截洪隧洞与排涝泵站在滨海丘陵区的治涝对比——以长乐市上洞江流域为例

郭攀攀，张乃国，宋四海，戴健男（河海大学设计研究院有限公司，江苏南京210098）



截洪隧洞与排涝泵站在滨海丘陵区的治涝对比——以长乐市上洞江流域为例

郭攀攀，张乃国，宋四海，戴健男
（河海大学设计研究院有限公司，江苏南京210098）

感潮地区受潮汐影响，排涝分析计算复杂，尤其丘陵区上游山洪转化为涝水，极大增加下游平原感潮区的治涝难度，截、排、蓄是主要的治涝工程措施。本文以长乐市上洞江流域排涝规划为例，从截、排两个方面分别分析了截洪隧洞高水高排和闸站联排的治涝特点与效果，经技术经济比较，认为截山洪方案是滨海丘陵区较适宜的治涝方式，为类似地区防洪排涝提供借鉴。

感潮丘陵区；截山洪；闸站联排；治涝；上洞江

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.038

1 研究背景

随着我国城市化的快速发展，尤其滨江沿海地区发展迅速，但土地资源稀缺，迫切需要开发低洼区的土地，为区域发展提供建设用地。该类地区一般呈自然状态，现状多为农业、渔业等用地，汛期是天然滞洪区，但开发为城区后，排涝标准需提高，搞好防洪排涝是开发区建设的首要任务。同时，城镇化使原有地表、地貌等环境条件极大改变，导致发生城市水文效应，涝灾更频繁、损失更严重。因此，治涝是减轻开发区自然灾害的主要任务，是区域经济可持续发展的重要条件。

首占新区位于长乐市首占镇、上洞江下游平原低洼区，规划为长乐重要的商务、商贸和高端物流的重点发展区，占地面积约20.4km2。上洞江流域面积106.1km2，是典型的滨海丘陵区，上游低山丘陵占比约61%，中下游为平原区域，河网水系发达，上洞江是主要的排涝河道，下游经营前水闸排入闽江。流域涝灾的形成，主要由于上游山洪进入首占新区形成涝水，同时排涝出口受闽江洪水和潮汐顶托，致使涝水不易排出，形成上游洪水、区域暴雨、潮汐“三碰头”现象，造成首占新区严重的洪涝灾害。

排涝泵站是平原圩区重要的排涝设施，布局广泛，但在感潮丘陵区的应用研究较少，尤其与截山洪措施的对比分析更少。本文通过长乐市上洞江流域的实例分析，研究对比截洪隧洞高水高排和增设排涝泵站在滨海丘陵区的治涝特点与效果。

2 感潮区治涝分析计算方法

常见的排涝工程措施主要分为截、排、蓄三种，即拦截排涝区域外部的洪水使其不进入本区域；将区内涝水汇集起来排到区外；充分利用区内湖泊、洼淀临时滞蓄涝水。滨海地区的排涝，受潮汐影响，有显著的潮涨潮落过程，可充分利用这一特点，涨潮时关闸滞洪、落潮时开闸泄洪，其排涝运行一般分为完全自排、闸站联排和完全抽排3种类型，以闸站联排最复杂。感潮区治涝分析主要分为以下几方面：划分排涝分区、洪潮遭遇分析、确定排涝标准、排涝分区的产汇流计算、设计潮型分析、排涝计算等。

排涝计算是排涝规划和排涝工程设计的核心，依据排涝标准、设计洪水、设计潮型采用一定方法计算涝区内涝水位、排涝流量等，确定水闸、泵站等治涝工程规模。排涝计算方法主要有调蓄演算法和非恒定流计算法两种。

（1）调蓄演算法

调蓄演算法以水量平衡方程式为基础，根据设计洪水过程、潮位过程、水闸过流方程式和河网调蓄容量曲线进行逐时段调节试算，得到闸前最高内涝水位及水闸泄水过程。水闸运行原则为，当外海潮位高于内涝水位时，关闸滞洪；当内涝水位高于外海潮位时，开闸放水。该方法不计入沿程流速变化、动态蓄量的影响以及洪水汇入处至排涝出口间的行洪时间，即闸前作为一个流段。水量平衡计算方程式如下：

式中：△W为计算时段△t内涝水量变化值，ΔW = W2_W1，m3；W1、W2为计算时段△t始、末的河网蓄水量，m3；Q_为计算时段△t内平均涝水流量，，m3/s；Q1、Q2为计算时段△t始、末的入河网流量，m3/s；∑q排为各排涝设施△t内平均排水流量，m3/s；△t为计算时段，s。

调蓄演算法可计算出闸前洪水位过程和水闸泄流过程，再按照规划河道洪水流量、糙率、长度、断面尺寸等参数推求河道水面线，从而判断排涝方案是否满足要求。该方法一般应用于表格手算，计算精度较低。

（2）非恒定流计算法

非恒定流计算考虑了涝区河网的动态调蓄能力和洪水动态过程，一般采用数值模拟方法，编制计算机软件求解。水文条件复杂的感潮河网，多采用一维数学模型计算，精度较高。

本文采用MIKE11河网水力分析软件，建立涝区河网一维水动力学数学模型，利用圣维南明渠非恒定流偏微分方程求解，计算公式如下：

式中：Q、Z、F、V和K分别表示某一时刻t在某空间位置x断面的流量（m3/s）、水位（m）、相应过水断面积（m2）、断面平均流速（m/s）和流量模数；B为水面宽度（m）；q为单位河长旁侧入流流量（m3/s·m）；g为重力加速度（9.81m/s2）。

计算方法采用六点隐式差分方法化为差分方程，再与河汊方程、闸汊方程、边界条件及初始条件构成大型非线性方程组，采用牛顿迭代及高斯列主元消去法求解，从而得出各计算断面的水位和流量过程。

3 上洞江流域排涝规划

3.1 研究区概况

上洞江流域位于长乐市西面，流域面积106.1km2，为滨海丘陵区。主河道为上洞江，是长乐市的主要内河，发源于长乐市玉田镇大溪赤岩山，流经玉田、首占、营前等乡镇，于营前水闸汇入闽江下游。首占新区是长乐市开发区，现状地势低洼，地面高程仅2.6～3.6m，低于外江多年平均高潮位，洪涝潮灾害频繁。流域规划以综合措施治水，规划河道布局按照现状及规划建设用地确定，规划河道10条共40.2km，湖泊2个，营前排涝水闸1座，常水位2.0～2.2m，汛限水位1.0m，规划水面面积273万m2，4.0m以下蓄水容积1491万m3。水系概化见图1。

图1 上洞江流域水系概化图

规划上洞江排涝标准为20年一遇不受涝，洪潮组合选取涝区设计洪水（P=5%）与外江多年平均高潮位潮型（相当于两年一遇）遭遇，按洪峰与高潮位组合不同时差进行滑动调蓄演算，并选取最不利排涝组合作为涝区规划方案。设计潮型一般取闸下多年平均高潮位为设计排涝潮位，潮型选择对排涝不利，高低潮位均较高、潮差较小、涨潮历时长、退潮历时短的潮型。

3.2 排涝方案拟定

目前，营前水闸扩建工程正在实施，净宽从45m增至72m，自排全流域洪水。本文在此方案基础上，分析流域洪涝条件，增加工程措施，拟定两种排涝方案，分述如下：

方案一：截山洪方案。在营前水闸净宽72m的基础上，将上游丘陵区30年一遇山洪拦截，经排洪隧洞直接排入闽江，隧洞长约11.1km，从山体穿过，不占用土地资源。隧洞共两条，断面尺寸均为10 m×6m。上游截山洪范围主要为大溪、下曹溪、茶山溪等溪流，总面积约26.4km2，占流域面积的24.9%。

方案二：闸站联排方案。在营前水闸净宽72m的基础上，河口增设150m3/s的泵站辅以抽排。

3.3 排涝计算

按照以上计算方法和拟定的方案，将上洞江流域分成16个计算片区，建立水动力数学模型，具体概化成24条河道，3座水闸，2个湖泊，25个边界，20个支河汇入点，见图2。经MIKE11数学模型计算，得到各方案闸前高水位及过闸流量、主要控制断面涝水位及持续时间，主要成果见表1～表3，排涝过程见图3～图4。

图2 数学模型计算概化图

表1 流域20年一遇设计洪水成果表

表2 20年一遇主要控制断面水位、流量成果表

表3 20年一遇主要控制断面高水位持续时间表

图3 方案一营前水闸排涝过程图

图4 方案二闸站联排排涝过程图

3.4 各方案治涝特点

由表1～3计算结果和排涝过程图3～4分析，得出各方案的治涝特点如下：

（1）截山洪方案治涝特点 山洪具有峰高、量小、历时短特性，山洪进入平原区，是形成城市内涝的重要原因之一。而将山丘区洪水就近高水高排出涝区后，可以使流域洪峰流量从792m3/s削减至590m3/s，削减26%，相当于20年一遇的洪水削减至不足10年一遇。流域洪水总量从2538万m3削减至1906万m3，内涝水位较现状降低12～34cm不等，高水位持续时间相对减少。因此，截山洪具有削减洪峰、减少洪水总量，降低城区内涝水位、流量，减轻平原城区排涝压力，治涝效果明显等特点。

（2）闸站联排方案治涝特点 闸站联排方案遵循“水闸自排为主、泵站抽排为辅”的原则，涝水尽量通过水闸自排，不能自排时，再辅以泵站抽排。因外江潮涨潮落，高潮位顶托时间较短，当潮位降低时，可开启水闸自排，而过闸单宽流量较大，宽度足够时涝水排除速度极快。对设计降雨过程，从排水量分析，排涝泵站开机运行时间不足2.5h，抽排约130万m3涝水，占涝水总量比例仅5%左右，内涝水位较现状降低仅4～15cm不等，而排涝水闸1h最大自排量约250万m3，远超排涝泵站抽排总量。

综合分析闸站联排的治涝效果，认为感潮区排涝泵站的治涝特点主要有：①水闸抢排时机得当，泵站抽排对降低涝区水位效果有限；②排涝泵站开机时间短，抽排水量占洪水总量比例较低；③加设泵站治涝效果不如截山洪方案；④泵站运行几率低，综合费用高、经济效益最低。

3.5 最优方案分析

对以上两方案的技术经济比较见表4。

表4 综合技术经济比较表

从以上各方案比较，方案二在现有水闸基础上增加排涝泵站，可以降低内涝水位和高水位持续时间，但效果有限，且后期运行管理费用最高。方案一采取截山洪措施后内涝水位降低最多，治涝效果最优，虽然工程投资最大，但征地拆迁少、综合费用较低，是最合适的治涝方案。

4 结语

本文以长乐上洞江流域排涝规划为例，从理论研究、方案比较、计算对比等方面，对滨海丘陵区截洪隧洞高水高排和河口新建闸站联排两种方案的综合效益分别分析。结果表明，增设排涝泵站在感潮区的治涝效果有限，综合效益最低，不适宜作为该类地区的治涝方案。综合分析，类似滨海丘陵区的治涝，有条件时宜将上游山丘区洪水截流，高水高排直接排入承泄区，使其不进入城区形成涝水，治涝效果最显著，投资最省。

此外，上游丘陵区截山洪后，河口再新建排涝泵站，既能减小泵站规模，又能提升泵站的治涝效果，是滨海丘陵区较好的综合治理措施，本文不作深入研究。

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1672-2469（2016）01-0121-04

2015-06-16

郭攀攀（1984年—），男，工程师。