武汉市新洲区涨渡湖流域防洪排涝规划方案拟定

2019-08-31闫伟伟何德舜廖文俊

中国农村水利水电 2019年8期

闫伟伟，何德舜，廖文俊

(1.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

涨渡湖流域位于武汉市新洲区南部，东抵举水河西堤，与黄冈市团风县隔河相望，西接倒水东堤，南依长江堵龙干堤，北邻新洲区汪集街，因“涨水为渡、落水为湖”而得名。流域河湖密布，水系复杂，水利工程众多，确定合理的防洪排涝规划方案是保障该区域防洪安全[1-4]的重点。

涨渡湖承接举、倒二水下游区间524 km2的来水，涨渡湖主港以上流域面积为344 km2，可分为西港、东港，中间有水系经兑公咀湖、安仁湖和三宝湖与主港相连。涨渡湖主港以下流域面积为180 km2，其中涨渡湖主湖区面积为40 km2，涨渡湖主湖西部和南部面积为90 km2(包括陶家大湖、七湖)，涨渡湖主湖东部面积为50 km2。

涨渡湖区主要排水泵站为沐家泾一泵站(设计排水流量47 m3/s，设计装机容量6 000 kW)、沐家泾二泵站(设计排水流量47 m3/s，设计装机容量6 000 kW)和蔑扎湖泵站(设计排水流量50 m3/s，设计装机容量6 000 kW)等3座泵站，主要功能是将涨渡湖区的沐家泾主港、西港和东港的涝水在外河高水位时排至举水和倒水，再由举、倒二水排至长江，总排水流量144 m3/s，总装机1.8 万kW。

根据已批复的《武汉市新洲区涨渡湖、柴泊湖水利综合治理规划》：涨渡湖整体防洪标准为20年一遇，涨渡湖排涝标准为20年一遇15 d暴雨控制涨渡湖最高水位不超过20.5 m[5]。

1 湖泊调蓄演算模型及方法

考虑到涨渡湖流域水系的复杂性，本次拟采用明渠非恒定流圣维南偏微分方程组来模拟河道水位流量过程[6]；节制闸、分水闸、无支流的集中入流等作为内边界条件；外排闸站、上下游入出流、已知流量或水位等作为外边界条件；湖泊作为蓄水汊点处理，而河渠交界作为不蓄水汊点处理；对可分洪内垸或分蓄洪区，启用状态下处理成堰流内边界，不启用状态下为流量已知的外边界条件。采用隐式差分法将圣维南方程组、边界条件方程和汊点方程离散成线性方程组，并采用牛顿迭代及高斯列主元消去法求解该方程组，从而得到各计算断面的水位和流量过程。

1.1 河网概化及断面划分

依据流域河网水系结构、常规水流走向、现有流域内水利工程布局等因素，构建流域河网现状概化图，同时可根据流域防洪除涝存在的问题，在提出规划工程的基础上构建河网规划概化图，据此可求出流域内不同工况的各特征断面的水位及流量变化过程，为工程效果分析及工程规模的拟定提供定量的科学依据。河网概化和断面划分见图1。

图1 涨渡湖排涝系统概化图Fig.1 Sketch of Zhangdu Lake drainage system

由图1可见主控闸站、调蓄湖泊、河渠分布等。倒水和举水上游概化渠共计24 km2来水通过上游闸站排入倒水和举水，该部分来水不参与洪水分析，实际参与洪水分析的共计500 km2区域。

沐家泾一、二泵站由于距离较近，将其概化成1座泵站，流量按两者之和计；涨北1号、2号调洪闸由于距离较近，功能相似，将其概化成1座水闸，流量按两者之和计，根据计算经验，概化处理对计算结果影响很小。主港西北侧、涨渡湖西北侧和西南侧有排涝泵站，将其概化成点源入流；主港东部南北侧有多座排涝泵站，将其概化成线源入流，涨渡湖主湖自身40 km2来水概化成线源入流。

1.2 定解条件

1.2.1 初始条件

模型模拟前必须确定模拟时刻前一时刻各断面的水位和流量以便实现递推计算，因此，初始时刻各断面的水位和流量须事先赋值。本规划假设初始时刻河网处于静止状态，各断面流量接近于0，水位为规划起排水位。

1.2.2 边界条件

本次排涝系统入流开边界为东港、西港、概化中港和概化陶七港上游端。根据实测资料统计分析，本次采用典型年设计雨洪过程[7]，期间由于外江(河)水位均高于内河水位，沐家泾闸和涨渡湖闸均呈关闭状态，因此排水途径仅考虑泵站外排。闭边界为主港和蔑扎湖泵站渠末端，若考虑于挖沟港增加外排泵站时，则闭边界增设1处，为挖沟港末端。

2 防洪排涝调度方案

涨渡湖起排水位为19.0 m，最高控制水位为20.5 m。

涨渡湖流域防洪排涝体系采取分区提排、联合自排、湖泊滞洪、灵活调度，先确保城镇和产业园区安全，再抢排农田渍水，最后排除湖泊涝水，尽量减少洪涝灾害损失。

涨渡湖区外排站主要为蔑扎湖泵站和沐家泾一、二泵站。蔑扎湖泵站设计排涝流量50 m3/s，沐家泾一、二泵站设计排涝流量均为47 m3/s。蔑扎湖泵站主要排除西港及主港西部流域约150 km2涝水，沐家泾一、二泵站排除东港流域、主港中东部(包括兑公咀湖、安仁湖和三宝湖)及涨渡湖主湖东部约244 km2涝水。涨渡湖主湖及西部、南部共130 km2涝水入涨渡湖后经调洪闸进入主港，主要由沐家泾一、二泵站予以排除。

在来水流量小于144 m3/s时，来多少抽多少，控制涨渡湖和主港水位维持在起排水位19.0 m，来水流量大于144 m3/s时，泵站满开全力抽排。

3 湖泊现状防洪能力分析

基于现状工况，分析涨渡湖的现状防洪能力。现状工况指：

(1)所有闸站的过流能力均能达到设计状态。

(2)入湖、入河洪水采用现状下垫面条件下的洪水过程。

(3)湖容曲线按现状考虑。

现状工况下，利用河网水力学模型分别对涨渡湖10年一遇、20年一遇、50年一遇设计洪水过程进行防洪调度模拟演算，得到河网各断面水位流量过程[8,9]。

根据，现状工况下涨渡湖10年一遇最高洪水位为20.48 m，20年一遇最高洪水位为20.83 m，50年一遇最高洪水位为21.05 m。

涨渡湖堤防现状堤顶高程超过21.5 m，若考虑1.0 m的超高，可以防御10年一遇洪水，这说明涨渡湖现状防洪能力不高。

去掉百分比≤5%的证候要素，最终共得到19个证候要素：病位类：肝、心、脾、肺、肾、胃、脑神、胆，病性类：痰浊、气滞、气逆、气虚、血瘀、血虚、血热、阴虚、阳虚、阳亢、津亏，具体出现频数及所占百分比见表1。

4 规划方案拟定

4.1 方案设置考虑因素

根据湖泊及所属流域的水系及水利工程情况，可采取如下3个方面的工程措施来提高湖泊防洪能力：

(1)增加调蓄能力。退渔(田)还湖；设置分洪内垸。由于湖泊保证水位难以提高，所以未考虑提高保证水位增加调蓄能力的情况。

(2)增加外排能力。现有泵站增容；新建外排泵站；湖区港渠整治；河道上阻水建筑物改造。

(3)高水高排。疏通上游港渠，将上游涝水直接由上游泵站排入倒水和举水，泵站可扩建或新建，减小下游涝水量。

4.2 方案产生原则

结合涨渡湖流域实际情况，对20年一遇的洪水，规划的原则是：尽量维持现有蓄泄格局，首先考虑排水干渠疏挖、阻水建筑物改造、闸站更新改造等措施，充分发挥湖泊蓄涝能力和闸站外排能力；若现有蓄泄格局不足以统筹解决20年一遇洪水，则优先考虑退渔(田)还湖和分洪方案，其次考虑泵站增容方案[10-15]。

4.3 退渔(田)还湖、分洪垸设置可行性分析

退渔还湖包括涨渡湖、陶家大湖、七湖、兑公咀湖、安仁湖和三宝湖等6座湖泊。由于武汉市各湖泊均已确定湖泊“三线”，本次主要针对上述6座湖泊蓝线内的现有鱼塘进行退渔还湖。

本次对上述6座湖泊蓝线内的调蓄容积(常年蓄水位和设计洪水位之间的湖容)按退渔还湖前、后进行复核，6座湖泊调蓄容积退渔还湖后较现状增加了408 万m3，实际上增加的湖泊调蓄容积远较湖区20年一遇15 d雨洪量要小，对区域雨洪的调蓄作用不明显，主要原因是设计洪水位情况下，湖泊蓝线内许多鱼塘被淹，实际上已经算作了现状调蓄容积。

涨渡湖周边区域的用地已经进行了系统规划，涨渡湖蓝线外设置分洪垸的想法已经不具备可行性。

4.4 调蓄演算方案组合

(1)增加调蓄能力。本次规划仅考虑退渔还湖，设置分洪内垸不具备可行性。

(2)增加外排能力。涨渡湖流域排水干渠体系较为完善，但二级排水港渠淤积阻水严重，需进行整治，港渠上阻水建筑物进行需配套改造。现有外排泵站增容或新建外排泵站通过比选确定。

目前，涨渡湖闸除险加固工程进行前期工作，蔑扎湖泵站和沐家泾一、二泵站已进行过更新改造。涨渡湖闸和沐家泾闸联合自排能力达到540 m3/s，历史数据和分析计算表明，该自排流量可以满足涨渡湖流域排涝期自排需求。涨渡湖流域较大涝灾一般发生在外江水位高于内湖水位时期，受外排泵站排涝能力不足影响，连续大暴雨导致湖水位持续走高而成灾。因此，本次增加外排能力的思路是增加提排流量。

增加提排流量就现有排水系统情况来看(必须要有一级排水港渠)，有4种方案可以比选：蔑扎湖泵站增容改造(与主港相连)；沐家泾泵站增容改造(与主港相连)；新建挖沟泵站(现有挖沟港)；于倒水东堤陶家大湖处新建泵站(现有陶家大湖—七湖—涨渡湖连通渠)。

若于倒水东堤陶家大湖处新建泵站，水流走向为涨渡湖--七湖--陶家大湖。现状虽有排水港渠，但陶家大湖--七湖--涨渡湖输水渠断面较小，过流能力不足，且实际地形为西高东低，需对输水渠道进行扩挖改造，涉及大量的占地，工程量较大。加之陶家大湖和七湖湖床相对较高，同时也需要对上述两湖进行湖底清淤和湖盆改造，工程投资将会明显增加。因此该方案可予以淘汰。

(3)高水高排。涨渡湖上游区涝水较为分散，现状无排水干渠将涝水集中，若考虑高水高排，将上游涝水撇除，则需开挖较长的排水干渠，配套较大的排水泵站，工程量过大，本次不予考虑。

综上所述，由于本次拟进行退渔还湖、湖区港渠整治、阻水建筑物改造，上述为调蓄演算方案组合中的必选项，比选项为：不增加提排能力；蔑扎湖泵站增容改造；沐家泾泵站增容改造；新建挖沟泵站。

表1 湖泊防洪规划方案组合Tab.1 Combination of flood control planning schemes for lakes

4.5 方案比选

对表1中各方案分别进行洪水演算，方案2～4需要假定增加的提排流量，当涨渡湖最高水位正好为20.5 m时，可认为该提排流量比较合适。

规划方案防洪调度模拟成果见表2。

表2 规划方案防洪调度模拟成果(P=5%)Tab.2 Scheduling simulation results of flood control plan (P=5%)

由表2可知，方案1较现状(20.85 m)将涨渡湖最高水位降低了0.07 m，究其原因，排水干渠现状过流能力基本满足要求，疏挖排水港渠不能明显增加提排能力，阻水建筑物主要集中在陶家大湖--七湖--涨渡湖连通渠，对其进行改造可以适当降低连通渠水位，但对涨渡湖水位影响较小。退渔还湖可以适当增加调蓄容积，但由于增加的湖容远远小于来水量，所以最高水位降低幅度有限。方案1在不增加提排能力的情况下，不能将涨渡湖最高水位控制在20.5m，不满足设计排涝标准要求。

方案2～4在增加外排流量的情况下，水位均有降低，以方案4降低幅度最大，方案2与方案3相差不大。方案4在增加60 m3/s的情况下，可以将涨渡湖最高水位控制在20.5 m，方案2和方案3在增加80 m3/s的情况下，也不能将涨渡湖最高水位控制在20.5 m。

本次对方案2～4进行详细比选：

(1)方案2。蔑扎湖泵站位于倒水东堤26+000处，承泄区为倒水下游，汛期为长江回水区。蔑扎湖泵站引水渠长2.8 km，接西港下游，底宽32 m，渠底高程15～16 m，纵坡1∶3 000，边坡1∶2，渠顶高程22 m，设计流量164 m3/s。蔑扎湖泵站进水池设计水位为16.5 m，涨渡湖排涝期设计水位为19.5 m，水位差为3 m。根据排涝期外江水位观测资料，长江龙口闸处排涝期平均水位较长江涨渡湖闸处高出接近0.5 m，若扩建蔑扎湖泵站，则所需设计扬程较涨渡湖闸处高出3.5 m，且根据防洪调度模拟，增加流量需达到100 m3/s左右才能满足设计防洪排涝标准，从建设和运行成本来说，方案2运行费用较高。

另外，若扩建蔑扎湖泵站，涨渡湖主湖区130 km2涝水需经由涨渡湖北部调洪闸进入主港，经主港往西由西港进入蔑扎湖泵站引水渠，从调洪闸至蔑扎湖泵站距离在8 km以上，排涝流程长，影响涨渡湖主湖涝水出流速度。最主要的是，无法实现分区提排的目标，涨渡湖主湖涝水实际上仍通过东西两线的举、倒二水排入长江。因此，方案2技术上不尽合理。

(2)方案3。沐家泾一泵站位于举水长江口上游约8.7 km处，沐家泾闸南100 m处，一泵站引水渠与主港相接，长约550 m，设计流量54 m3/s。沐家泾二泵站位于一泵站以南500 m处，二泵站引水渠与主港相接，长1 990 m，港底高程16 m，边坡坡比1∶2.5，底宽30 m，设计流量54 m3/s。现有一、二泵站引水渠设计流量略大于沐家泾一、二泵站设计流量之和(均为94 m3/s)，若扩建沐家泾泵站，需扩挖或新建引水渠。沐家泾一、二泵站内湖设计水位19.4 m，涨渡湖排涝期设计水位为19.5 m，根据排涝期外江(河)水位观测资料，长江沐家泾闸处排涝期平均水位较长江涨渡湖闸处低0.06 m，从提排扬程上看，沐家泾与挖沟两处选址差别很小。但根据防洪排涝演算模拟，增加流量需达到90 m3/s左右才能满足设计防洪排涝标准，从建设和运行成本来说，方案3运行费用较高。

另外，若于沐家泾扩建泵站，与方案2一样，排涝流程长，无法实现分区提排的目标，技术上不尽合理。

(3)方案4。若于挖沟处新建外排泵站，现有挖沟港直接连通涨渡湖至涨渡湖闸，全长1.5 km，设计流量240 m3/s，涨渡湖涝水可经由最短途径(相较其他方案)直接排入长江，同时还可实现分区排水的目标，防洪排涝调度上更为灵活，技术上更为合理。泵站设计流量为60 m3/s时，即可满足设计防洪排涝标准，且提水扬程相对较低，有现成引水渠可资利用，设计引水流量满足提排要求，经济上较优。

挖沟泵站所在的挖沟港东侧和西侧分别有30 km2和28 km2的涝水通过汇水渠进入挖沟港，抽排期上述58 km2的涝水通过挖沟港汇入涨渡湖。若挖沟泵站建成后，上述涝水可通过泵站直排，无需进入涨渡湖调蓄，且七湖以上50 km2的涝水还可以通过扩挖渠道进入挖沟港后由挖沟泵站直排，实现先排田、后排湖。

挖沟港西侧有双柳街办、武汉新港古龙港口产业园和武汉国家航天产业基地，挖沟泵站建成后，通过渠道疏挖和节制闸改造等配套设施，可对上述重要保护对象实现直排。若后期进一步完成工程配套措施，可以实现对陶家大湖和七湖区域的直排，保护范围内包含华中影视城等大型产业基地，总直排面积可达到108 km2，可覆盖整个涨渡湖南部地区，从而结束依靠涨渡湖以北区域泵站先排湖、再排田的不利局面。

综上所述，推荐方案4作为涨渡湖流域防洪工程规划推荐方案，即湖堤加高加固、退渔还湖、湖区港渠整治、阻水建筑物改造、新建挖沟泵站(设计流量60 m3/s)。