余姚市陶家路江二期整治工程水利计算分析

王娟 王灵敏

（上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434；浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002）

余姚市地处浙江省东部，距宁波市40km，距省会杭州市106km，为杭甬线重要交通枢纽和浙东水陆联运咽喉之一。由于余姚市地处沿海，遭受台风及热带风暴侵袭频繁，往往造成严重的洪涝灾害[1]。2013年“菲特”台风造成全市经济损失高达206亿元。

“菲特”台风过后，余姚市制定了《余姚市“五水共治”三年行动计划实施方案》[2]，2014年制定了《余姚市防洪排涝规划》[3]，该方案及规划针对姚江流域及甬江流域的特点，采用流域防洪排涝总体格局为“东泄、南蓄、北排、中疏、低围”。余姚将重点实施陶家路江等骨干北排河道的拓宽及水系沟通工程，打通北排河道的瓶颈，并增设新的北排口门及强排设施，使河道规模与出海闸功能相匹配，充分发挥临海大浦、陶家路江、洪家路江等三条主要北排通道的作用，进一步提升北排能力。北排工程实施后，将至少可承担70%左右的排水量。

陶家路江二期工程已被列为“五水共治”项目，且该项目已列入“2014年浙江省重点建设项目名单”，及余姚市水利发展“十二五”规划。

尽快实施陶家路江二期整治工程对缓解余姚市防洪排涝压力，完善区域防洪排涝体系、保障人民群众生命财产安全、保持经济可持续发展具有重要的现实意义。

1 工程概况

余姚市陶家路江二期整治工程南起泗门泵站北至陶家路江一期工程，整治河道总长5.238km。工程主要任务是防洪、排涝。工程防洪标准为20年一遇。城市及城镇排涝标准为20年一遇24小时暴雨24小时排出，农村排涝标准为20年一遇3天暴雨3天排出。工程主要内容为拓宽河道、新建堤防、护岸，新建排涝配套以及拆除重建跨河桥梁等[4]。

河道现状面宽约35m～40m，由于长期自然淤积，部分地段变窄，河道过流面积减少，排洪不畅。河道两岸有较密集的村庄民房和一些工厂企业，当地居民生活水平较高。为了增加陶家路江二期河道的行洪能力，需要将工程区河道拓宽浚深。由于泗门泵站下游引河及一期河道的底高程为-1.87m，考虑底高程衔接，二期工程河底高程也取为-1.87m。河道面宽的确定，直接决定了工程的征地、移民拆迁费用及工程总投资，因此在满足河道行洪、排涝的前提下，河道口宽不宜太宽。

实施陶家路江二期整治工程还必须使得河道规模与本工程上游的泗门泵站工程及本工程下游的陶家路外闸工程规模相匹配，才能使陶家路外闸、陶家路一期工程及泗门泵站工程发挥应有的效应，最终提高泗门地区涝水北走的能力，已整治过的陶家路江一期河道面宽为115.5m。

根据工程实际情况进行陶家路江二期整治工程的水利计算分析从而确定河道规模是工程设计的关键。有必要进行多方案比选。

2 计算比选方案

本工程方案比较是在《余姚市防洪排涝规划》提出的扩大北排布局方案的基础上提出的。《余姚市防洪排涝规划》推荐陶家路江二期整治工程河道扩宽至面宽80m～100m，河底高程-1.87m。其中陶家路江（泗门泵站至四塘横江段）规划河道面宽80m，陶家路江（四塘横江至陶家路老闸）规划河道面宽100m。

对陶家路江二期河道规模设置三个计算方案，即：

方案1：陶家路江二期（泗门泵站～四塘横江）河道面宽80m，陶家路江二期（四塘横江～陶家路江一期工程）河道面宽80m边坡均为1∶3到河底-1.87m。

方案2：陶家路江二期（泗门泵站～四塘横江）河道面宽80m，陶家路江二期（四塘横江～陶家路江一期工程）河道面宽100m边坡均为1∶3到河底-1.87m。

方案3：陶家路江二期（泗门泵站～四塘横江）河道面宽80m，陶家路江二期（四塘横江～陶家路江一期工程）河道面宽120m边坡均为1∶3到河底-1.87m。

3 水利计算

3.1 计算范围

本工程位于姚江流域，工程影响范围涉及整个甬江流域，因此，本次水利计算范围包括姚江流域、奉化江流域、甬江流域以及上虞、余姚北排钱塘江的区域，涉及上虞市余姚市、宁波市、奉化市。

3.2 计算方法

鉴于本工程是姚江流域防洪排涝工程体系的一个组成部分，规模不能够孤立进行计算确定，水利计算采用漫垸网河准二维与网河一维混合模型非恒定流计算程序，建立适合整个甬江流域平原的一维河网非恒定流数学模型，通过建立的河网模型进行计算。本数学模型曾在《余姚市防洪排涝规划（2014年）中用于规模计算，并已经典型洪水验证，参数率定，平原河网河道糙率取0.017～0.025，山区性河道取0.025～0.035。

计算原理采用圣维南明渠非恒定流偏微分方程组，用隐式差分法化为差分方程，再与边界条件及初始条件构成一大型非线性方程组，采用牛顿迭代及高斯列主元消去法求解，从而得出各计算断面的水位和流量过程。

计算过程中分别考虑现有水工程及规划水工程的工况，求出流域内不同工况下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，根据余姚市境内的地形、地势、河流走向，排涝挡潮闸以及拟建工程的要求，该计算模型考虑了沿江支流、碶闸、平原河网等工程对洪流演进的影响，逐时计算河网的洪水过程。

计算采用一维非稳定流方法，其基本方程圣维南偏微分方程组为：

（1）式为连续方程；（2）式为动力方程。

式中：B——水面宽，m；

z——水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁侧流量，m3/s；

v——断面平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

F——过水断面积，m2；

K——单位过水断面积的流量模数。

本数学模型考虑倒堤、漫滩、分洪及多种形式的闸、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。

本次河网概化涉及姚江流域、奉化江流域、甬江流域及上虞、余姚北排钱塘江的区域，总面积约4940km2。考虑可能兴建的规划工程，进行河网概化，把平原划分成963个河段，在上述河段中截取1750个断面，考虑了246个闸汊，410个河汊，244个概湖及87条集中入流。

3.3 计算条件

陶家路江是姚江洪水北排杭州湾的重要通道。甬江流域的计算分为两大分区，一是甬江东排计算分区，洪涝水全部或部分排入姚江、奉化江、甬江；二是北排分区，全部洪水全部直接排入外海。

各流量边界采用水文推出的各分块山区（有水库则为水库调洪后下泄过程）的逐时入流过程。概化中，圩区水面概化为湖泊，如果主干河水位高于圩区堤顶，则考虑破堤，主干河水量进入圩区；平时，圩区通过闸、泵、堰及河道和主干河交换水量。

沿海各闸排出口为潮水位边界，根据本地区历年实测暴雨和潮位资料遭遇情况分析结果和2013年“菲特”台风经验，设计洪水采用2013年10月6日～8日“菲特”台风和1962年14号台风遭遇为典型，对姚江流域设计暴雨及奉化江流域相应暴雨进行了洪水地区组成；潮型：采用2013年“菲特”台风期间实况潮位过程（相当于5年一遇潮位）。

4 计算成果

4.1 河道规模计算比较成果

对不同河道规模方案进行比较，考虑对降低余姚城区洪水位及增加北排水量等效益比较推荐河道规模。

陶家路江二期河道规模比选各方案20年一遇的洪水位成果如表1所示。

从表1中可以看出，考虑陶家路新闸规模为净宽56m，泵站规模为200m3/s；新开河外闸规模为净宽50m，泵站规模为100m3/s。为充分发挥陶家路新闸的防洪排涝效益，通过新开北排河、四塘横江疏浚、陶家路江二期河道整治工程等建设，当方案1陶家路江二期工程河道面宽均为80m～80m时，20年一遇三天排水量约为1.63亿m3；当方案2陶家路江二期工程河道面宽拓宽至80m～100m，20年一遇三天北排排水量较方案一增加517万m3，方案2（北排总水量/总排水量）比方案1约增加0.78%，20年一遇蜀山大闸东排三天排水量较方案1减少52万m3，泗门镇20年一遇洪水位降低0.02m，马渚镇所在西横河下20年一遇洪水位降低0.01m；当方案3陶家路江二期工程河道面宽进一步拓宽至80m～120m，20年一遇三天排水量较方案2增加245万 m3，方案 3（北排总水量/总排水量）比方案2仅增加0.39%，20年一遇蜀山大闸东排三天排水量较方案2减少36万m3，对泗门镇和马渚镇洪水位降低不明显。

表1 陶家路江二期河道规模比选各方案20年一遇洪水位比较表

表2 推荐方案各频率工程区最高洪水位计算表 单位：m

因此为了减少蜀山大闸东排水量，减少东排压力，尽可能增加北排效果，同时结合改善河网水环境以及工程经济性，考虑陶家路江泗门泵站规模为100 m3/s、新开河闸站泵站规模为200 m3/s，为满足规划强排泵站流量过水需求，推荐计算方案2：即陶家路江二期（泗门泵站～四塘横江）河道面宽80m，陶家路江二期（四塘横江～陶家路江一期工程）河道面宽100m，均为1∶3边坡到河底-1.87m，与陶家路江泗门泵站下游引河衔接、与陶家路江一期工程匹配。

4.2 河道规模推荐方案各频率计算成果（10%，5%，2%，1%）

经对推荐方案各频率计算，推荐方案各频率（10%、5%、2%、1%）工程区最高洪水位计算表见表2。

从表2中可以看出，在各频率（10%、5%、2%、1%）下，泗门泵站下游处最大流量均较小，陶家路江四塘横江交界处至陶家路老闸流量骤增，而且越到下游流量越大；随着频率的增加，防洪压力加大，各代表点的水位也呈增加的趋势，比如泗门水位在10%时为3.15m，5%时达到了 3.31m，2%时达到了3.56m，1%时达到了3.66m；陶家路老闸水位在 10%时为 3.14m，5%时达到了 3.32m，2%时达到了3.47m，1%时达到了3.62m。

本工程防洪标准为20年一遇（P=5%），泗门泵站下游处最高水位3.53m，最大流量为100 m3/s，陶家路江四塘横江交界处最高水位为3.36m，最大流量为336m3/s，陶家路江七塘横江交界处最高水位为3.32m，流量为391 m3/s，陶家路老闸处水位为3.32m，流量为394 m3/s。也就是说泗门泵站下游引河至四塘横江段（长0.927km）河宽较四塘横江至陶家路江一期河道（长4.311km）河宽略窄是恰当的。

根据河网计算成果，陶家路新闸关闭，泗门泵站、陶家路新闸泵站开启时，陶家路江（泗门泵站下游引河至陶家路江一期河道）20年一遇设计高水位为3.53m～3.32m。陶家路江二期整治工程主要设计水位成果（P=5%）见图1。根据陶家路江平时运行功能和两岸排涝要求，确定本工程河段正常水位为2.70m。

5 结论

图1 陶家路江二期整治工程主要设计水位成果（P=5%）

（1）陶家路江二期整治工程河道泗门泵站下游引河至四塘横江段河道面宽推荐为80m，四塘横江至陶家路江一期河道面宽推荐为100m，河底高程-1.87m。该方案能更好的降低余姚城区洪水位及增加北排水量更好满足规划强排泵站流量过水需求，能改善河网水环境以及工程经济性，并与泗门泵站及陶家路江一期河道规模衔接，亦满足《余姚市防洪排涝规划》的要求。

（2）经河网计算，陶家路江二期整治工程（泗门泵站至陶家路江一期河道）20年一遇设计高水位为3.53m～3.32m，正常水位为2.70m。

（3）抓紧实施陶家路江二期整治工程是十分必要的，对提升余姚市防洪排涝能力维护余姚市安全、维持社会稳定、余姚市经济保持可持续发展、安定民心将具有重要的现实意义。陕西水利