[4]的要求，排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖，可以有效降低閘前河道流速，減少河床沖刷深度。

6 閘前設(shè)湖的規(guī)模

不同調(diào)蓄容積條件下，口門外排能力和澇區(qū)水位均會發(fā)生變化，本次對10.66～53.33 hm2不同調(diào)蓄湖面積下的區(qū)域排澇能力進行了分析計算，以探討優(yōu)化調(diào)蓄湖規(guī)模，結(jié)果見表6。

表6 不同調(diào)蓄湖規(guī)模排澇能力比較表

注：調(diào)蓄湖底高程均為-2.5 m。

根據(jù)以上計算結(jié)果，隨著湖泊調(diào)蓄容積的逐漸增加，口門外排流量和水量均隨之上升，相應(yīng)閘前及上游河道水位也逐漸下降。這主要是由于湖泊規(guī)模的擴大后，閘前水位漲落愈加遲緩，導(dǎo)致調(diào)蓄湖在低潮開閘階段的補水作用和高潮關(guān)閘階段的滯洪作用更加明顯。但是，排澇能力的增幅隨著湖泊規(guī)模的擴大也在逐漸降低，因此無限擴大湖泊規(guī)模并不能使排澇能力獲得無盡的增長，最終規(guī)模的確定仍應(yīng)結(jié)合投資規(guī)模、土地供應(yīng)代價和澇區(qū)目標(biāo)水位等因素綜合確定。本例中，考慮到溫黃平原水利規(guī)劃中青龍浦口門20 a一遇洪水排水量不低于5 000 萬m3，澇區(qū)目標(biāo)水位為2.5 m，因此選定21.33 hm2作為推薦規(guī)模方案。

7 結(jié) 語

(1)沿海平原排澇閘前設(shè)置調(diào)蓄湖，在低潮開閘時有利于擴大上游澇水及時補給至閘前；高潮關(guān)閘時 也利于蓄水滯洪，從而總體提高排澇能力。

(2)沿海平原排澇泵前設(shè)置調(diào)蓄湖，有利于進一步發(fā)揮泵站的強排優(yōu)勢，擴大外排水量。

(3)沿海平原排澇閘站前設(shè)置調(diào)蓄湖，有利于降低閘前河道流速，減少河床沖刷深度。

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[1] 賈祖華．妥善處理排澇河道與航運的矛盾[J]．浙江水利科技，1988,(1)：8-9．

[2] 張曉波.臺州市路橋區(qū)青龍浦排澇工程初步設(shè)計報告[R]．杭州：浙江省水利水電設(shè)計院，2016．

[3] 黃 昉．漫垸網(wǎng)河平面準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維非恒定流“混合模型”的研究[J]．浙江水利科技，2003,(1)：17-19．

[4] 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院. 水力計算手冊[M]．北京：中國水利水電出版社，2006.