宁波海曙区“烟花”台风复演及对策措施研究

2022-06-01余方顺董其裕

水利技术监督 2022年6期

姚冰，余方顺，董其裕

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江宁波 315192)

宁波市海曙区位于东南沿海，是境内最重要的经济活动场所，台风及热带风暴登陆侵袭，是造成流域及区域洪涝灾害主要原因[1]。为进一步提高海曙区防洪排涝能力，应对未来可能出现更恶劣的气候条件，针对“烟花”台风受灾情况，通过实地调研[2]、部门座谈、科学计算等方式，进行台风水雨情复演及受涝原因分析，总结经验教训，科学合理的提出应对海曙区防洪排涝安全的对策措施，以保障人民生命财产安全和经济社会可持续发展。

1 区域概况

海曙区位于宁波市甬江流域中部偏西，行政区划面积约595.5km2，由北侧姚江、南侧奉化江及支流剡江、西侧四明山区包围而成，鄞江支流穿区而过，是“集东部中心城区中部郊区、西部山区为一体”的复合型城区。根据山区分水岭，海曙区域集雨范围面积约741.2km2，由海曙平原、海曙山区、宁峰片及鄞江山区四片组成。海曙平原汇水范围北至姚江，南至鄞江、奉化江，西至山区分水岭，呈三角形分布，平原内地势西南高，东北低，地面高程为1.8～3.0m不等；平原西侧为山区面积92km2，山区内建有溪下水库一座；鄞江山区片位于海曙区西侧山区，集雨范围约387.9km2，上游建有周公宅、皎口两座大型水库；宁锋片位于海曙区西南部，相对独立。特殊的地形地势条件、流域防洪排涝格局及城市开发建设使得海曙区水安全问题仍较为突出，平原洪涝灾害现象频发。如图1所示。

图1 海曙区行政区划及汇水分区情况

2 台风及受灾情况

2021年第6号台风“烟花”于7月18日2:00在西北太平洋洋面上生成，7月19日早晨加强为强热带风暴，7月21日11:00加强为强台风级，7月25日12：30前后登陆舟山普陀区，登陆时强度为台风级，7月26日上午9:00在杭州湾西部减弱为强热带风暴级，随后于上午9：50在浙江省平湖市沿海再次登陆，7月28日凌晨由热带风暴级减弱为热带低压，“烟花”为1949年有气象记录以来首个在浙江省内两次登陆的台风[3- 4]。受“烟花”台风影响，海曙区从22日开始连续降雨，鄞江山区作为本次台风的暴雨中心，降雨尤为突出，同时又恰逢天文大潮，风、暴、潮、洪“四碰头”，导致海曙平原鄞县大道以南区域普遍受淹0.5～1.5m，以北区域受淹0.2～0.5m，全区17个镇(乡)街道164个村(社区)近16万群众受灾。

3 受灾原因分析

3.1 持续性强降雨是造成海曙区大范围受灾直接因素

本次台风移动慢，历时长，雨量丰。台风自22日开始影响海曙区，30日后逐渐减弱，历时长达8d，持续降雨时长“超历史记录”，根据海曙区及周边国家基本站实测雨量资料，台风期间海曙区降雨自西往东方向递减，山区大于平原，暴雨中心主要集中在海曙区鄞江流域上游周公宅—皎口一线，过程雨量普遍达600～800mm，局部900mm以上，最大的梨洲站达到1005mm。另通过等值线法计算面降雨量[5]，台风期间海曙全区累计降雨485mm，超2013年“菲特”台风，为有记录以来最大，其中海曙集雨各片海曙平原、山区及宁峰片最大3d降雨量329mm，排频为18年一遇；鄞江山区最大3d降雨量536.4mm，排频近50年一遇。将本次降雨与近年来接连遭遇的“海葵”、“菲特”、“灿鸿”、“杜鹃”、“莫兰蒂”、“利奇马”等台风对比，从降雨量统计与“菲特”相似，但在降雨集中程度上，“烟花”台风最大1d降雨量占最大3d的比重均超“菲特”及“灿鸿”等台风，“烟花”台风降雨过程更为恶劣。因此，长历时集中强降雨是导致我区受涝严重的直接原因。如图2所示。

图2 “烟花”台风期间海曙区及甬江流域最大三天降雨等值线图

3.2 恰逢天文大潮是造成外江持续高水位是受灾客观因素

从奉化江流域降雨及干流水位分析，7月22—24日降雨量相对较小，此时奉化江干流水位受潮水控制，北渡、宁波两水位站与甬江下游镇海潮位站同涨落。7月25日凌晨甬江恰逢天文大潮并于25日凌晨“创历史新高”，宁波站达3.79m，超历史极值0.51m，随后逐渐退去，但因25日凌晨开始奉化江流域发生集中降雨，上游山区短历时累计降雨达80mm，上游山区洪水在经汇流后与下游潮水叠加，干流水位在洪潮双重作用下不降反涨，使得北渡于25日13：00到达台风最高水位4.21m，且干流全线超历史极值，7月28日以后奉化江干流才进入退水期，水位持续下降，台风期奉化江水位超警戒水位(2.5m)长达46h。姚江干流受上游持续强降雨及奉化江对姚江大闸出流的顶托，加之姚江流域两侧泵站的抽排(直排姚江泵站达536m3/s)，姚江干流水位持续上涨，姚江大闸站于26日2：00达到最高水位3.38m(超历史极值0.44m)，27日后流域雨量渐止，干流退水，至7月29日10：00姚江大闸站水位退至2.0m以下，台风期间超保证水位(2.6m)持续时间达70h。

因海曙平原涝水外排主要依托沿江水闸候潮排水，大量洪水只能等待外江水位低于内河水位才能外排，而当时正值农历大潮汛，台风初期受外江高潮位顶托影响，致使沿江水闸有效排水时间不长，排水功能基本丧失，内河水位无法明显回落。同时因奉化江高潮位顶托，导致奉化江上溯潮水由鄞江尚未封闭的薄弱堤段倒灌进入海曙平原，进一步加大了平原受涝问题。另外本次台风期间奉化江流域集中降雨经洪水演进之后并未与最高潮遭遇，若集中降雨提前8h，洪峰将与最高潮遭遇，北渡最高水位将抬升至4.70m以上，干支流面临漫堤风险。同时姚江流域强降雨主要集中在25—26日，同样较好错过了最高潮，如降雨提前1d，则姚江干流水位将进一步抬升0.20m以上，姚江干流堤防也存在漫堤风险。如图3—4所示。

3.3 相对薄弱的水利基础设施是难以有效规避洪涝灾害的现实因素

一方面因鄞江堤防尚未实施封闭，成为海曙防御外江洪水入侵的短板，根据“烟花”台风期海曙平原洞桥水位情况，25日奉化江洪水通过鄞江倒灌进入洞桥，洞桥站与外江北渡站同步快速增长，并于当日14：00点出现第一次高水位4.21m，而后外江水位虽开始降低，但因上游水库无法承受四明山区大量洪水入库，为确保水库大坝安全运行，上游大流量放水泄洪，上游洪水再次由洞桥、鄞江等地势较低的薄弱堤段处漫堤而入，洞桥站出现高水位4.33m。另外海曙平原西侧山区仍有62km2非受控区域，沿山干河工程未实施，使得西侧山区直接下泄洪水达2362万m3进入平原，进一步加重平原排涝压力。此外平原骨干排涝体系尚未完善，强排设施整体不足，排涝压力不断增加，使得高水位期间平原最大滞蓄水量8361万m3，其中，河网调蓄水量2200万m3，近6161万m3涝水淹没于平原，农田、低洼乡镇受灾严重。如图5所示。

图3 台风期奉化流域降雨及水位过程线

图4 台风期姚江流域降雨及水位过程线

综上，因海曙区整体水利基础设施相对薄弱，有效防范区域大洪水的能力偏低，特别是台风影响下涝水难排问题难以从根本上得以解决。

4 相关对策措施研究

4.1 计算方法

本文主要采用流域河网水动力模型[6- 7]，经率定之后分析区域洪水演进过程，模拟“烟花”台风期间相关对策措施实施前后海曙洪涝受灾情况，从而科学合理的提出应对海曙区防洪排涝安全的对策措施。

河网水动力数学模型主要将流域水系概化成由河网和水域组成的体系。河网由流域内骨干河道和重要连接等一系列主要河道组成，是流域输送水流的载体；水域主要由支流小溪、水塘等水体概化成，主要起着水量调蓄作用。对河网采用节点—河道模型，对成片水域则划分为单元，这部分单元仅起蓄水调节作用，不起动力输水作用。通过引入陆域宽度概念，河网和水域便组成统一的数学模型，或称混合模型。

图5 台风期海曙平原水位与水库下泄、干流水位关系

(1)河网水动力模型中采用一维非恒定流方法来描述水流在明渠中运动，其基本方程圣维南偏微分方程组为：

(1)

(2)

式中，q—河道旁侧入流，m3/s；BT—当量河宽，m；Z—断面水位，m；Q—流量，m3/s；K——流量模数。

(2)堰闸水流方程

碶闸的泄洪形式为自由出流时：

(3)

淹没出流方程为：

(4)

式中，m—闸孔自由出流流量系数；φ—闸孔淹没出流流量系数；Zu—闸前水位；Zd—闸后水位；H—闸前水头；Hs—闸后水头；B—闸孔的宽度。

(3)泵站出流，泵站出流量由设计泵排能力和调度方式决定。

(4)漫滩与漫堤，通过分片制定了河网水位与漫滩库容的关系曲线，用以模拟漫滩情况下各片区对洪水的调蓄作用。对于干流河道，河道水位超过河道堤防高程，洪水漫过堤防就近进入平原河网。

(5)模型参数分析与率定

①断面尺寸：根据实测或规划河道断面图量算，一般概化为梯形断面。

②陆域宽度：根据甬江流域水系电子地图，利用地理信息系统的功能量算得每条河道单位长度的平均汇流面积作为陆域宽度。

③河道糙率：主要河道的糙率根据实测的河道水位、流量资料进行率定取值，约0.023～0.038。其他河道按类比分析得出。

④水闸出流系数：根据实测的闸前、闸后同时水位、引排水流量资料进行率定取值。

⑤调蓄库容：根据调查统计及河道特性及水面面积资料分析得出。

4.2 相关对策措施

针对本次防御“烟花”台风中受灾原因，按照“洪涝分治”的原则，从流域系统治理的角度，针对海曙区洪涝灾害提出“南侧挡洪、西面导流、中部疏通、内增滞蓄、外加强排”的治理策略，基本形成应对区域“洪、涝、潮”防御体系，有效提高海曙区防洪减灾能力[8- 12]。

南侧挡洪：沿鄞江修建防洪堤，形成防洪闭合区的同时，通过洪水湾枢纽调度节制，洪水期间控制鄞江分洪入海曙平原洪量，20年一遇下，鄞江入南塘河水量不超过1000万m3。

西面导流：利用海曙西侧湖泊河、梅梁桥河作为沿山导流工程，将西侧部分山区洪水经大西坝出口导入姚江，减少山区汇入平原的水量。

中部疏通：拓宽和疏浚海曙片主要排水河道，构建“五纵五横”高速排水系统，保证河道过流能力与沿江闸泵工程排水能力相匹配，打造平原排涝“高速水路”，给洪水涝水以快速通道，同时保证足够的平原河网水面率，提升平原自身调蓄能力。其中南北向五纵排水系统为沿山导流河排水系统、蟹堰碶河排水系统、风棚碶河—邵家渡河排水系统、行春碶—跃进河—五江河排水系统和护城河—北斗河排水系统；东西向的五横排水干河系统为南塘河排水系统、千丈镜河排水系统、横街镇—屠家堰排水系统、西塘河和中塘河。

内增滞蓄：沿小溪港—梅梁桥河—湖泊河东侧布设调蓄湖，调蓄库容为1086万m3，分别位于梅梁桥河及湖泊河右侧。洪水期间，滞蓄海曙平原洪涝水量，降低平原内涝水位，后期经湖泊河外排姚江，或作为水资源、水生态利用。

外加强排：进一步增设沿江强排泵站，总流量提升至346.8m3/s，提升平原整体排涝能力，确保因外江顶托导致碶闸难以外排情况下，通过泵站强排保障平原防洪排涝安全。

同时建议治理海曙应跳出海曙治海曙，加快姚江流域西分北排工程建设，尽早实施奉化江流域南排象山港工程建设，降低干流防洪压力。

4.3 对策措施前后受涝情况

海曙区防洪排涝工程按本次推荐对策措施实施后，再次遭遇“烟花”台风降雨情况下，海曙平原最高涝水位可控制在2.6m以下，其中洞桥—黄古林一线台风期涝水位可降低0.8～1.75m，集士港台风期涝水位可降低0.36m，老城区水位降低0.28m，海曙平原排涝标准可由现状不足10年一遇提升至20年一遇。海曙平原工程实施前后水利计算成果见表1。