卢晓燕,王灵敏,黄 昉
(浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002)
浙江省位于我国东南沿海,太平洋西岸的亚热带季风区,是一个洪涝台灾害易发多发的地区,梅雨洪水、台风雨和局部地区的短历时强降雨,常导致城市发生暴雨洪灾和内涝.近年来,全球气候变暖,极端性天气与气候事件频繁发生,加上城市化进程快速推进,城市规模急剧扩大,城市群造成的“热岛效应”以及对城市空间的不合理开发,一定程度上加剧了城市的洪涝灾害,目前浙江省城市洪涝灾害呈现频次高、强度大的趋势[1-2].
浙江省余姚市的治水史可追溯至7 000年前的河姆渡文化时期.河姆渡文化遗址出土的人工栽培稻谷、骨耜、水井,证明那时已有农田水利的萌芽.到唐始建水闸,宋筑冷水堰,宋至元兴筑海塘,及至明清围垦海涂,水利建设已初具规模.建国后,水利建设揭开了新的篇章,余姚已基本形成姚江东排与奉化江合流至甬江的排水体系.20世纪90年代编制的《姚江流域综合规划》提出姚江两岸堤防工程,现已基本建成,与上游水库、水闸等形成余姚城市防洪体系.
姚江洪水目前以东排甬江为主.近几年,随着奉化江、甬江两岸堤防的建成,两江洪水归槽致使洪水位抬高,对姚江东排能力产生一定的影响,有必要研究姚江的防洪对策.
余姚城区位于姚江干流两岸.姚江又名余姚江、舜江,源出四明山夏家岭,流经梁弄、余姚、丈亭,在宁波三江口与奉化江汇合后称甬江,全长107 km.姚江流域内山区性河流主要集中在姚江干流四明湖水库坝址以上、干流以南各支流,另有一部分矮山分布于姚江干流余姚下游的北岸,多条小河流散布其间,进入平原河网后汇入姚江干流.姚江原为潮汐河,咸潮可上溯至通明,1959年7月,姚江大闸建成后成为平原河道.
奉化江的主源为剡江,发源于奉化、余姚、嵊州三市交界的大湾岗东坡董家彦,主要支流有东江、县江、鄞江.奉化江上游坡陡流急,为山区性河道,剡江自奉化市萧王庙镇以下、鄞江自鄞州区鄞江镇以下、县江自奉化市城区以下、东江自奉化市高楼张以下为平原河道,坡降平缓,形成了鄞奉、鄞西河网区.
姚江、奉化江在宁波市区三江口会合后始称甬江,向东北流经镇海,在外游山东侧入海,入海口距宁波三江口26 km.甬江流域水系见图1.
图1 流域水系图
姚江古河道,据水文地质资料分析,其沉积物形成并发育于第四纪中更新世晚期及晚更新世早期(距今约30万 a~10万a),主流线在周行——长河——庵东一线,并向东北进入现今的钱塘江.其后至全新世中期,距今约6 000年前后,在慈北沿海一带,由于钱塘江河口堆积速率高于内地,致使地势高出内地,原姚江向北入海口淤塞,迫使姚江水流转向东行,逐渐形成现今的姚江,并在宁波市区三江口与奉化江汇合后形成甬江河段[3].
现在的姚江属平原型河道,河床平坦,从新江口至姚江大闸闸段长 79.1 km,水面比降小于0.01‰,河宽50~150 m,最宽处250 m.姚江大闸至三江口长3.3 km,平均河宽208 m.
余姚城区位于姚江干流两岸,该段排水方向为东排经姚江大闸至甬江后入海,同时承接南、北岸支流汇水.余姚西北部临山以北823 km2面积主要通过临海浦闸和陶家路闸向钱塘江排水,属钱塘江水系[4].
水力计算采用一维非恒定流模型,其基本方程为圣维南方程组:
(1)式为连续方程;(2)式为动力方程.式中:B—水面宽;Z—水位;Q—流量;
q—旁侧流量;V—断面平均流速;
g—重力加速度;
F—过水断面积;
K—单位过水断面积的流量模数.
数学模型中考虑倒堤、漫滩、分洪及多种型式的闸、泵、堰、坝、阻水桥梁等各种水利条件因素,能适用于河道洪流演进的定量分析计算.
定解条件包括地形条件、边界条件和初始条件.地形条件指河床地形,采用2007年实测河道资料;边界条件包括河道上、下边界,上边界采用洪水流量过程(有水库则为水库调洪后下泄过程),下边界采用各闸下潮水位过程;初始条件包括河道初始水位和流量,采用恒定流推求水面线确定初值.
姚江原为潮汐河流,姚江大闸建成后,排洪能力受姚江大闸闸下水位高低的影响.而姚江大闸闸下水位过程一方面受甬江口上溯的潮水顶托影响,一方面又受奉化江洪水顶托影响.
随着宁波城市经济快速的发展,城市化的扩大,为保护奉化江、甬江两岸鄞东南平原、鄞西平原、江北平原的防洪安全,奉化江、甬江正按相关流域防洪规划实施堤防工程.为分析奉化江、甬江建堤,洪水归槽对姚江排洪能力的影响,利用数学模型分析比较两种工况下的洪水位.
方案1:现状工况,甬江、奉化江两岸堤防未建成,洪水超堤防高程会造成洪水进行两岸平原.
方案2:甬江、奉化江两岸全线建成堤防,洪水归槽.
两方案对姚江的水位影响分析见表1.
经水文分析、明渠非恒定流水力学计算,甬江、奉化江堤防全线建成后,洪水归槽,造成江内洪水位抬高,致使姚江大闸的闸下水位抬高、大闸下泄能力减弱,对姚江干流水位影响较大,其中丈亭水位抬高0.21 m,余姚城区水位抬高0.15 m.
表1 奉化江、甬江建堤对姚江水位影响分析(20年一遇) 单位:m
奉化江、甬江建堤致使洪水归槽,洪水位抬高影响姚江东排能力.如果再考虑余姚城区扩大,下垫面条件改变,不透水地面面积增大,则姚江干流及两岸平原内水位势必会进一步抬升.为解决姚江防洪问题,必须为姚江寻找一个合适的洪水出路.
根据水系条件,及1998年编制完成的《甬江流域综合规划》,目前姚江以东排为主,规划提出东泄工程姚江二闸,此次也作为首选方案予以考虑.
治水实践表明,对于不同特性的江河流域,治水的措施要有明显的不同;即使同一条河流或同一个区域,在经济社会发展的不同阶段,治水的目标、要求、投入能力与管理水平也处于动态的变化之中[5].根据目前的流域特性、排水路径及边界条件等,姚北平原北排出口钱塘江水位低、距离近,可考虑通过疏通姚江北岸平原骨干河道向北排洪能力、扩建北排闸门,增大北排钱塘江能力.
据上所述,拟定三个方案进行比选:
方案2-1,兴建姚江二闸,净宽60 m,扩大东排甬江能力.
方案2-2,兴建姚江二闸,净宽100 m,考虑进一步扩大东排甬江能力;
方案2-3,兴建姚江二闸,净宽60 m,扩大东排甬江能力,同时在北排口门现状44 m宽度基础上,增加60 m,配套北排河道,扩大北排钱塘江能力.
各方案计算成果见表2,余姚代表点各方案水位见图2.从上述计算成果可以看出:
方案2-1兴建姚江二闸对降低姚江水位是有利的,能够降低姚江干流沿线洪水位,但相对作用越向上游越小,丈亭20年一遇水位降低0.09 m,余姚城区20年一遇水位降低0.06 m;
方案2-2继续扩大姚江二闸的规模至100 m对东排效果并不明显,几乎与60 m的闸门规模作用相同,说明通过继续扩大东排闸门规模无法取得更大的排洪作用,需别寻其它出路.
方案2-3,在方案2-1基础上,增加北排口门60 m,配套北排河道,由于北排工程充分利用了闸下钱塘江低潮位段泄洪,而且北排距离明显短于东排距离的优势,对降低余姚城区涝水位作用明显.方案2-3可以在方案2-1基础上继续降低余姚城区20年一遇水位0.10 m,降低丈亭20年一遇水位0.17 m.
表2 姚江扩大东排、北排方案分析(20年一遇) 单位:m
图2 余姚代表点各方案水位
(1)经长时间历史的形成,姚江干流北岸平原地形为北高南低,即钱塘江一侧高、姚江一侧低,迫使姚北平原涝水向南排姚江后,继而向东行以东排甬江为主.
(2)由于奉化江、甬江建堤使洪水归槽,抬高了姚江大闸闸下水位,降低了姚江东排能力,致使余姚城区20年一遇洪水位抬高0.15 m.
(3)兴建姚江二闸可降低余姚城区20年一遇洪水位0.06 m,但继续扩大姚江二闸规模无法取得更大的排洪效果.
(4)为了适应东排能力受限的影响,兴建北排工程——增加北排口门60 m及配套北排河道,由于北排工程充分利用了闸下钱塘江低潮位段泄洪,而且北排距离明显短于东排距离的优势,对降低余姚城区涝水位作用明显.
(5)本文推荐的方案是在扩大东排的同时,增大平原北排钱塘江能力,该措施变被动地受姚江大闸闸下水位影响,为主动地扩大北排能力,为姚江防洪能力的提高提出了合理可行的治理对策.
[1]虞洁夫.2009年浙江省洪涝台灾害特点与防御工作思考[J].中国防汛抗旱,2009(6):6-8.
[2]李月明,郑雄伟.浙江省城市防洪排涝问题与对策[J].水利规划与设计,2012(3):1-3.
[3]《甬江志》编纂委员会.甬江志[M].北京:中华书局,2000.
[4]浙江省水利厅.浙江省河流简明手册[M].西安:西安地图出版社,1999.
[5]程晓陶.解读治水历史把握发展趋向[J].中国防汛抗旱,2007(2):8-15.