三山涂围垦工程对上游白溪干流及海塘防洪 (潮)影响研究

2012-08-14金德钢余方顺赵淳逸

浙江水利科技 2012年6期

金德钢,余方顺,赵淳逸

(宁波市水利水电规划设计研究院,浙江宁波 315192)

1 问题的提出

宁海县以丘陵山地为主,土地资源紧缺。近年来,随着宁海经济社会的快速发展,城市化、工业化进程的不断加快,土地供需矛盾日趋突出,成为制约区域经济发展的瓶颈因素。针对宁海经济发展现状,根据三门湾经济发展规划,尽早围垦开发双盘三山涂对宁海县三门湾区块的社会经济发展十分有利。为科学合理地开发、利用和保护滩涂资源,促进经济社会可持续发展,提高沿海地区防灾减灾能力,增加后备资源,宁海县决定建设双盘涂二期围垦工程及三山涂围垦工程。围垦工程的实施,将改变力洋港海洋潮汐的自然特性,从而对上游白溪干流防洪和周边海塘防潮造成影响。本次研究在全面了解双盘三山涂围垦工程概况及区域水文、海洋基本情况的基础上,研究工程实施后对力洋港海洋潮汐特性的影响,对白溪干流防洪及周边海塘防潮的影响,其成果作为双盘涂二期及三山涂围垦工程建设重要的科学依据。

2 工程概况

宁海县双盘三山涂围垦工程位于宁海县越溪乡东南侧三门湾沿海滩涂,东临力洋港,南濒青山港、蛇蟠水道,西界蛇蟠涂北堤,北与越溪镇相接(见图1)。工程共计围垦0.28万hm2(4.2万亩),新建标准海塘23 km,其中双盘片围垦约0.11万hm2(1.58万亩),约10.27 km2,出海闸3座,总净宽75 m[1];三山涂围垦面积约0.17万hm2(2.62万亩),约17.73 km2,新建出海闸3座,总净宽68 m[2]。

三门湾内岛屿罗列,水道纵横,四周港汊密布,岸线曲折,有众多水系汇入,其中最主要的水系为位于沥洋港上游的白溪,也是宁海县境内最大的溪流。白溪主流全长66.7 km,流域总面积627 km2(其中天台县111 km2,宁海县516 km2),上游建有大型水库—白溪水库,控制集水面积254 km2[3]。主要支流为大溪,发源于宁海、奉化交界的野猪坑,河长39 km,流域面积201 km2,上游建有西溪、黄坛2座水库,总控制集水面积114 km2[4]。

本围涂项目主要用于开发综合农业。开发双盘涂、三山涂土地资源,对调整产业结构,发展一优两高的外向型农业经济,对三门湾区域和宁海经济可持续发展有着重要意义。与此同时,三门湾是易遭台风暴潮袭击的海域,现有防潮能力偏低,不利于当地水产养殖的发展。新建的23 km海堤对保护工农业生产和人民生命财产安全起到重要的作用。

3 研究范围

防洪影响研究主要为白溪流域,总面积627 km2;防潮影响研究主要为周边海塘,总长60.8 km。

4 计算方法

4.1 水文分析方法

4.1.1 设计暴雨

本工程位于白溪下游出海口处,研究范围涉及整个白溪流域,流域内及周边雨量测站较多,共有14个,各测站雨量资料起始年份和观测年限不一,但多数降雨资料系列超过30 a,为本次研究提供了详实可靠的资料。

流域面雨量计算采用泰森多边形法,白溪流域设计面雨量为水库 (白溪水库、西溪黄坛水库)和区间加权平均得到。采用P-Ⅲ型曲线进行频率计算,求得最大24 h、最大3 d的各频率设计暴雨成果 (见表1)。

表1 白溪流域分区设计暴雨成果表

4.1.2 设计洪水

设计洪水的计算包括计算分区、净雨计算和汇流计算。在产流计算中,根据流域的降雨特性和下垫面特征划分计算分区,采用不同设计暴雨过程进行产流计算。本次研究按白溪流域内水系分布、水库、防洪控制位置及水利计算需求等因素,将流域分成6个分区 (见表2和图2)。

图2 白溪流域计算分区图

表2 白溪流域产流分区特征表

汇流主要包括山区坡面汇流和山区河道汇流。集水面积大于50 km2时,无资料地区坡面汇流计算采用“浙江省瞬时单位线法”;集水面积小于50 km2时,采用“浙江省推理公式法”。如果分区内有水库,坡面汇流所得到的流量过程需经过水库调洪演算,计算出水库的下泄流量过程,再通过马斯京根法进行河道汇流演算,得出各设计断面的洪水流量过程,计算结果见表3。

表3 白溪流域各断面设计洪水成果表m3/s

4.2 平面二维水动力数学模型

4.2.1 模型简介

对于宽浅型河流,水深平均的二维水沙控制方程可较好地反映河流中挟沙水流运动特征。本模型的水流基本方程由三维时均雷诺方程沿水深积分得到,并以混长紊流模型求解紊动切应力。通过沿水深积分,得到较为完善的平面二维水动力、泥沙与河床变形控制方程;在补充床面稳定控制、水流挟沙力、泥沙沉速等控制条件后,建立河口段平面二维水沙数学模型。

数学模型采用非均匀交错网格坐标系统,根据研究区域的重要程度适当确定网格剖分精度。本数学模型采用计算水力学中较成熟的“交替方向隐式差分逐行求解”格式,该离散格式的构造步骤是将时间步长分成前后2个0.5步。前0.5个时间步长,联解连续方程、X向动量方程,隐式求解泥沙传移输运方程;后0.5个时间步长,联解连续方程、Y向动量方程,隐式求解泥沙传移输运方程;借助控制体的概念,在对对流项进行离散时引进迎风格式,保证解的稳定与收敛。这就是交替隐式差分方法(ADI)。

该数学模型已在一些复杂工程中得到成功应用,能较为准确地模拟、预测一般冲积性河流上,河流工程附近的水沙运动与河床变形。

为了准确反映工程建设对三门湾潮流影响的情况,本模型涵盖了整个三门湾,选取的东部边界南起麂山青山,经雀儿岙岛以西穿越,北至檀头山岛东南侧,总长63.9 km;北部边界自石浦潮位站至檀头山岛西北部,总长5.7 km。其中包括浦坝港、健跳港、石浦港、白礁水道。

由于计算海域岛屿众多,地形变化复杂,模型采用三角形网格,网格纵向与横向间距100～200 m,同时为保证模型计算的精度,在水流、地形变化梯度比较大的区域适度加密,在工程区附近对网格进一步细化。整个计算区域(工程前)布设的节点数为24 865个,单元数为45 756个。工程前后模型计算范围及模拟地形见图3、4。

4.2.2 有关参数的选取

数学模型计算中涉及诸多计算参数,二维潮流数学模型中床面阻力系数、紊动黏性系数、计算时间步长等参数的选择影响计算进程与结果。经调试,模型计算所采用的主要参数为:①床面阻力系数:二维水流数学模型中的糙率系数受工程计算区域综合阻力和数值离散等因素影响。本模型采用实测资料率定,计算时曼宁综合糙率取0.028;②紊动黏性系数:采用Smagorinsky公式,根据实测资料率定取0.6;③时间步长:根据所选用的模型纵向、横向网格大小,经调试,选取的时间步长为200 s。

图3 模拟区域及计算地形图(工程前)

图4 模拟区域及计算地形图(工程后)

4.3 设计潮位

白溪流域位于浙江省中部沿海,三门湾内,流域下游水车以下河段为感潮河段,受潮水控制。三山涂围垦工程实施后,将使白溪出口向三门湾外延伸8 km。现流域出口附近无长系列测站资料,无法直接进行潮位频率计算。

4.3.1 设计高潮位

由流域出口附近潮位站潮位特征统计分析,本流域出口设计潮位可采用临近巡检司与小可屿进行内插确定,2站设计潮位可查《浙江省海塘工程技术规定》得到。

通过查算《浙江省海塘工程技术规定》,工程区设计潮位成果见表4。

表4 围垦工程区设计潮位成果表 m

4.3.2 设计潮型

本次研究采用平均偏不利潮位潮型作为流域下边界水利计算典型设计潮型。平均偏不利潮位潮型可分为由多年平均最高潮位控制的潮型和由多年平均最高低潮位控制的潮型,两者潮位过程见图5。经分析比较,由多年平均最高潮位控制的潮型对本区域的防洪更为不利,选择其作为典型潮型。

图5 排洪计算典型潮型潮位过程线图

4.3.3 洪潮组合

洪潮遭遇组合方案影响流域的出流能力,也影响流域防洪设计水位,从防洪安全角度出发,并与以往研究成果相衔接,本次研究采用《宁海县白溪治理工程白溪下游段(白21～白23)防洪工程初步设计》中的洪潮组合,即各频率洪水与相应频率高潮位进行组合计算。

5 研究成果分析

5.1 对区域潮位的影响

根据有关工程及三门湾附近潮位站点的资料,得到沥洋港站典型、20 a一遇、50 a一遇的潮位过程作为模型计算方案(见表5)。

表5 方案计算统计表

为分析围垦工程对区域潮位的影响,在工程区范围内布设8个测点,计算工程前后测点的潮位变化情况,测点分布见图6。各个计算方案工程前后高低潮位特征值对比见表6～8。

图6 方案计算测点布置示意图

表6 典型潮位工程前后高低潮特征值对比表[6] m

表7 20 a一遇潮位工程前后高低潮特征值对比表[6] m

表8 50 a一遇潮位工程前后高低潮特征值对比表[6] m

从表6～8可以看出,典型潮位条件下,沥洋港内潮位从口门至上游水位壅高逐渐加大,2#～4#测点的水位壅高分别为6.0,2.3,0.4 cm,1#测点水位壅高相对2#有所降低,为5.5 cm;三山涂围垦南堤前沿水位变化为-2.1～0.4 cm;蛇潘水道从口门自上游水位壅高呈升高趋势,口门处水位壅高1.5 cm,一市港附近水位壅高3.6 cm。

20a一遇潮位条件下,沥洋港内潮位从口门至上游水位壅高逐渐加大,1#～4#测点的水位壅高分别为11.2,9.0,3.4,0.1 cm;三山涂围垦南堤前沿水位变化为-3.6～0.1 cm;蛇潘水道从口门自上游水位壅高呈上升趋势,口门处水位壅高0.8 cm,一市港附近水位壅高4.3 cm。

50a一遇潮位条件下,沥洋港内潮位从口门至上游水位壅高逐渐加大,1#～4#测点的水位壅高分别为13.8,10.9,3.8,-0.1 cm;三山涂围垦南堤前沿水位降低-4.0～0.1 cm;蛇潘水道从口门自上游水位壅高呈升高趋势,口门处水位壅高0.5 cm,一市港附近水位壅高4.2 cm。

5.2 对上游防洪计算下边界的影响

上游防洪计算下边界的设计潮位为20 a一遇,围垦工程对上游防洪下边界影响情况为:工程实施后,沥洋港潮流动力发生变化,由多向潮流变为双向潮流,港内潮波发生变形,高潮位发生壅高,低潮位降低,潮差增大。计算成果表明,20a一遇条件下,白溪下边界潮位高潮位抬高11.2 cm,低潮位降低0.3 cm,潮差相对增大11.5 cm。

5.3 对海堤设计潮位的影响

双盘三山涂围垦工程海堤的防潮设计标准为50 a一遇,围垦工程对海堤设计潮位影响情况为:

(1)对双盘山围垦海堤前沿设计高潮位的影响:围垦工程实施后,双盘山东堤高潮位降低9～12 cm,降低幅度自南向北逐渐加大;双盘山南堤高潮位降低9 cm左右。

(2)对三山涂围垦海堤前沿设计高潮位的影响:围垦工程实施后,三山涂西堤高潮位降低4～11 cm,降低幅度自南向北逐渐加大;南堤高潮位降低1～2 cm;东堤潮位壅高0～10 cm,壅高幅度自南向北逐渐加大。

5.4 对上游白溪干流防洪的影响

本工程对上游的影响主要体现在对白溪出口下边界的改变,工程建设引起白峤港潮汐发生变化,从而影响上游白溪的设计洪水过程,导致已有规划堤防达不到设计防洪标准或减少安全超高。根据已有规划设计方案,本次研究下边界取与河道设计标准同频的20 a最高设计潮位,由潮位影响数值模拟可知,20 a一遇条件下,白峤港潮位雍高0.001～0.112 m,其中白25断面下设计最高潮位雍高0.112 m(见表9)。

表9 白溪出口白25断面最高潮位变化表m

为分析在上游不同设计洪水的情况下工程对上游防洪的影响,上游洪水采用本次研究设计暴雨推求设计洪水法计算所得的值,下游潮位边界采用潮位影响数值模拟计算所得的值。

计算成果表明工程对上游在白溪出口影响最大,最大雍高0.11m,在距出口3 500 m处,影响减少到0.05 m以下,在距出口6 500 m处,由于工程引起的水位雍高影响逐渐消失。

根据《宁海县白溪治理工程白溪下游段(白21～白23)防洪工程初步设计》设计,白溪下游段堤顶高程由设计洪水位加安全超高确定,通过计算,其中左岸综合安全超高1.23 m,右岸综合安全超高1.02 m,为安全起见,右岸综合超高取与左岸相同,即1.23 m。由此可见,右岸超高比实际需要高0.21 m,本次雍高最大影响为0.11 m,小于安全超高富余量;对左岸将减少综合超高最大0.11 m,影响范围为6 500 m。

5.5 对周边海塘防潮的影响

围垦工程实施后,工程区附近潮流边界发生变化,进潮量减少,流场结构重新调整,在此影响下,围垦区前沿区域、青山港、沥洋港潮位均随之调整,从而使周边围垦工程的设计潮位发生变化。

为分析工程对周边海塘防潮的影响,本次研究通过建立平面二维水动力模型,对工程进行数值模拟。由数值模拟计算结果可知:

本工程对周边海塘的防潮影响主要集中在力洋港,其对潮位的雍高在0.00～0.12 m,即减少海塘安全超高最大为0.12 m,减少值自南向北递增。

5.6 对周边地块排涝的影响

典型潮位条件下,沥洋港内潮位从口门至上游水位壅高逐渐加大,2#～4#测点的水位壅高分别为6.0,2.3,0.4 cm,1#测点水位壅高相对2#有所降低为5.5 cm;三山涂围垦南堤前沿水位变化位于-2.1～0.4 cm;蛇潘水道从口门自上游水位壅高呈升高趋势,口门处水位壅高1.5 cm,一市港附近水位壅高3.6 cm。高低潮位变化不大,对周边地块排涝无影响。