杭州江北主城区排涝格局优化研究

(浙江省杭州市水利发展规划研究中心， 杭州 310014)

1 研究背景

杭州江北主城区位于杭嘉湖东部平原上游，西至东苕溪西险大塘、南至西南山区分水岭和钱塘江北岸海塘、东面和北面至市界，总面积约为1 040 km2(图1)。区域上承西部山水，下受湖州、嘉兴平原水位顶托影响，防洪排涝形势严峻。自2007年以来，该区域先后遭遇“罗莎”台风和“菲特”台风等引起的多次暴雨洪水，经济损失严重，社会反响较大。作为浙江省政府和杭州市政府所在地的江北城区，2017年常住人口438万人，地区生产总值5 747亿元，人均13.1万元。区域一旦受淹将带来极大的经济损失。经国务院批复的《杭州市城市总体规划(2001—2020年)》提出：主城防洪标准达200 a一遇，主城治涝标准应不低于50 a一遇。杭州江北主城区现状防洪排涝能力离城市总体规划的要求还有较大差距[1-2]。故很有必要开展杭州江北主城区排涝格局优化研究，确定规划防洪排涝工程布局及规模。

图1 杭州市江北城区范围

2 排涝能力及涝灾成因分析

2.1 排涝格局

根据地形条件，杭州江北城区形成西湖、运南老城区片、下沙片、上塘河片、运河片5个水级。其中西湖流域27 km2的涝水，经西湖调蓄后，通过古新河排入运河水系；运南老城区片约43 km2的涝水，一部分通过新塘河临时泵站、白塔泵站等排入钱塘江，余下部分通过东河滚水坝、贴沙河闸排入运河水系；下沙片约95 km2为涝水自排区，涝水经四格排灌站、下沙排涝闸站等沿江闸站排入钱塘江；上塘河片约155 km2的涝水，部分经七堡闸站、谈家埭闸和上塘河闸排入钱塘江，余下部分则经上塘河北岸节制闸排入运河水系；运河水系涝水部分北排入太湖，余下部分经三堡泵站南排入钱塘江。总的排水格局为北排运河水系、南排钱塘江[2]。

2.2 总体防御能力

采用建立的杭嘉湖东部平原防洪水利计算模型，就杭嘉湖水利综合规划工况下东部平原遭遇5、10、20、50、 100 a一遇暴雨洪水条件进行河网水利计算，结合区内地面高程[3-6]，分析杭州江北城区总体抵御东部平原洪水能力。以位于江北城区中部的拱宸桥站水位作为判断条件。洪水影响分析成果见表1。

表1 洪水影响分析成果

超额水量主要受规划水位与现状水位差控制，故5 a一遇最大、50 a一遇最小。尽管100 a一遇与50 a一遇超额洪水量差400 万m3/d，但本次考虑采用50 a一遇排涝标准，主要原因是一方面运河堤防防洪标准50 a一遇，周边区块及道路高程均按50 a一遇水位控制，目前运西、运东地区城市主干道路最低高程为3.9～4.0 m，若按100 a一遇排涝标准水位3.92 m控制，将受城市建成区地坪高程制约，实施难度极大；另一方面市政排涝体系中雨水管入河道高程与100 a一遇排涝水位亦不匹配，河道控制水位的提高不利于城市洪涝水的汇合。

将各频率计算水位值加超高后与地面高程比较得出：①运南老城区地面高程为6.5～8.5 m，下沙片地面高程为4.6～6.4 m，上塘河片地面高程为3.8～5.5 m，地势均较高，防御东部平原洪水能力在100 a一遇以上。②运西、运东地区城市主干道路最低高程为3.9～4.0 m，根据城建部门地面高程按设计水位不低于0.5 m的超高要求，运西和运东地区防御东部平原洪水能力总体在20 a一遇左右。③局部如留下街道等地，地面高程为3.8～4.2 m，受上游山洪泄影响，防御能力仅在10 a一遇左右。

2.3 成因分析

杭州江北城区排涝问题出现的主要原因有：①上游西南山区面积大，洪水源短流急，山洪入平原难以及时排出。上游近93 km2的山洪未受控制，下泄洪峰流量较大，洪水下泄至平原后因河道排水能力不足造成水位抬高，漫溢至两岸。②北面缺少控制，与流域洪水同涨同落;下游涝水北排受湖州、嘉兴河网平原水位顶托影响。③河道规模不足，未形成有效排水骨干网络。《杭州市城市防洪减灾规划(2011—2020)》里提出了运东、运西“六横九纵”的骨干排水网络，但具体实施情况不容乐观，城西排水干道受政策处理等方面因素影响，未按规划河道宽度实施。

3 计算方法

包围方案除涝计算采用水量平衡法，包围圈实施效果和防洪影响分析采用一维河网非恒定流数学模型[7]。

3.1 除涝计算

水量平衡法计算公式：

W产=A陆(h-h陆损)+A水面(h-h水损)+A水田(h-h田损);

(1)

W排=Qt；

(2)

河网水位增减值：

Δh=(W产-W排)/A水面；

(3)

河网时段末水位：

h末=h初+(W产-W排)/A水面。

(4)

式中：W产为产水量；W排为排水量；Q为外排流量；t为时间；A陆为陆地面积；A水面为河网面积；A水田为水田面积；h为设计暴雨量；h陆损为降落陆地的损失暴雨量；h水损为降落水面的损失暴雨量；h田损为降落田面的损失暴雨量；Δh为河网水位增减值；h初为河网初始水位；h末为河网时段末水位。

3.2 实施效果和影响分析计算

3.2.1 计算方法

水利计算采用圣维南非恒定流偏微分方程组，建立适合杭嘉湖东部平原的一维河网非恒定流数学模型。圣维南偏微分方程组为

(5)

(6)

式中：z、Q、F、v和K分别表示某一时刻t某一空间位置s断面的水位、流量、相应过水断面面积、断面平均流速和流量模数；q为单位河长旁侧流量；B为河道宽度；g为重力加速度。

3.2.2 计算范围

计算范围扩展至整个杭嘉湖东部平原，东至上海市张泾港，南至杭州钱塘江北岸，西至东苕溪，北至太湖和太浦河。计算面积7 426 km2。

3.2.3 模型概化

模型中概化骨干排水河道529条，计算河道断面3 000余个。排水河道之间的调蓄水域概化为湖泊，共计680个。概化湖泊和排水河道之间根据实际情况，采用河道或排水闸、堰形式连接[8]。本模型选用了32个边界，包括9个流量边界、8个水位边界和13个潮位边界。江苏入浦的平望北、淀峰2个边界，根据计算方案需求及掌握的资料，或选用流量边界，或选用水位边界。

4 排涝格局研究

4.1 城市排水设计方法

城市排水系统包括雨水、污水收集、排放、处理等。城市排水设计主要进行屋面雨水的收集、雨洪入渗的设计、合理的屋顶绿化设计、草皮沟的设计、人工湿地等内容。雨水利用不仅可以降低城市供配水管网在用水高峰时的用水量，还可以有效缓解暴雨洪峰流量。同时减少降雨径流的污染负荷，目的是尽量减少雨洪入河量及减缓汇流时间[9-11]。本文主要考虑雨洪入河后的快速排出，使城市排水更加顺畅。

4.2 方案设计

本次主要考虑在已有杭州城西科创大走廊水利专项规划提出的“六横九纵”河道进行拓浚整治、实施城西南排通道工程的基础上，对江北主城区排涝格局进行优化方案设计，提出3个城市包围方案,如图2所示。

图2 3个建控制闸的平面布置方案

4.2.1 城市包围方案一：运河片，在塘栖建控制闸

北面以上以牵埠闸—东塘港—京杭运河为界，东至运河二通道，南至海塘和分水岭，西至西险大塘；在塘栖建控制闸。江北城区形成运河片、上塘河片、下沙片3个包围圈，城市包围以北建圩区，见图2(a)。运河片面积793.4 km2，水面率约为5.9%。按50 a一遇排涝标准，泵站起排水位2.4 m(运河停航水位)，控制水位不超过3.4 m，经除涝计算，粗估外排泵站流量应≥1 444 m3/s。

4.2.2 城市包围方案二：运河片，在东下路建控制闸

范围与方案一基本一致，仅是京杭运河上建闸位置向南移了约3 km，见图2(b)。运河片面积792.9 km2，水面率约为5.9%，按50 a一遇排涝标准，粗估外排泵站流量应≥1 451 m3/s。

4.2.3 城市包围方案三：运河片，在绕城公路建控制闸

江北城区形成运河片、上塘河片、下沙片3个包围圈，在绕城公路建控制闸；城市包围以北建圩区，见图2(c)。运河片包围面积540 km2，水面率约为5.2%，按50 a一遇排涝标准，粗估外排泵站流量应≥1 064 m3/s。

4.3 计算方案

考虑3种工况：一是城市包围只建节制闸，不建泵站；二是闸、泵都建；三是闸、泵都建，对北控线进行优化调度。经计算分析，北控线只建闸不建泵，对江北运河片水位降低没有作用；北控线建闸建泵后，区内水位可满足排涝要求，但对下游影响较大；对北控线闸泵进行优化调度，可在确保杭州江北城区排涝安全的前提下，最大限度减轻下游防洪压力。所以，城市包围方案以北控线建闸建泵，并进行优化调度的工况下，分析实施效果，选定推荐方案。

由表2可见：方案三50 a一遇排涝标准，可在满足杭州江北城区排涝安全的前提下，对下游影响也尽可能小。与方案一或方案二相比，塘栖、嘉兴、湖州最高水位分别抬高0.19、0.03、0.09 m。

表2 城市包围方案实施效果与影响分析

4.4 推荐方案

城市包围方案优缺点见表3。经综合比较，本次研究推荐方案三作为杭州江北城区城市包围方案，即：运河片，在绕城公路建控制闸方案。

表3 城市包围方案优缺点

5 结 论

(1)杭州江北主城区经济社会快速发展，对区域排涝能力提出了更高要求，很有必要开展杭州江北主城区排涝格局优化研究，谋划新一轮治理工程。

(2)本文主要考虑在已有规划提出的“六横九纵”河道进行拓浚整治、实施城西南排通道工程的基础上，对江北主城区排涝格局进行优化方案设计，提出3个城市包围方案。方案一：运河片，在塘栖建控制闸方案；方案二：运河片，在东下路建控制闸方案；方案三：在绕城公路建控制闸方案。经综合比较，推荐方案三为杭州江北城区城市包围方案。

(3)城市包围工程为尽可能减轻对下游地区的防洪压力，北控线闸站需进行优化调度。