基于Mike11的舟山市岱东小流域排涝方案优化研究

庄丽金，崔婷婷

(1.浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310016；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

舟山群岛位于中国长江口南侧、杭州湾外缘的太平洋海域，是我国第一大群岛，海洋资源丰富，但海岛地区与大陆分离，除舟山本岛外，其余多为面积较小的岛屿，加之岛屿本身地形的影响，岛内河流多为独流入海，水系结构相对简单，梅雨、台风雨造成短历时强降雨，易形成河道水位陡涨陡落，同时也易受潮位顶托形成涝水难排，进而导致区域内涝频发[1- 4]。随着近年来国家对海洋经济的不断强化，临港产业快速集聚，城市化进程推进，岛内区域开发建设显著改变了岛内水系结构，导致河湖水系调蓄容积锐减、行洪能力减弱，从而加重了岛内洪涝灾害形势[5- 6]。

本文针对岱山岛东部平原智慧生态港城(双峰新城)[7]区域，该项目建设区域现状为盐田，地面高程多在1m以下，可用于涝水调蓄，新城建成后，地面高程将抬高到3m以上，对区域原有的洪涝调蓄格局影响显著，暴雨洪涝风险增大[8]，因此需要研究城市开发建设过程中如何科学规划区域水域面积、闸站建设规模及闸站调度规则，使其能够在满足区域开发的基础上同时保障区域排涝要求，以期为海岛地区开发建设与区域防洪排涝相协调提供借鉴和参考。

1 研究区概况

舟山市是我国第一个以岛立市的城市，城市河流具有典型的海岛流域特征，流量小，受暴雨影响明显，独流入海等特点。岱山岛是舟山群岛第二大岛，研究区岱东小流域位于岱山岛东部，岱东小流域现状水系图如图1所示，岱东小流域集雨面积20km2，流域三面环山，地势西、北高东低，西北部为山区，东部为平原地区，主要以盐田和养殖塘为主。岱东小流域现状有出海口门共3座，北峰大闸(5m×2.8m)、北峰中闸(2m×2.8m)、北峰南闸(2m×2.8m)，无强排泵站。

双峰新城规划实施后岱东小流域水系如图2所示，双峰新城规划在现有水系基础上新开挖岱东横河、双峰西河、北峰河、板井潭河、中央河、南峰河、黄官泥岙河，并在岱东横河增加了一处出海口门，为保证海堤闭合性，该出口处新建南峰闸(3m×3m)，建成后总闸宽34.2m，最终双峰城将形成“五横三纵”的骨干河网格局。如图1—2所示。

图1 岱东小流域水系图

图2 双峰新城规划水系图

2 计算方法与方案

2.1 计算方法

双峰新城水流条件较为复杂，且排水受潮位顶托影响，需要构建水力学模型全面、真实地模拟洪水演进过程。本次采用丹麦DHI研发的MIKE11软件水动力模块(HD)建立研究区水动力模型。模型计算原理如下：

模型采用为Saint-Venant方程组为控制方程，用Abbott六点隐式差分格式求解Saint-Venant方程。

(1)

(2)

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—过水断面面积；K—单位过水断面面积的流量模数。

2.2 排涝标准

根据《舟山市群岛新区治涝规划》，双峰新城的治涝标准确定为20年一遇。

2.3 模型概化

模型概化内容包括现状河道、规划建设河道、闸泵等水利工程，模型概化结果如图3所示。

图3 一维模型概化图

2.4 边界条件

模型计算的上边界条件为双峰新城以上山区20年一遇设计洪水，双峰新城区间入流采用岱东小流域20年一遇设计暴雨作为模型输入条件。

下边界条件为潮位过程，潮型选择以影响该区域排涝的多年平均潮汐要素为控制，且要略高于该区域平均值的设计潮型。经分析，选用2005年9月3—6日潮位过程作为平均偏不利设计潮型。为更好的进行分析，根据岱东小流域产汇流及潮汐特征，洪潮遭遇采用错峰3～4h的组合。

2.5 计算方案

双峰新城规划中仅对河道平面进行了布置，河道水面率则根据DB 33/T614—2016《浙江省河道建设规范》和GB 50513—2009《城市水系规划规范》(2016年版)要求确定，“新建开发区(工业园区)或城市新区进行规划建设时，应先行或同步进行河道布局。没有圩区的河网地区规划控制水面率应达到8%以上”，因此双峰新城水域面积应保证水面率控制在8%以上。由于海岛流域的特点，内部洪涝水只有在低潮、平潮期才能自排，如遭遇外海潮位高涨，水闸的自排能力受制约，造成排涝可靠性不高、排水量不足，闸站建设是保障区域防洪排涝安全的需要。基于上述考虑，设置5种计算方案进行分析，各计算方案见表1。

表1 计算方案

3 结果分析

3.1 不同水域面积对流域排涝的影响

方案一水面率为8%，方案二在方案一的基础

上加大水域面积，水面率增大到10%。以北峰大闸闸前断面为代表断面，对比图4中方案一和方案二北峰大闸的闸前设计水位过程线，方案一最高设计洪水位为2.45m，24h达到最高水位，方案二闸前最高水位为2.29m，25h达到最高水位。由此可知，水域面积加大可明显降低河道水位，且可延迟峰现时间。

图4 方案一、二水位过程线图

3.2 强排泵站对流域排涝的影响

结合现场条件，方案三在方案一的基础上在北峰大闸处新增10m3/s泵站，对比图5中方案一和方案三北峰大闸的闸前设计水位过程线，方案一设计洪水位为2.45m，方案三新增强排泵站后，闸前最高水位降低为2.36m，水位整体有一定的降低，方案三水位随时间变化过程与方案一基本一致。泵站在高潮位时可增大排涝流量，泵站规模增大对排涝的效果主要表现在高水位时可明显降低河道水位。

图5 方案一、三水位过程线图

3.3 闸站调度对流域排涝的影响

洪水前，如果闸前底水位过高，将人为抬高洪峰水位，加大排涝压力，根据气象预报、流域防洪排涝需求和潮水涨落规律，在降雨前实施闸上河道槽蓄水量预泄，可降低河道和相关区域水位[9]，加大河道有效调蓄容积。

为分析闸站调度规则对区域排涝的影响，对比图6中方案一、四、五北峰大闸的闸前设计水位过程线。方案四在方案一的基础上，设置预泄河道水位至0.5m，且闸前水位高于0.5m时起排，闸前设计水位由2.45m降低至2.42m，影响较小；方案五在方案四的基础上增设强排泵站，且预泄河道水位至0.5m，闸前水位高于0.5m时起排，闸前设计水位由2.45m降低至2.32m，最高水位降低较为明显。水闸提前预泄及降低起排水位，在仅水闸排水情况下对水位影响较小；有泵站情况下，预泄腾空的河道库容可作为泵站调蓄容积，且起排水位降低增加了泵站运行时间，水位变化相对明显。

图6 方案一、四、五水位过程线图

3.4 结果分析

各方案北峰大闸闸前设计水位见表2，水域面积扩大、闸站规模加大、闸站起排水位降低均可有效降低河道的水位，水域面积增加的效果优于泵站建设，闸站起排水位降低结合泵站建设可达到更优效果。结合规划区域实际情况及可操作性，推荐规划采用方案五。

表2 计算结果 单位：m

4 结语

模型不同方案计算结果表明，水域面积、强排泵站、闸站调度规则均均影响区域设计涝水位，其中水域面积相关性最为明显，新城建设中应保证最低水面率以控制内涝风险。海岛地区由于受高潮位顶托影响，水闸自排能力有限，泵站建设可增加高潮位排水流量，降低最高排涝水位；降低闸站起排水位，预泄水量，腾空河道库容作为泵站调蓄库容，可加大泵站的作用，提高区域排涝能力。由于河道低水位会影响河道景观效果，闸站调度应结合水雨情预报、闸站规模等因素确定，应兼顾与景观的衔接。