余姚市陶家路江二期整治工程水利計算分析

王娟 王靈敏

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司 上海 200434；浙江省水利水電勘測設(shè)計院 杭州 310002）

余姚市地處浙江省東部，距寧波市40km，距省會杭州市106km，為杭甬線重要交通樞紐和浙東水陸聯(lián)運咽喉之一。由于余姚市地處沿海，遭受臺風(fēng)及熱帶風(fēng)暴侵襲頻繁，往往造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[1]。2013年“菲特”臺風(fēng)造成全市經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)206億元。

“菲特”臺風(fēng)過后，余姚市制定了《余姚市“五水共治”三年行動計劃實施方案》[2]，2014年制定了《余姚市防洪排澇規(guī)劃》[3]，該方案及規(guī)劃針對姚江流域及甬江流域的特點，采用流域防洪排澇總體格局為“東泄、南蓄、北排、中疏、低圍”。余姚將重點實施陶家路江等骨干北排河道的拓寬及水系溝通工程，打通北排河道的瓶頸，并增設(shè)新的北排口門及強(qiáng)排設(shè)施，使河道規(guī)模與出海閘功能相匹配，充分發(fā)揮臨海大浦、陶家路江、洪家路江等三條主要北排通道的作用，進(jìn)一步提升北排能力。北排工程實施后，將至少可承擔(dān)70%左右的排水量。

陶家路江二期工程已被列為“五水共治”項目，且該項目已列入“2014年浙江省重點建設(shè)項目名單”，及余姚市水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃。

盡快實施陶家路江二期整治工程對緩解余姚市防洪排澇壓力，完善區(qū)域防洪排澇體系、保障人民群眾生命財產(chǎn)安全、保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

余姚市陶家路江二期整治工程南起泗門泵站北至陶家路江一期工程，整治河道總長5.238km。工程主要任務(wù)是防洪、排澇。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。城市及城鎮(zhèn)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24小時暴雨24小時排出，農(nóng)村排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇3天暴雨3天排出。工程主要內(nèi)容為拓寬河道、新建堤防、護(hù)岸，新建排澇配套以及拆除重建跨河橋梁等[4]。

河道現(xiàn)狀面寬約35m～40m，由于長期自然淤積，部分地段變窄，河道過流面積減少，排洪不暢。河道兩岸有較密集的村莊民房和一些工廠企業(yè)，當(dāng)?shù)鼐用裆钏捷^高。為了增加陶家路江二期河道的行洪能力，需要將工程區(qū)河道拓寬浚深。由于泗門泵站下游引河及一期河道的底高程為-1.87m，考慮底高程銜接，二期工程河底高程也取為-1.87m。河道面寬的確定，直接決定了工程的征地、移民拆遷費用及工程總投資，因此在滿足河道行洪、排澇的前提下，河道口寬不宜太寬。

實施陶家路江二期整治工程還必須使得河道規(guī)模與本工程上游的泗門泵站工程及本工程下游的陶家路外閘工程規(guī)模相匹配，才能使陶家路外閘、陶家路一期工程及泗門泵站工程發(fā)揮應(yīng)有的效應(yīng)，最終提高泗門地區(qū)澇水北走的能力，已整治過的陶家路江一期河道面寬為115.5m。

根據(jù)工程實際情況進(jìn)行陶家路江二期整治工程的水利計算分析從而確定河道規(guī)模是工程設(shè)計的關(guān)鍵。有必要進(jìn)行多方案比選。

2 計算比選方案

本工程方案比較是在《余姚市防洪排澇規(guī)劃》提出的擴(kuò)大北排布局方案的基礎(chǔ)上提出的。《余姚市防洪排澇規(guī)劃》推薦陶家路江二期整治工程河道擴(kuò)寬至面寬80m～100m，河底高程-1.87m。其中陶家路江（泗門泵站至四塘橫江段）規(guī)劃河道面寬80m，陶家路江（四塘橫江至陶家路老閘）規(guī)劃河道面寬100m。

對陶家路江二期河道規(guī)模設(shè)置三個計算方案，即：

方案1：陶家路江二期（泗門泵站～四塘橫江）河道面寬80m，陶家路江二期（四塘橫江～陶家路江一期工程）河道面寬80m邊坡均為1∶3到河底-1.87m。

方案2：陶家路江二期（泗門泵站～四塘橫江）河道面寬80m，陶家路江二期（四塘橫江～陶家路江一期工程）河道面寬100m邊坡均為1∶3到河底-1.87m。

方案3：陶家路江二期（泗門泵站～四塘橫江）河道面寬80m，陶家路江二期（四塘橫江～陶家路江一期工程）河道面寬120m邊坡均為1∶3到河底-1.87m。

3 水利計算

3.1 計算范圍

本工程位于姚江流域，工程影響范圍涉及整個甬江流域，因此，本次水利計算范圍包括姚江流域、奉化江流域、甬江流域以及上虞、余姚北排錢塘江的區(qū)域，涉及上虞市余姚市、寧波市、奉化市。

3.2 計算方法

鑒于本工程是姚江流域防洪排澇工程體系的一個組成部分，規(guī)模不能夠孤立進(jìn)行計算確定，水利計算采用漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合模型非恒定流計算程序，建立適合整個甬江流域平原的一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型，通過建立的河網(wǎng)模型進(jìn)行計算。本數(shù)學(xué)模型曾在《余姚市防洪排澇規(guī)劃（2014年）中用于規(guī)模計算，并已經(jīng)典型洪水驗證，參數(shù)率定，平原河網(wǎng)河道糙率取0.017～0.025，山區(qū)性河道取0.025～0.035。

計算原理采用圣維南明渠非恒定流偏微分方程組，用隱式差分法化為差分方程，再與邊界條件及初始條件構(gòu)成一大型非線性方程組，采用牛頓迭代及高斯列主元消去法求解，從而得出各計算斷面的水位和流量過程。

計算過程中分別考慮現(xiàn)有水工程及規(guī)劃水工程的工況，求出流域內(nèi)不同工況下特征斷面的水位及流量變化過程。為工程效果分析及工程規(guī)模的擬定提供定量的科學(xué)依據(jù)，根據(jù)余姚市境內(nèi)的地形、地勢、河流走向，排澇擋潮閘以及擬建工程的要求，該計算模型考慮了沿江支流、碶閘、平原河網(wǎng)等工程對洪流演進(jìn)的影響，逐時計算河網(wǎng)的洪水過程。

計算采用一維非穩(wěn)定流方法，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

（1）式為連續(xù)方程；（2）式為動力方程。

式中：B——水面寬，m；

z——水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁側(cè)流量，m3/s；

v——斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

F——過水?dāng)嗝娣e，m2；

K——單位過水?dāng)嗝娣e的流量模數(shù)。

本數(shù)學(xué)模型考慮倒堤、漫灘、分洪及多種形式的閘、泵、堰、壩、阻水橋梁等各種水利條件因素，能適用于河道洪流演進(jìn)的定量分析計算。

本次河網(wǎng)概化涉及姚江流域、奉化江流域、甬江流域及上虞、余姚北排錢塘江的區(qū)域，總面積約4940km2。考慮可能興建的規(guī)劃工程，進(jìn)行河網(wǎng)概化，把平原劃分成963個河段，在上述河段中截取1750個斷面，考慮了246個閘汊，410個河汊，244個概湖及87條集中入流。

3.3 計算條件

陶家路江是姚江洪水北排杭州灣的重要通道。甬江流域的計算分為兩大分區(qū)，一是甬江東排計算分區(qū)，洪澇水全部或部分排入姚江、奉化江、甬江；二是北排分區(qū)，全部洪水全部直接排入外海。

各流量邊界采用水文推出的各分塊山區(qū)（有水庫則為水庫調(diào)洪后下泄過程）的逐時入流過程。概化中，圩區(qū)水面概化為湖泊，如果主干河水位高于圩區(qū)堤頂，則考慮破堤，主干河水量進(jìn)入圩區(qū)；平時，圩區(qū)通過閘、泵、堰及河道和主干河交換水量。

沿海各閘排出口為潮水位邊界，根據(jù)本地區(qū)歷年實測暴雨和潮位資料遭遇情況分析結(jié)果和2013年“菲特”臺風(fēng)經(jīng)驗，設(shè)計洪水采用2013年10月6日～8日“菲特”臺風(fēng)和1962年14號臺風(fēng)遭遇為典型，對姚江流域設(shè)計暴雨及奉化江流域相應(yīng)暴雨進(jìn)行了洪水地區(qū)組成；潮型：采用2013年“菲特”臺風(fēng)期間實況潮位過程（相當(dāng)于5年一遇潮位）。

4 計算成果

4.1 河道規(guī)模計算比較成果

對不同河道規(guī)模方案進(jìn)行比較，考慮對降低余姚城區(qū)洪水位及增加北排水量等效益比較推薦河道規(guī)模。

陶家路江二期河道規(guī)模比選各方案20年一遇的洪水位成果如表1所示。

從表1中可以看出，考慮陶家路新閘規(guī)模為凈寬56m，泵站規(guī)模為200m3/s；新開河外閘規(guī)模為凈寬50m，泵站規(guī)模為100m3/s。為充分發(fā)揮陶家路新閘的防洪排澇效益，通過新開北排河、四塘橫江疏浚、陶家路江二期河道整治工程等建設(shè)，當(dāng)方案1陶家路江二期工程河道面寬均為80m～80m時，20年一遇三天排水量約為1.63億m3；當(dāng)方案2陶家路江二期工程河道面寬拓寬至80m～100m，20年一遇三天北排排水量較方案一增加517萬m3，方案2（北排總水量/總排水量）比方案1約增加0.78%，20年一遇蜀山大閘東排三天排水量較方案1減少52萬m3，泗門鎮(zhèn)20年一遇洪水位降低0.02m，馬渚鎮(zhèn)所在西橫河下20年一遇洪水位降低0.01m；當(dāng)方案3陶家路江二期工程河道面寬進(jìn)一步拓寬至80m～120m，20年一遇三天排水量較方案2增加245萬 m3，方案 3（北排總水量/總排水量）比方案2僅增加0.39%，20年一遇蜀山大閘東排三天排水量較方案2減少36萬m3，對泗門鎮(zhèn)和馬渚鎮(zhèn)洪水位降低不明顯。

表1 陶家路江二期河道規(guī)模比選各方案20年一遇洪水位比較表

表2 推薦方案各頻率工程區(qū)最高洪水位計算表 單位：m

因此為了減少蜀山大閘東排水量，減少東排壓力，盡可能增加北排效果，同時結(jié)合改善河網(wǎng)水環(huán)境以及工程經(jīng)濟(jì)性，考慮陶家路江泗門泵站規(guī)模為100 m3/s、新開河閘站泵站規(guī)模為200 m3/s，為滿足規(guī)劃強(qiáng)排泵站流量過水需求，推薦計算方案2：即陶家路江二期（泗門泵站～四塘橫江）河道面寬80m，陶家路江二期（四塘橫江～陶家路江一期工程）河道面寬100m，均為1∶3邊坡到河底-1.87m，與陶家路江泗門泵站下游引河銜接、與陶家路江一期工程匹配。

4.2 河道規(guī)模推薦方案各頻率計算成果（10%，5%，2%，1%）

經(jīng)對推薦方案各頻率計算，推薦方案各頻率（10%、5%、2%、1%）工程區(qū)最高洪水位計算表見表2。

從表2中可以看出，在各頻率（10%、5%、2%、1%）下，泗門泵站下游處最大流量均較小，陶家路江四塘橫江交界處至陶家路老閘流量驟增，而且越到下游流量越大；隨著頻率的增加，防洪壓力加大，各代表點的水位也呈增加的趨勢，比如泗門水位在10%時為3.15m，5%時達(dá)到了 3.31m，2%時達(dá)到了3.56m，1%時達(dá)到了3.66m；陶家路老閘水位在 10%時為 3.14m，5%時達(dá)到了 3.32m，2%時達(dá)到了3.47m，1%時達(dá)到了3.62m。

本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P=5%），泗門泵站下游處最高水位3.53m，最大流量為100 m3/s，陶家路江四塘橫江交界處最高水位為3.36m，最大流量為336m3/s，陶家路江七塘橫江交界處最高水位為3.32m，流量為391 m3/s，陶家路老閘處水位為3.32m，流量為394 m3/s。也就是說泗門泵站下游引河至四塘橫江段（長0.927km）河寬較四塘橫江至陶家路江一期河道（長4.311km）河寬略窄是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

根據(jù)河網(wǎng)計算成果，陶家路新閘關(guān)閉，泗門泵站、陶家路新閘泵站開啟時，陶家路江（泗門泵站下游引河至陶家路江一期河道）20年一遇設(shè)計高水位為3.53m～3.32m。陶家路江二期整治工程主要設(shè)計水位成果（P=5%）見圖1。根據(jù)陶家路江平時運行功能和兩岸排澇要求，確定本工程河段正常水位為2.70m。

5 結(jié)論

圖1 陶家路江二期整治工程主要設(shè)計水位成果（P=5%）

（1）陶家路江二期整治工程河道泗門泵站下游引河至四塘橫江段河道面寬推薦為80m，四塘橫江至陶家路江一期河道面寬推薦為100m，河底高程-1.87m。該方案能更好的降低余姚城區(qū)洪水位及增加北排水量更好滿足規(guī)劃強(qiáng)排泵站流量過水需求，能改善河網(wǎng)水環(huán)境以及工程經(jīng)濟(jì)性，并與泗門泵站及陶家路江一期河道規(guī)模銜接，亦滿足《余姚市防洪排澇規(guī)劃》的要求。

（2）經(jīng)河網(wǎng)計算，陶家路江二期整治工程（泗門泵站至陶家路江一期河道）20年一遇設(shè)計高水位為3.53m～3.32m，正常水位為2.70m。

（3）抓緊實施陶家路江二期整治工程是十分必要的，對提升余姚市防洪排澇能力維護(hù)余姚市安全、維持社會穩(wěn)定、余姚市經(jīng)濟(jì)保持可持續(xù)發(fā)展、安定民心將具有重要的現(xiàn)實意義。陜西水利