浅谈忠门北江围垦片防洪防潮排涝规划设计

2018-03-20

中国水能及电气化 2018年2期

(莆田市水利水电勘测设计院有限公司，福建莆田 351100)

1 防洪防潮排涝工程现状及存在的问题

1.1 防洪防潮排涝现状

忠门北江围垦片位于莆田市区东南部的忠门片区，是妈祖文化产业园区中平海湾新城的组成部分，西接忠门片区中心区，东临规划的平海湾新城中心区。北江围垦片全流域面积14.2km2，最长河道长度仅为3.5km，河道坡降3.4‰；其两边护岸大都为天然或简易生产岸坡。

北江围垦流域内另一水利设施为东部下游的北江海堤。海堤长度为2.6km，堤顶高程为7.0m，防浪墙顶高程8.0m。

北江海堤南端筑利山排涝闸1座3孔，闸孔尺寸3m×4.25m，底板高程-2.74m；堤北端筑后坑纳潮闸1座3孔，闸孔尺寸3m×3.04m，底板高程-0.65m。

1.2 存在的主要问题

a.规划区地处中低纬度，东濒太平洋，属亚热带季风气候，台风频繁，台风带来的降雨量大，极易引发大洪水造成内涝。

b.规划区主要地貌为海积平原、冲洪积平原，且规划区为围垦形成，上游没有控制性水库，无法对排涝起到削峰、滞涝作用，规划区大部分区域地面高程在0～5m之间，河道平缓，若受外海潮位顶托，泄洪不及，规划区内涝水不易排出。

c.规划区为围垦区，区域内植被稀少，植物截流和土壤蓄水能力小，河流汇流时间缩短，洪峰流量增大，加剧了洪涝灾害；同时规划区内植被稀少，易造成水土流失，淤积河道，抬高河床水位，减少行洪断面；城市建设导致用地需求猛增，开发建设项目工程建设乱堆弃渣，部分河沟堵塞，过水能力不足，河道排水不畅，造成严重内涝。

2 规划设计的原则、标准、目标

2.1 规划设计的原则

规划依据城市发展规划、国土整治规划、现代化规划、流域综合规划及生态环境建设规划，贯彻以下原则：

a.科学治水、依法治水、生态治水、人水和谐。

b.“全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理”。

c.“泄、滞、排”兼施，以排洪为主，滞洪结合，相机抢排。

d.因地制宜、节约用地、讲求实效、分区设防、分期实施。

e.强调规划的系统性、可操作性、先进性和适度超前性。

在贯彻以上原则的基础上，研究多种工程与非工程措施相结合，充分发挥现有工程设施的作用，发生超标准洪水时将洪灾损失降到最低，以满足经济社会发展对防洪体系的要求。

2.2 规划设计的标准

根据《江河流域规划编制规程》(SL 201—2015)、《防洪标准》(GB 50201—2014)、《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)、《城市防洪工程设计规范》(GB/T 50805—2012)、福建省水利水电厅颁发的有关文件等的规定确定规划区防洪排涝及防潮标准。同时结合《平海湾规划》，确定该规划区防洪标准为30年一遇洪水，排涝标准按20年一遇设计，防潮标准为30年一遇外海潮位。

2.3 规划设计的目标

规划的任务是针对忠门北江围垦片区内防洪排涝现状，提出科学合理的防洪排涝方案，确定规划区控制水位，拟定滞洪区(人工湖)、排洪渠、堤防、排涝闸及区内排涝设施规模，使规划区内水系布局更加科学、合理，满足城市防洪除涝的要求，为城市经济社会发展提供基本安全保障。

针对规划区市政规划和防洪防潮排涝现状、存在问题及其原因分析，通过各项工程措施以达到如下目标：

a.设置一定规模的滞洪区(人工湖)、整治区内排洪渠，以提高规划区滞洪能力和排洪能力，同时改造、重建排涝(纳潮)闸提高规划区排涝能力。

b.通过河道整治、护砌，确保河岸稳定，美化城区河道，改善区域水生态环境。

c.滞洪区可调蓄该区域洪水，对防洪排涝发挥着重要作用；同时，为提升区域水环境，结合市政规划和城市景观水体建设，将滞洪区打造成集休闲、娱乐、观光于一体的水上公园(人工湖)，为区域增添一道靓丽的景观。

3 水文水利计算

3.1 设计洪水计算

为分析规划区设计洪水，需分析北江围垦片全流域设计洪水。北江围垦片全流域面积为14.2km2，为沿海山区性小河流，内无实测流量资料，故采用暴雨推求设计洪水法推求流域内设计洪水。

采用暴雨推求设计洪水法，首先求得规划区暴雨参数成果，再应用暴雨参数成果，通过推理公式法、华东特小流域暴雨推求洪水法计算，经比较后合理选用。

3.1.1 设计暴雨推求

北江围垦片附近有忠门雨量站，短历时暴雨观测资料不足20年，资料系列较短，无法满足设计要求。因此，本次规划区设计暴雨根据福建省水文水资源勘测局编制的《福建省暴雨等值线图集》查算，年最大24h暴雨均值可通过等值线图查得，年最大24h暴雨Cv值也可通过Cv等值线图查得。推算出规划区设计暴雨统计参数成果(见表1)。

表1 规划区暴雨统计参数成果

3.1.2 设计洪水成果计算

应用暴雨参数成果，通过推理公式法、华东特小流域暴雨推求洪水法计算，经比较后合理选用。

经过计算可知，规划区各流域块采用华东特小流域暴雨推求洪水法计算的洪水成果较推理公式法略大。由于推理公式法较为适合面积大于10km2的小流域块，而规划区全流域面积为14.2km2，故规划区全流域采用推理公式法计算洪水成果，其他排洪渠则采用洪水成果较大的华东特小流域暴雨推求洪水法计算成果。具体见表2。

表2 各控制断面设计洪水成果

3.2 设计潮位计算

规划区位于平海湾，湾内有前沁潮位站，为长期观测潮位站，本次收集到前沁潮位站1955—2004年系列年最高潮位。前沁潮位站位于海岸地区，水位不受洪水影响，宜采用极值Ⅰ型分布进行频率分析计算。计算前的沁潮位站各频率年最高潮位成果见表3。

表3 前沁潮位站年最高潮位成果

4 防洪防潮排涝规划设计

4.1 规划方案拟定

规划区主要以海堤抵御外海设计高潮位，保护忠门北江围垦片规划区内安全。规划区防洪排涝工程应在水文分析成果的基础上，结合规划区的地面控制高程，采用“滞、疏、排”等综合措施，提高规划区的防洪排涝标准，以满足设计要求。即首先结合规划区场地平整，合理确定各片区的地面控制高程，并利用邻海低洼地形开辟相应规模的滞洪区；再通过整治新建排洪渠系，疏导规划区洪水汇入滞洪区，最终利用防潮海堤的排涝闸，就近将滞洪区内洪水外排入海。

该区具体拟定的规划方案工程布置见表4。

表4 防洪排涝规划方案工程布置成果

4.2 防洪排涝演算

4.2.1 计算原则

蓄涝计算的上边界条件为上游洪水入滞洪区，下边界条件为排涝闸外海潮位。根据设计洪水过程线、设计潮型过程线、库容曲线，按水量平衡原理进行调洪演算。基本原则为：区内水位高于外海潮位时开闸泄洪，反之关闸挡潮。

4.2.2 基础资料

a.设计洪水过程采用前面计算成果。

b.外海潮位过程采用前面计算的前沁潮位站设计潮位成果。

c.滞洪区面积。由于地形限制，按规划区布置滞洪区1340亩，同时规划区生态廊道及排洪渠可适当兼有滞洪作用考虑。

4.2.3 计算成果

4.2.3.1 洪潮遭遇组合分析

洪潮遭遇采用以下遭遇组合：组合一，30年一遇洪水遭遇外海多年平均潮位过程；组合二，2年一遇洪水过程遭遇外海30年一遇设计潮位过程。蓄涝水位取两种遭遇组合中的上包线。

同时，为分析高潮位和洪峰错时段遭遇的影响，分别按高潮位与洪峰正碰遭遇、滞后1h遭遇、滞后2h遭遇、滞后3h遭遇计算，以分析最不利工况。

由现状与规划(推荐方案)水平年蓄涝演算计算成果汇总对比可知，P=3.33%设计洪水过程与平均高潮位过程遭遇(组合一)，且高潮位滞后2h的组合方案为最不利工况。

4.2.3.2 排洪渠设计渠宽比选

为考虑生态廊道及排洪渠不同设计渠宽对滞洪区容积的影响，分析不同渠宽设计时滞洪演算成果(均采用组合一计算)。维持滞洪区1340亩不变，拟定不同方案设计渠宽进行滞洪演算，对各方案滞洪演算计算成果进行对比分析。

通过对比可知，以设计洪水过程与平均高潮位过程不利组合遭遇(组合一)及高潮位滞后2h的组合方案计算，三个方案设计渠宽对应的最高蓄涝水位分别为2.41m、2.29m、2.20m。则滞洪区布置1340亩，若生态廊道及排洪渠按方案一渠宽设计，规划区最高蓄涝水位已达2.41m，再以此水位向上推求水面线，排洪渠上游及二级引渠上游水位将超过2.60m，则按方案一的渠宽设计无法满足规划要求。若按方案三渠宽设计，规划区蓄涝水位减小虽不明显，但相应对规划区用地占用也将增加，可见滞洪区及规划渠宽并无进一步加大必要。

综合考虑，确定生态廊道渠宽按75m设计，规划区最高蓄涝水位为2.29m，可以满足规划区防洪排涝要求。

4.2.3.3 排涝设计起调水位比选

为进一步分析起调水位合理性，以设计洪水过程与平均高潮位过程不利组合遭遇(组合一)及高潮位滞后2h的组合方案及推荐滞洪区及排洪渠布置方案(生态廊道设计渠宽75m)，拟定不同起调水位进行计算，可得出不同起调水位滞洪演算成果。通过对比可知，若起调水位分别按1.0m、0.5m进行滞洪演算，则由于排洪不及时，遇30年一遇洪水区内最高蓄涝水位分别高达2.94m、2.76m，显然无法满足规划防洪要求。而起调水位进一步降低为-0.5m时，区内最高蓄涝水位仍为2.25m，较0m起调时的最高蓄涝数位2.29m降低趋势有限。分析其演算过程可知，虽然起调水位拟定较低，但是当洪水到来时，外海水位较高，排涝闸排涝机会并不大，区内水位仍然处于持续上升的过程，仅当外海潮位消落，低于区内水位时，可以开启排涝闸排洪，区内水位得以回落。可见蓄涝演算起调水位并无继续降低必要。

且根据现状运行情况调查，为维持规划区现有农田及鱼塘的基本用水需求，规划区内现状正常运行水位基本维持在0m，故综合防洪安全，以及水生态、水景观等综合要求，并结合实际运行情况，推荐区内正常运行水位及排洪控制起调水位为0m。

故综合以上分析，可得规划区现状水平年最高蓄涝水位为1.38m，规划水平年最高蓄涝水位为2.29m。

4.3 水面线计算

4.3.1 计算原理

水面线计算主要根据伯努利方程。

4.3.2 基础资料

a.设计流量。生态廊道及排洪渠设计流量，依据前面设计洪水计算成果。

b.起始水位。生态廊道及排洪渠以滞洪区蓄涝演算最高水位作为起始水位，向上游推算水面线。

c.糙率。参考同类工程及《水工设计手册》的糙率表，取0.030。

d.设计断面。根据前述规划方案，结合滞洪区布置，生态廊道及排洪渠设计渠宽分别拟定三个方案进行设计比选。为进一步分析不同设计渠宽对渠道上游水位的影响，以三个方案计算的滞洪区最高蓄涝水位为渠道起始水位，分别对生态廊道及港渠的设计水位进行推算。

4.3.3 计算成果

对生态廊道及排洪渠不同方案进行综合分析，得出本次推荐设计渠宽(见表5)。

表5 推荐设计渠宽成果

4.3.4 特征水位

规划区防洪标准为30年一遇，规划水平年最高蓄涝水位为2.29m。根据分析计算，可得出各排洪渠30年一遇防洪设计水位成果。

规划区排涝标准为20年一遇，为分析规划区排涝控制水位，根据滞洪区蓄涝演算，以20年一遇设计洪水过程与平均高潮位过程不利组合遭遇(组合一)、高潮位滞后2h的组合方案及推荐滞洪区和推荐排洪渠布置方案进行蓄涝演算，得到规划区20年一遇最高蓄涝水位为1.98m。按分析的各排洪渠推荐设计规模，以此水位向上推求各排洪渠水面线，得到各排洪渠沿程20年一遇排涝控制水位成果。

4.4 工程方案及布置

4.4.1 滞洪区

根据该片区原防洪排涝规划，规划水平年设1340亩(净面积)的滞洪区。

滞洪区底高程-2.0m，边坡1∶4，滞洪区护岸采用浆砌石护砌。滞洪区布置东以风力发电基座为界，西以规划道路为界，南、北以自然高地及现有道路控制线为界(滞洪区周边预留涉水景观绿化用地)。

4.4.2 生态廊道

生态廊道全长1.4km，起始断面底高程接滞洪区，为-2.0m，采用复式梯形断面(规划道路跨渠桥梁桥下断面控制宽度30m)，两岸可以采用生态护坡。

4.4.3 排洪渠

本次布置排洪渠5条，总长5.34km。

1号排洪渠规划渠线沿现状自然高地边线布置(南部自然高地高程8.0m左右)，排向滞洪区，渠道长度890m，规划渠宽25m；设计洪水位(P=3.33%)为2.29～2.33m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.56m，设计断面为矩形浆砌石明渠断面。

2号排洪渠规划渠线沿规划道路绿化带边线布置，排向滞洪区，渠道长度1200m，规划渠宽15m，设计洪水位(P=3.33%)为2.29～2.34m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.4m，设计断面为矩形浆砌石明渠断面。

3号排洪渠规划渠线沿规划道路绿化带边线布置，位于乐屿新城南部，排向滞洪区，渠道长度1600m，规划渠宽10m，设计洪水位(P=3.33%)为2.29～2.36m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.20m，设计断面为矩形浆砌石明渠断面。

4号排洪渠规划渠线沿规划道路绿化带边线布置，位于乐屿新城北部，排向滞洪区，渠道长度1230m，规划渠宽15m，设计洪水位(P=3.33%)为2.29～2.33m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.39m，设计断面为矩形浆砌石明渠断面。

5号排洪渠规划渠线沿规划道路绿化带边线布置，排向滞洪区，渠道长度420m，规划渠宽10m，设计洪水位(P=3.33%)为2.29～2.32m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.79m，设计断面为矩形浆砌石明渠断面。

渠岸岸顶高程按设计洪水位加上波浪爬高、风壅水面高度和安全加高值确定。参照《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)规定，3级建筑物允许越浪的安全加高值为0.4m。波浪爬高与风壅增高值与计算风速、堤前水深、有效吹程和迎水面堤坡等因素有关，经计算该工程渠岸顶超高值为0.6m。

4.4.4 排涝闸

北江围垦海堤已有利山排涝闸和后坑纳潮闸。经分析计算，为满足北江围垦排涝需要，排涝(纳潮)闸改造重建维持原规模，即利山排涝闸1座3孔，闸孔大小3m×4.25m，底板高程-2.74m；后坑纳潮闸1座3孔，闸孔大小3m×3.04m，底板高程-0.65m(见下图)。

规划工程总平面布置图

5 非工程措施规划

非工程措施是现代防洪治涝减灾体系中不可缺少的重要组成部分，无论建设什么样的防洪工程设施，不可预见因素和超标准洪水的危除性总是存在的。工程措施防洪是改造自然，非工程措施防洪是顺应洪水的自然特性采用其他措施减少损失。如果完全采取工程措施提高防洪标准，不仅难度大、周期长、投资大，而且存在一定的限制，经济上也不一定合理。因此防洪不能完全依靠工程措施建设，还必须加强非工程措施配套建设。