西险大塘200年一遇防洪标准水位研究

李 博，刘 翔

(1.杭州市余杭区水利工程建设总站，浙江 余杭 311100；2.杭州市余杭区林业水利局，浙江 余杭 311100)

1 研究背景和必要性

西险大塘是东苕溪流域防洪体系的重要组成部分，也是直接保护杭州市主城区及杭嘉湖东部平原的重要屏障，位于东苕溪右岸，自余杭南湖分洪进水闸石门桥起，经余杭、瓶窑、安溪、獐山至德清大闸，全长约44.58 km(余杭段38.73 km，德清段5.85 km)。西险大塘现状防御东苕溪洪水的设计标准为100年一遇，堤防等级为2级，与流域内大中型防洪水库、滞洪区、分洪闸等防洪水利工程联合调度、共同作用，确保流域防洪安全。

西险大塘始筑于东汉、建成于宋朝，屡毁屡建，故筑堤材料多样，结构复杂，隐患众多[1]。曾经出现过的最高洪水位与保护区地面高差超过5 m，一旦失守，危害巨大。特别是随着杭州市城市发展，重心西移，区域内布局有城西科创大走廊、未来科技城、云城、之江实验室等重要保护对象，经济要素高度集聚，杭州市城市防洪标准根据《防洪标准》(GB 50201—2014)的要求应达到200年一遇或以上[2]，西险大塘防洪标准提高至200年一遇，实施提标加固的紧迫性、必要性更加凸显。加上近年东苕溪中上游滞洪区布局及调控方式调整，里畈水库加高扩容，青山水库防洪能力提升等工程措施计划实施，东苕溪防洪格局发生变化，因此有必要对西险大塘防洪水位(200年一遇标准)开展研究。

2 现状防洪格局

2.1 水文情况

东苕溪发源于天目山南麓，全长165 km，流域面积2 267 km2[3]，属于太湖流域，位于杭嘉湖平原西部，由南苕溪、中苕溪、北苕溪汇合而成，中上游为山区性河流，余杭以下为平原河道，流经瓶窑至德清，向北流入太湖[4]。流域内现有降水量观测站共52个，水位、水文站共23个，流域4—10月为汛期，汛期雨量占年降水量的75%，多年平均降雨量1 400～1 600 mm，流域暴雨中心次数所占的比重一般为东苕溪占60%，西苕溪占40%，瓶窑站多年平均降雨量1 374 mm，实测年最大降雨量1 953.4 mm(1954年)，多年平均年径流量1.063×109m3，实测最大年径流量2.076×109m3(1954年)，实测最小年径流量4.23×108m3(1978年)，多年平均流量33.2 m3/s，最大洪峰流量795 m3/s(1984年6月14日)，最小流量20.0 m3/s(2020年7月20日)[4]。流域面暴雨统计采用同场雨法，样本取用年最大1 d雨量和年最大3 d雨量，选择资料时间跨度为1953—2018年，分析选择30个降水量站，以泰森多边形法计算流域面雨量，年最大1,3 d暴雨相关系数分别为0.9和0.92。洪水边界苕溪洪水与东部平原、长兴平原高水位之间存在着不同程度的密切关系。

2.2 现状流域防洪体系

东苕溪流域遵循“上蓄、中滞、下泄”治理原则，流域防洪工程由防洪水库、分滞洪区、分洪闸、干支流河道、西险大塘、导流东大堤、环湖大堤、入湖溇港等组成。流域上游有6座大中型水库，防洪总库容2.4×108m3，主要为里畈、青山、水涛庄、四岭、对河口、老虎潭[5]；流域中游有7个滞洪区，总库容2.9 ×108m3，自上而下为南湖、北湖两个滞洪区以及七里、永建、潘板、张堰、澄清5个非常滞洪区[5]；东苕溪右岸堤防防洪标准为100年一遇，主要为西险大塘和导流东大堤，左岸堤防防洪标准为10～20年一遇，导流东大堤右岸已建4座分洪闸用于东泄分洪控制导流入湖，自上而下依次为德清、洛舍、鲇鱼口、菁山分洪闸。

东苕溪流域防洪调控标准为：当流域遭遇的洪水为5年一遇时，北湖分洪闸开闸，北湖滞洪区滞洪；遭遇10年一遇洪水时，南湖分洪闸开闸，南湖滞洪区滞洪；遭遇20年一遇及以上洪水时，非常滞洪区七里、永建、潘板、张堰、澄清根据西险大塘运行情况和洪水情势适时分级启用紧急分洪[5]。

2.3 规划防洪体系

根据《东苕溪中上游滞洪区调整专项规划》，拟近期先行实施滞洪区调整工程，包括永建滞洪区连通工程、永建滞洪区分区隔堤工程、新建新陡门分洪闸工程3项工程措施。2020年汛期前永建滞洪区连通工程已完工；2022年3月新建新陡门分洪闸工程已进场施工，计划2023年完工；永建滞洪区分区隔堤工程正在进行前期工作，计划2023年完工。

依据《杭嘉湖区域水利综合规划》《东苕溪中上游滞洪区调整专项规划》《杭州城西科创大走廊水利综合规划》等规划成果，对里畈水库实施加高扩容，将防洪库容增至约2.8×107m3，进一步增加东苕溪流域上蓄能力，提高区域防洪能力，目前该项目正在开展前期工作。里畈水库是一座以防洪为主，结合供水、灌溉、发电等综合功能的中型水库，坝高72 m，水库总库容2.094×107m3。依据《东苕溪中上游滞洪区调整专项规划》，对青山水库实施防洪能力提升工程，使水库在汛限水位23.16 m时具备500 m3/s的泄洪能力，目前正在施工。

3 水利计算方法

3.1 研究的对象及范围

研究对象为西险大塘，自南湖分洪闸起至德清大闸止，全长44.6 km，主要研究范围为东苕溪德清以上区域，集水面积约1 588 km2。根据水文水利计算需要，分析范围拓展至苕溪流域，并兼顾杭嘉湖东部平原。

3.2 计算原理

本次计算范围属山区和平原交互的流域，河道四通八达，内河中的水位与流量随流域降雨径流的变化而变化，为了能客观反映河网水系与工程设施相互连接的防洪体系，并全面、真实地模拟洪水演进变化过程，采用河网非恒定流方法进行流域防洪水利计算。工程区域采用MIKE11软件建立河网水动力模型。

MIKE11水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。

一维水动力模型的控制方程组(Saint-Venant方程组)为

(1)

(2)

式中：B为水面宽，m；z为水位，m；t为时间，s;Q为流量，m3/s；s代表距水道某固定断面沿流程的距离，m;q为单位河长旁侧流量，m2/s；v为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；F为过水断面面积，m2；K为单位过水断面面积的流量模数，m/s。

3.3 河网概化

采用MIKE11软件建立河网水动力模型，共选取31条主要河道作为概化河网，其中东苕溪流域选取干流(青山水库坝址以下)，支流中苕溪(长乐以下)、北苕溪(潘板以下)、澄清港(李王堂以下)、余英溪(八都以下)、阜溪(山东弄以下，含横港)、埭溪(埭溪镇以下)，与东部平原衔接河道余杭塘河、崇化港、獐山港、老龙溪、长洛河、鲇鱼口闸下河、菁山闸下河、吴沈门闸下河、頔塘；西苕溪选取了干流(长潭以下)，支流浒溪(范潭以下)、递溪(芝里以下)、西港溪(新港口以下)、晓墅港,以及与长兴平原衔接河道泥桥港、杨家浦港、泗安塘、吕山港；尾闾河道选取了旄儿港、龙溪港、环城河、机坊港、小梅港、长兜港。共计概化计算断面1 172个，基本采用2013—2017年的实测断面成果，部分支流无实测资料，由水域调查数据、规划调查数据补充替代。水利计算概化图详见图1。

图1 苕溪流域水利计算模型概化图

3.4 边界条件

模型上边界概化了9个流量边界，青山水库、长乐、潘板、彭公、八都、埭溪、长潭、浒溪、芝里，下边界概化了15个水位边界，余杭闸、化湾闸、上牵埠闸、德清大闸、洛舍闸、鲇鱼口闸、菁山闸、吴沈门闸、湖州船闸、小溪口闸、胥仓桥闸、塘口、吕山、长兜港口、小梅口。同时，概化了29个独立小流域洪水入流，东苕溪包括江家湾、老虎山、汪家埠、丁桥、石门桥、坑门、照山、环桥头上柏、莫梁山、阜溪、东山、小羊山、菁山河、青水河、吴沈门15个，西苕溪包括塘浦、大溪、石马溪、铜山港、江渚渡、紫溪、马家渡、西港溪、定胜河、浑泥港、昆铜港、青山港、和平港、潘店港14个。

流域上游已建防洪控制水库的，调洪演算采用已批准的水库调度原则进行，流量边界采用水库下泄过程进行计算；未建水库的计算流量边界以水文分析设计洪水过程线进行计算[6]。流域下游水位边界与已批复的《杭嘉湖区域水利综合规划》成果一致。

3.5 下 垫 面

苕溪沿线均建有圩区，模型中以概湖形式加以概化，其概化的范围、排涝规模、闸站位置、调蓄容积曲线、启用条件等均按照现状圩区的实际情况设定。圩区内部的不同地类组成、地面高程值等参数，以最新实测地形图进行分析测算。

3.6 模型的建立

1) 上边界均采用流量边界，涉及骨干防洪水库的经水库调洪计算后与区间天然洪水叠加作为上边界；下边界均采用水位边界，成果与流域规划保持一致。

2) 控制性分洪闸(导流六闸、胥仓桥闸等)根据最新批复的控制运用计划进行模型参数设定，包括启用水位、控制断面、分洪规模、停用水位等。

3) 蓄滞洪区以概湖形式加以概化，设有相应的调蓄库容和口门建筑物。依据批复实施的流域洪水调度方案和相关设计文件，设定蓄滞洪区的建筑物规模，分滞洪控制条件等。

4) 苕溪沿线圩区以概湖形式加以概化，设有相应的调蓄库容和口门建筑物[7]。依据新一轮杭嘉湖地区防洪能力调查成果，分析圩区下垫面情况，设定排涝闸泵的建筑物规模、启停排水位等参数。

5) 根据干流沿线实测断面的堤顶高程数据统计分析，合理设置漫堤堤段和易溃口堤段。

3.7 模型的验证

验证洪水分别采用2013年发生的“菲特”台风[8]和2019年发生的“0713”梅雨，并考虑验证年份实际工况(包括分洪闸、蓄滞洪区运用等重要水利工程调度，干流沿线漫堤、管涌等重大险情)及下垫面条件。验证结果如表1和表2所示。

表1 东苕溪流域洪水验证计算水位成果表(2013年“菲特”台风)

表2 东苕溪流域洪水验证计算成果表(2019年“0713”梅雨)

从表1,表2得出，模拟计算最高值与实测值基本吻合(误差控制在0.06 m以下)，水利计算模型概化及拟定的参数相对合理，可用于防洪水利计算。

4 防洪水位研究

以西险大塘现状防洪格局为基础，计算得出现状主要水文站点汪家埠、余杭站、铁路桥、瓶窑站、德清大闸的水位值，再采用单因子法分析东苕溪中上游滞洪区、里畈水库与青山水库调整后与现状水位值的差，从而得出各规划新建工程对西险大塘防洪目标水位的影响。在此基础上，分析近期新建项目(组合规划工况)发挥防洪效益后西险大塘防洪水位目标值，为西险大塘达标加固工程提供数据支撑。

4.1 现状防洪格局水位分析

以现状防洪体系为基础，依据现有骨干防洪工程洪水调度原则及方式，利用建立的水利计算模型，计算得出现状工况下东苕溪各频率洪水位成果，详见表3。

表3 东苕溪现状工况各频率水位成果表

4.2 采用单因子法分析各项规划工程措施对水位的影响

4.2.1 东苕溪中上游滞洪区调整后的水利计算

东苕溪中上游滞洪区调整工程含永建滞洪区连通、永建滞洪区分区隔堤、新陡门分洪闸3个子项，其调整前后水利计算成果见表4。

表4 东苕溪中上游滞洪区调整前后水利计算成果表

从计算结果看，与现状工况相比，在流域遭遇200年一遇洪水时，余杭站和铁路桥水位分别降低了0.19 m,0.55 m，瓶窑站以下水位基本无变化。

4.2.2 里畈水库与青山水库调整后水利计算

以东苕溪中上游滞洪区调整工程为基准工况，里畈水库与青山水库工程对西险大塘水位影响的水利计算分析如表5。从水利计算成果看，东苕溪流域遭遇200年一遇洪水时，里畈水库扩容对余杭站以上河段最高洪水位降低有一定效果，汪家埠水位最大降低2.09 m，余杭站水位最大降低0.15 m，瓶窑站水位则无变化。青山水库前期下泄能力增加，对降低干流洪水位的效果并不显著，汪家埠水位最大降低0.05 m，余杭站水位最大降低0.03 m，瓶窑站水位则无变化。

表5 规划的水利工程措施水利计算成果表

4.3 组合规划工程措施工况对水位的影响分析

在东苕溪中上游滞洪区调整工程、里畈水库加高扩容工程与青山水库防洪能力提升全部发挥防洪效益工况下，考虑西险大塘200年一遇防洪水位的安全性和代表性，分析采用1963年型(台风)、1984年型(梅雨)、1999年型(梅雨)、2013年型(台风)四套流域典型洪水设计成果进行相应计算分析，并取最高洪水位外包值作为西险大塘防洪目标水位(200年一遇标准)。水利计算成果、水量平衡分析成果详见表6～表7及图2。

表6 西险大塘主要控制断面防洪目标水位 单位：m

表7 水量计算成果值

图2 青山水库洪水调度过程(0.5%)

根据最高洪水位计算成果分析可知，里畈水库加高扩容及青山水库防洪能力提升等工程措施为青山水库洪水调度优化创造了有利条件，而青山水库的洪水调度很大程度上决定了西险大塘防洪目标水位的确定。新的防洪格局下西险大塘重要控制站点余杭站(桩号2.7k)及瓶窑站(桩号19.4k)的防洪目标水位(200年一遇)为9.95 m,8.92 m，分别较现状百年一遇设计水位抬高约0.16 m,0.64 m。

5 结 论

通过单因子计算分析得出：在流域设计洪水条件下，调整优化东苕溪中上游滞洪区布局及调控方式，加高扩容里畈水库，提升青山水库防洪能力等工程措施，在流域遭遇200年一遇洪水时，西险大塘水位均得到有效地降低;在规划工程全部发挥防洪效益的工况下，余杭站、瓶窑站200年一遇水位分别为9.95 m,8.92 m，为东苕溪防洪后续西险大塘达标加固工程提供数据支撑。