杭州市区城西洪涝灾害防治方案研究

蒋建灵

（浙江省杭州市水利发展规划研究中心，浙江 杭州 310014）

1 研究背景

杭州市区运河以西地区西面以苕溪为界，北面以杭州市界附近东塘港为界，东面以京杭运河为界，南面以杭州山区分水岭为界，处在浙西低山丘陵向浙北平原过渡地带，地势由西南向东北倾斜，总面积约579 km2，扣除西湖流域及老城区面积（约93 km2），余下部分面积486 km2。杭州运河以西地区地势上由西南向东北倾斜，西南为流域的上游，属低山丘陵地带，往东北进入流域下游，属平原河网地带。上游为山区，中下游新建了小和山高教园区。下游平原区河网纵横，为杭州市区西部城乡结合区，包括西湖区的留下街道、蒋村街道和余杭区的闲林街道。城西区域上承西部山水，下受湖州、嘉兴平原水位顶托影响，防洪排涝形势严峻。自2007年以来，杭州市先后遭遇“罗莎”台风和“菲特”台风等多次暴雨洪水，城西地区首挡其冲，内涝严重，经济损失惨重，社会反响较大。2018年，浙江省政府将省级产业集聚区——杭州城西科创大走廊产业集聚区落户于城西，2020年，浙江省政府决定在杭州城西科创大走廊产业集聚区在全省率先试点数字化城市建设——城市大脑，杭州城西区域地位无可比拟，城西区域淹不得，淹不起，区域发展对水利保障提出了更高的要求。针对区域防洪排涝存在的问题，杭州市城市防洪减灾规划和相关城西洪水出路研究课题提出以“上蓄、中滞、下排”为原则的一系列防涝工程，规划和研究课题均提出上蓄工程闲林水库、中滞工程西溪湿地调蓄、下排工程“西部排水快速通道”，目前闲林水库已建成投入运行，西溪湿地调蓄工程通过科学调度，正积极发挥蓄滞洪作用，下游骨干河道拓宽整治工程基本无实施。目前规划下游河道拓宽受城市快速发展影响，实施难度极大，故城西区域主要存在下排通道受阻、排水不畅等问题；另外，近年来下游嘉兴、湖州地区加大实施城市包围、城镇圩区工程，外围骨干河网水位呈逐年上升趋势，使城西下游河道排水时流速慢，排水受下游顶托时间长［1-6］。

国内学者已总结出洪涝灾害的危害，如谭徐明等［7］认为洪涝灾害是发生频率最高、影响范围最广的自然灾害，山区暴雨洪水引发的山洪泥石流是死亡人口最多的自然灾害。因此基于城西区域特殊地理位置和规划工程实施现状，为适应新时代社会、经济、环境协调发展，减轻和预防洪涝灾害给城西地区居民带来的生命和财产威胁，实现城市的可持续发展，更有必要系统分析杭州市区城西洪涝灾害成因，因地制宜提出对策，为彻底解决该地区洪涝灾害问题提供依据。

本文提出深隧排洪方案——城西南排通道，将城西涝水就近排放钱塘江，可大大缓解城市洪涝压力，提高防洪减灾能力。深隧排水系统是一种行之有效的内涝防治工程措施，纵观国内外城市深隧排水案列，国外多个国家已经有了较为成熟的应用，比如：法国巴黎地下水处理系统管道总长达2400 km，深达50 m；日本东京“首都圈外围排水工程”由地下管道、储水立坑组成，包括总长6.3 km、内径10 m的地下管道；美国芝加哥隧道及水库隧道工程，隧道长211 km，深45～91 m，直径2.7～10.8 m；英国伦敦泰晤士深层排水隧道工程，长35 km、最深处达75 m。国内相对较少，尚处于试点阶段：广州深层隧道排水系统工程东濠涌试验段工程，长1.7 km、直径6 m，具有排水、排污或配水等多功能；上海苏州河深隧工程，长约17 km，管径8 m，具有排水、排污功能。

2 城西洪涝现状分析

2.1 城西洪涝灾害及现状防涝能力分析 近十年来杭州城西区域遭受的较大洪涝灾害为2013年“菲特”台风暴雨洪水。2013年10月，受第23号“菲特”台风影响，杭州市出现了大范围的持续强降雨，全市面雨量186 mm，重现期约为35年。“菲特”台风对杭州城西地区造成严重影响，五常港南端最高水位4.15 m，沿山河（庆丰新村）最高水位4.11 m，拱宸桥最高水位3.64 m。部分区域出现大面积积水，部分交通中断，特别是留下等地区内涝严重，经济损失惨重。

城西平原片由于地势低洼、受杭嘉湖平原高水位的顶托，骨干河道规模小，一般河道局部存在卡口，整体排水效果不理想，积涝历时也较长，积涝情况较为严重。对城西区域现状用地、现状水利工程下遭遇20年一遇、50年一遇的洪水进行演进计算，计算成果得出，城西区域整体排涝标准未达到20年一遇，其中五常街道、梦想小镇（闲林港余杭塘河口）、云谷小镇等重点建设区块未达到50年一遇排涝标准。

2.2 已建和拟建规划工程效果分析 城西洪涝水通过区域内“两横两纵”的骨干河网（两横：梧桐港-沿山河、余杭塘河；两纵：闲林港-九曲洋港、五常港-蓬驾桥港）东排北排进入运河。由于现状九曲洋港及蓬驾桥港等北排通道缺乏整治，局部存在卡口，排水能力受限，沿山河东侧受地形影响，洪水多经五常港后流入余杭塘河，沿余杭塘河东排运河成为城西洪涝水实际的主要排水通道，给下游杭州主城区防洪排涝带来较大压力。故城西洪涝水实际东排受限，势必产生洪涝灾害问题。

针对区域防洪排涝存在的问题，杭州市城市防洪减灾规划提出以“上蓄、中滞、下排”为原则的一系列防涝工程。从规划工程落地性分析，扩建上游水库，增加蓄洪功能；利用区内湿地水面率大、调蓄能力强，通过控制调度，充分发挥其河道行洪和滞洪作用等“上蓄、中滞”工程已实施，但下排工程“西部排水快速通道”方案，即在绕城公路西侧，利用现有闲林港、余杭塘河、九曲港、毛家洋港、良渚港、栅庄桥港等河道整治形成一条自留下至勾庄的主要排水通道，城西山区洪水可直接进入排水快速通道（见图1）；因地方政府政策处理原因，需拓宽的骨干河道两侧土地近年已开发或出让，西部排水快速通道工程已无实施可能。另外，下游地区河网水位对杭州城西地区的顶托影响，加剧了沿天然水流方向排水的受阻问题，导致下排流量、时间均受流域洪水影响，即为被动排除涝水，排水效果不佳。近年来，杭州也在探讨建立城市包围圈，北面设置控制线和强排泵站，但工程规模和强排流量等同样受下游地区经济发展需求影响，增加了流域防洪的不利因素，且存在工程投资巨大，实施时间长的缺点。

图1 城西南排通道工程

2.3 影响防洪排涝的主要问题 根据城西所处地形条件和水系走向分布情况，本地区防洪排涝存在的主要问题有：

（1）上游山区面积大，洪水源短流急。上埠河等山区小流域集雨面积较大，有110余km2，上游缺乏骨干拦蓄工程（目前已建成闲林水库，仅拦蓄17 km2），下泄洪峰流量较大，洪水下泄至平原后因河道排水能力不足造成水位抬高，漫溢至两岸。

（2）自然地理因素独特，河道坡降缓慢。城西地区从地理区块上来看正处于京杭运河上游，下游受平原水位顶托，上游受山区来水承泄，加上自身地势低洼，于上下游逼迫夹攻之间形成易涝死角。随着杭州市域发展版图的不断扩大，防洪排涝包围圈亦不断扩大，给洪水出路带来了更多的限制。

（3）城市化进程快，域内可调蓄面积迅速萎缩。比较典型的情况如：小和山高教园区从可以短期滞蓄山洪的大片低洼农田变为校园或道路，地面硬化程度急剧升高，降雨形成的径流增多，洪水量大幅增加；西溪湿地公园建成大包围，并在周边或过境的河道设闸挡水，洪水期为保护湿地内旅游设施，沿山河上西溪湿地节制闸往往很少甚至不打开，阻断了沿山河东西向排洪，其自身的高标准防洪要求与周边区域的排水、滞洪要求产生的新矛盾没有协调好；留下、闲林、三墩一带被纳入了城市建成区的范围，原来大面积的农田以及鱼塘水面等变成了道路、小区等硬化地面，调蓄能力减弱。目前随着海绵城市建设的理念深入及管理技术的提高，部分集中开发地块可以发挥城市绿地、道路、水系对雨水的吸纳、蓄渗作用，有效缓解调蓄面积骤减［8］。

（4）区域缺少大河沟通，未形成有效的骨干排水通道。区域内的闲林港、五常港、紫金港、莲花港、冯家河等下游纵向排水河道规模不足，淤积严重，并部分人为设闸挡水，未形成有效的排水骨干河道。

（5）流域周边水文条件及下垫面情况变化的影响。杭州市城西地区属杭嘉湖东部平原上游地区，处在太湖流域和黄浦江上游。与上世纪中期相比，黄浦江米市渡潮位有较大幅度抬高，使杭嘉湖东排受阻；太浦河高水行洪造成北排能力减弱、太湖洪水倒灌杭嘉湖地区；同时，地区社会经济的发展和人类活动的加剧，造成不透水地面面积扩大，东部平原1970年代水面率为12%，到如今仅9%左右，水面调蓄减少了四分之一；圩区建设减少圩外洪水调蓄面积，圩区排涝能力提高造成圩外骨干河道水位上涨。流域周边水文条件及下垫面情况变化使杭州市运西地区下游水位抬高，进而对城西地区防洪排涝带来更为不利影响［5-6］。

3 城西洪涝防治方案研究

根据城西洪涝现状情况，防洪排涝工程的短板，是下排问题，骨干排水河道整治不能到位，且受北面下游洪水顶托，导致骨干河道规模排水不畅，而东排又受主城区余杭塘河规模扩建以及既有城市开发建设影响，穿城而过的地下隧道方案受工程投资及地铁、市政管道线路制约，几无可能。随着社会经济发展，土地资源日益紧缺，城西地区受地理条件制约，传统的沿天然河流方向排水治水思路受限，本文另辟捷径，大胆提出切实可行的外排方案，即城西南排通道方案（深隧排洪），就近排放钱塘江，可大大缓解城市洪涝压力，提高防洪减灾能力。

3.1 城西洪涝防治方案 借鉴国内外城市排水工程成功经验，结合城西所处地形地势条件，我们提出城西南排通道工程，即利用河道连通闲林湿地、五常湿地和西溪湿地，将城西地区洪水汇至五常港附近的进水口，新建五常港到钱塘江长约13 km的地下深埋隧洞，出水口新建排涝泵站，将洪涝水抽排至钱塘江，并结合建设上泗沿山河挡潮闸、九溪挡潮闸等，提高之江片区和九溪十八涧排洪御潮能力。

工程规模：根据本工程目标，主要是解决城西科创大走廊及运西片西湖、拱墅区内50年一遇涝水威胁。通过不同泵站规模比选，确定城西南排通道工程泵站规模。经计算，在排涝泵站设计流量为200 m3/s，可基本满足目标范围内近远期水位控制目标，近期运西片绕城公路以东水位可基本控制在3.5 m左右，绕城公路以西水位可控制在4.0 m左右。同时，考虑城市可持续发展对防洪排涝要求，建议城西南排通道工程预留远期达到300 m3/s排涝规模。故泵站设计排涝流量为200 m3/s（远期300 m3/s）。输水隧洞方案，考虑现有流量资料、地质条件、工程总体布置、水力学、泵站扬程等初拟了单洞、双洞方案进行初步比选。单洞方案衬后洞径11 m，开挖洞径约12.5 m，隧洞长度约13.0 km；双洞方案线路走向与单洞方案一致，洞径考虑水头损失一致原则，拟定衬后洞径8.5 m，开挖洞径约9.7 m。单洞、双洞方案均考虑主体TBM施工。单洞投资相对较低，暂按单洞方案考虑。目前，推荐线路方案平面转弯共7处，从首部至尾部转弯半径分别为600 m、500 m、900 m、1000 m、1000 m、1000 m、1000 m。采用双护盾TBM开挖，转弯半径满足要求。南排通道线路纵坡采用自进口至出口爬坡设计，双护盾TBM自西溪湿地出发，自出口竖井接收，爬坡掘进，纵坡采用约0.01%，施工期排水自掌子面沿隧洞底板排至进口竖井底部，设置临时泵抽排至洞外。主隧进口底板高程-54.5 m，出口底板高程-53.33 m，出口泵站专设一台运行期抽空隧洞内水体的水泵，检修时可自出口将隧洞内大部分水体抽排至钱塘江，进口剩余部分少量水体设置临时泵抽空。故按隧洞方案布置，隧洞长度约13.0 km，衬后洞径11 m。

工程技术经济可行性：工程属杭嘉湖平原的西南端，天目山系余脉的低山丘陵地貌，地势呈西高东低之势，通过前期地质测绘、钻探及室内试验，对工程地质情况进行了初步勘察，无制约工程建设的不良地质条件。主要工程项目隧洞采用TBM法施工，技术条件成熟。工程总投资约61亿元，工程属社会公益性的水利工程建设项目，工程排涝效益、水环境改善效益以及滨水景观和土地利用效益显著，运行成本主要体现在汛期排涝和平常反向配水产生的运管费用。故工程建设在技术经济上是合理可行的。

工程方案优点：（1）大大缩短洪涝水排水行程，与通过几十公里长的河道自然流向下游杭嘉湖地区相比，深埋输水隧洞长仅13 km，洪涝水就近入江；（2）排涝流量大，城西汇水通过衬后洞径11 m（目前国内少有）的隧洞，出口泵站强排入江，最高排涝流量可达300 m3/s；（3）综合效益明显，具备反向配水功能，利用自然水位差，从钱塘江引水入城西地区，提高城西水系的生态环境功能。

3.2 城西洪涝防治方案效果分析

3.2.1 排涝水利计算 城西南排通道工程外排运西片部分洪涝水入钱塘江，故洪涝水水利计算范围为杭州运西片，东至京杭大运河，南至山区分水岭，西至西险大塘，北至东塘港。计算面积为486 km2，其中山区面积104 km2，平原区面积382 km2。采用一维非恒定流水动力学模型，建立杭州市运西片河网水利计算模型。国内有不少学者针对圩区、水闸分布对平原河网的洪涝影响开展了研究，如王静等［9］认为基于已有的一、二维非恒定流水动力学理论建立的城市洪涝仿真模型，引入“小蓄水面”的概念，将圩区内外在水动力学模型中未被概化但对降雨的调蓄作用不可忽略的小河、塘坝、小湖泊等根据其实际空间分布统一概化为所在网格的小蓄水面。李大鸣等［10］采用三级联解法建立一维河网非恒定流数学模型，提出双向迭代内边界控制法对具有闸、堰的特殊河段求解，考虑了河网复杂的水闸控制条件。本文考虑“小蓄水面”以及圩内外以排水闸堰连接方式。模型中概化骨干排水河道127条，计算河道断面1500余个。排水河道之间的调蓄水域概化为湖泊，共计8个。概化湖泊和排水河道之间根据实际情况，采用河道或排水闸、堰形式连接［10-13］。

外边界条件。计算的上边界条件取山区河流的流量过程线，根据水文计算结果，以点入流、旁侧入流的形式分别进入相应河段，其中点入流3个，旁侧入流4个；平原区的设计洪水以旁侧入流的形式进入相应河段，共计19个。河网概化图见图2。

图2 河网概化图

糙率取值。按照模型率定结果及参考以往的研究成果加以选取，一般取0.02～0.035。

模型验证。选取2013年10月的“菲特”台风，对模型进行检验。检验后，15个验证点的实测水位、计算水位的误差均在0.08 m内，表明模型的概化及参数选择基本合理［14-17］。

3.2.2 效果分析 结合规划河道已实施和拟整治规模，实施城西南排方案后进行水利计算，成果见表1，由表1可知实施南排方案对降低平原河网水位作用较为明显，50年一遇台雨洪水可降低平原区块水位0.08~0.47 m。本工程的建设有助于降低区域内高水位持续时间，缓解城区雨水排水压力，减少了东排运河水量，减轻下游防洪排涝压力，与三堡、八堡泵站共同构筑杭州主城区安全屏障。本工程对于运西片防洪排涝改善效果尤为明显，经计算，本工程建成后，流域再次遭遇“罗莎”实况台风，拱宸桥水位峰值前，三堡及城西南排通道工程南排水量分别达到0.20亿m3和0.22亿m3。经计算，本工程建成后，50年一遇设计工况下，近期运西片绕城公路以东水位可基本控制在3.5m左右，绕城公路以西水位可控制在4.0 m左右。城西地区部分涝水外排钱塘江，能减轻下游杭嘉湖平原的防洪排涝压力，对流域防涝也有积极贡献。

表1 城西南排方案水利计算成果表（台雨P=2%）

设计流量对下游排水防涝能力的影响：隧洞出水口位于钱塘江九溪段，通过出水口竖井至泵站前池提升入钱塘江。泵站设计排涝流量200 m3/s，预留远期达到300 m3/s的规模。该出口正好位于上泗沿山河出口、珊瑚沙水库与钱塘江主河道所围三角区域水面，该区域不占钱塘江行洪主河道断面，对钱塘江行洪基本无影响。

4 结论

（1）通过水利计算和分析，杭州市区城西地区的防涝现状未达到20年一遇排涝标准，为10年一遇到20年一遇之间，与城市高质量社会发展提供水利要素保障要求尚不匹配。

（2）城西南排通道工程采用深隧排洪，隧洞衬后洞径11 m，开挖洞径约12.5 m，隧洞长度约13.0 km，出口泵站设计排涝流量为200 m3/s（远期300 m3/s）。结合区域上蓄、中滞及其他河道整治工程，使城西区域整体排涝标准达到20年一遇，城西核心五常街道、梦想小镇、云谷小镇等重点建设区块达到50年一遇排涝标准。

（3）随着社会经济发展，土地资源紧缺，天然河道水系拓宽受阻，传统治水思路受限，本次综合分析城西所处地形、地势条件，按照洪涝水就近强排原则，向地下空间要资源，提出切实可行的城西南排通道方案，不仅快速解决了城西洪涝灾害下排问题，还缓解了杭嘉湖地区流域，特别是下游嘉兴、湖州地区洪水压力，为治理流域洪水灾害也作出了一定贡献。本工程建成后，50年一遇设计工况下，近期运西片绕城公路以东水位可基本控制在3.5 m左右，绕城公路以西水位可控制在4.0 m左右。远期随着杭嘉湖水位抬升，工程目标范围内水位将进一步抬升，但考虑地坪按规划抬高后，水位可基本控制在4.0 m以内，满足区域防洪排涝要求。工程排涝效益明显，方案切实可行。