三山涂圍墾工程對上游白溪干流及海塘防洪 (潮)影響研究

金德鋼,余方順,趙淳逸

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 寧波 315192)

1 問題的提出

寧?？h以丘陵山地為主,土地資源緊缺。近年來,隨著寧海經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,城市化、工業(yè)化進程的不斷加快,土地供需矛盾日趨突出,成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸因素。針對寧海經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀,根據(jù)三門灣經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃,盡早圍墾開發(fā)雙盤三山涂對寧海縣三門灣區(qū)塊的社會經(jīng)濟發(fā)展十分有利。為科學(xué)合理地開發(fā)、利用和保護灘涂資源,促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展,提高沿海地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力,增加后備資源,寧?？h決定建設(shè)雙盤涂二期圍墾工程及三山涂圍墾工程。圍墾工程的實施,將改變力洋港海洋潮汐的自然特性,從而對上游白溪干流防洪和周邊海塘防潮造成影響。本次研究在全面了解雙盤三山涂圍墾工程概況及區(qū)域水文、海洋基本情況的基礎(chǔ)上,研究工程實施后對力洋港海洋潮汐特性的影響,對白溪干流防洪及周邊海塘防潮的影響,其成果作為雙盤涂二期及三山涂圍墾工程建設(shè)重要的科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

寧?？h雙盤三山涂圍墾工程位于寧?？h越溪鄉(xiāng)東南側(cè)三門灣沿海灘涂,東臨力洋港,南瀕青山港、蛇蟠水道,西界蛇蟠涂北堤,北與越溪鎮(zhèn)相接(見圖1)。工程共計圍墾0.28萬hm2(4.2萬畝),新建標(biāo)準(zhǔn)海塘23 km,其中雙盤片圍墾約0.11萬hm2(1.58萬畝),約10.27 km2,出海閘3座,總凈寬75 m[1];三山涂圍墾面積約0.17萬hm2(2.62萬畝),約17.73 km2,新建出海閘3座,總凈寬68 m[2]。

三門灣內(nèi)島嶼羅列,水道縱橫,四周港汊密布,岸線曲折,有眾多水系匯入,其中最主要的水系為位于瀝洋港上游的白溪,也是寧?？h境內(nèi)最大的溪流。白溪主流全長66.7 km,流域總面積627 km2(其中天臺縣111 km2,寧?？h516 km2),上游建有大型水庫—白溪水庫,控制集水面積254 km2[3]。主要支流為大溪,發(fā)源于寧海、奉化交界的野豬坑,河長39 km,流域面積201 km2,上游建有西溪、黃壇2座水庫,總控制集水面積114 km2[4]。

本圍涂項目主要用于開發(fā)綜合農(nóng)業(yè)。開發(fā)雙盤涂、三山涂土地資源,對調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)展一優(yōu)兩高的外向型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟,對三門灣區(qū)域和寧海經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。與此同時,三門灣是易遭臺風(fēng)暴潮襲擊的海域,現(xiàn)有防潮能力偏低,不利于當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。新建的23 km海堤對保護工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全起到重要的作用。

3 研究范圍

防洪影響研究主要為白溪流域,總面積627 km2;防潮影響研究主要為周邊海塘,總長60.8 km。

4 計算方法

4.1 水文分析方法

4.1.1 設(shè)計暴雨

本工程位于白溪下游出?？谔?研究范圍涉及整個白溪流域,流域內(nèi)及周邊雨量測站較多,共有14個,各測站雨量資料起始年份和觀測年限不一,但多數(shù)降雨資料系列超過30 a,為本次研究提供了詳實可靠的資料。

流域面雨量計算采用泰森多邊形法,白溪流域設(shè)計面雨量為水庫 (白溪水庫、西溪黃壇水庫)和區(qū)間加權(quán)平均得到。采用P-Ⅲ型曲線進行頻率計算,求得最大24 h、最大3 d的各頻率設(shè)計暴雨成果 (見表1)。

表1 白溪流域分區(qū)設(shè)計暴雨成果表

4.1.2 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水的計算包括計算分區(qū)、凈雨計算和匯流計算。在產(chǎn)流計算中,根據(jù)流域的降雨特性和下墊面特征劃分計算分區(qū),采用不同設(shè)計暴雨過程進行產(chǎn)流計算。本次研究按白溪流域內(nèi)水系分布、水庫、防洪控制位置及水利計算需求等因素,將流域分成6個分區(qū) (見表2和圖2)。

圖2 白溪流域計算分區(qū)圖

表2 白溪流域產(chǎn)流分區(qū)特征表

匯流主要包括山區(qū)坡面匯流和山區(qū)河道匯流。集水面積大于50 km2時,無資料地區(qū)坡面匯流計算采用“浙江省瞬時單位線法”;集水面積小于50 km2時,采用“浙江省推理公式法”。如果分區(qū)內(nèi)有水庫,坡面匯流所得到的流量過程需經(jīng)過水庫調(diào)洪演算,計算出水庫的下泄流量過程,再通過馬斯京根法進行河道匯流演算,得出各設(shè)計斷面的洪水流量過程,計算結(jié)果見表3。

表3 白溪流域各斷面設(shè)計洪水成果表m3/s

4.2 平面二維水動力數(shù)學(xué)模型

4.2.1 模型簡介

對于寬淺型河流,水深平均的二維水沙控制方程可較好地反映河流中挾沙水流運動特征。本模型的水流基本方程由三維時均雷諾方程沿水深積分得到,并以混長紊流模型求解紊動切應(yīng)力。通過沿水深積分,得到較為完善的平面二維水動力、泥沙與河床變形控制方程;在補充床面穩(wěn)定控制、水流挾沙力、泥沙沉速等控制條件后,建立河口段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型。

數(shù)學(xué)模型采用非均勻交錯網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng),根據(jù)研究區(qū)域的重要程度適當(dāng)確定網(wǎng)格剖分精度。本數(shù)學(xué)模型采用計算水力學(xué)中較成熟的“交替方向隱式差分逐行求解”格式,該離散格式的構(gòu)造步驟是將時間步長分成前后2個0.5步。前0.5個時間步長,聯(lián)解連續(xù)方程、X向動量方程,隱式求解泥沙傳移輸運方程;后0.5個時間步長,聯(lián)解連續(xù)方程、Y向動量方程,隱式求解泥沙傳移輸運方程;借助控制體的概念,在對對流項進行離散時引進迎風(fēng)格式,保證解的穩(wěn)定與收斂。這就是交替隱式差分方法(ADI)。

該數(shù)學(xué)模型已在一些復(fù)雜工程中得到成功應(yīng)用,能較為準(zhǔn)確地模擬、預(yù)測一般沖積性河流上,河流工程附近的水沙運動與河床變形。

為了準(zhǔn)確反映工程建設(shè)對三門灣潮流影響的情況,本模型涵蓋了整個三門灣,選取的東部邊界南起麂山青山,經(jīng)雀兒岙島以西穿越,北至檀頭山島東南側(cè),總長63.9 km;北部邊界自石浦潮位站至檀頭山島西北部,總長5.7 km。其中包括浦壩港、健跳港、石浦港、白礁水道。

由于計算海域島嶼眾多,地形變化復(fù)雜,模型采用三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格縱向與橫向間距100～200 m,同時為保證模型計算的精度,在水流、地形變化梯度比較大的區(qū)域適度加密,在工程區(qū)附近對網(wǎng)格進一步細化。整個計算區(qū)域(工程前)布設(shè)的節(jié)點數(shù)為24 865個,單元數(shù)為45 756個。工程前后模型計算范圍及模擬地形見圖3、4。

4.2.2 有關(guān)參數(shù)的選取

數(shù)學(xué)模型計算中涉及諸多計算參數(shù),二維潮流數(shù)學(xué)模型中床面阻力系數(shù)、紊動黏性系數(shù)、計算時間步長等參數(shù)的選擇影響計算進程與結(jié)果。經(jīng)調(diào)試,模型計算所采用的主要參數(shù)為:①床面阻力系數(shù):二維水流數(shù)學(xué)模型中的糙率系數(shù)受工程計算區(qū)域綜合阻力和數(shù)值離散等因素影響。本模型采用實測資料率定,計算時曼寧綜合糙率取0.028;②紊動黏性系數(shù):采用Smagorinsky公式,根據(jù)實測資料率定取0.6;③時間步長:根據(jù)所選用的模型縱向、橫向網(wǎng)格大小,經(jīng)調(diào)試,選取的時間步長為200 s。

圖3 模擬區(qū)域及計算地形圖(工程前)

圖4 模擬區(qū)域及計算地形圖(工程后)

4.3 設(shè)計潮位

白溪流域位于浙江省中部沿海,三門灣內(nèi),流域下游水車以下河段為感潮河段,受潮水控制。三山涂圍墾工程實施后,將使白溪出口向三門灣外延伸8 km?，F(xiàn)流域出口附近無長系列測站資料,無法直接進行潮位頻率計算。

4.3.1 設(shè)計高潮位

由流域出口附近潮位站潮位特征統(tǒng)計分析,本流域出口設(shè)計潮位可采用臨近巡檢司與小可嶼進行內(nèi)插確定,2站設(shè)計潮位可查《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》得到。

通過查算《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》,工程區(qū)設(shè)計潮位成果見表4。

表4 圍墾工程區(qū)設(shè)計潮位成果表 m

4.3.2 設(shè)計潮型

本次研究采用平均偏不利潮位潮型作為流域下邊界水利計算典型設(shè)計潮型。平均偏不利潮位潮型可分為由多年平均最高潮位控制的潮型和由多年平均最高低潮位控制的潮型,兩者潮位過程見圖5。經(jīng)分析比較,由多年平均最高潮位控制的潮型對本區(qū)域的防洪更為不利,選擇其作為典型潮型。

圖5 排洪計算典型潮型潮位過程線圖

4.3.3 洪潮組合

洪潮遭遇組合方案影響流域的出流能力,也影響流域防洪設(shè)計水位,從防洪安全角度出發(fā),并與以往研究成果相銜接,本次研究采用《寧?？h白溪治理工程白溪下游段(白21～白23)防洪工程初步設(shè)計》中的洪潮組合,即各頻率洪水與相應(yīng)頻率高潮位進行組合計算。

5 研究成果分析

5.1 對區(qū)域潮位的影響

根據(jù)有關(guān)工程及三門灣附近潮位站點的資料,得到瀝洋港站典型、20 a一遇、50 a一遇的潮位過程作為模型計算方案(見表5)。

表5 方案計算統(tǒng)計表

為分析圍墾工程對區(qū)域潮位的影響,在工程區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)8個測點,計算工程前后測點的潮位變化情況,測點分布見圖6。各個計算方案工程前后高低潮位特征值對比見表6～8。

圖6 方案計算測點布置示意圖

表6 典型潮位工程前后高低潮特征值對比表[6] m

表7 20 a一遇潮位工程前后高低潮特征值對比表[6] m

表8 50 a一遇潮位工程前后高低潮特征值對比表[6] m

從表6～8可以看出,典型潮位條件下,瀝洋港內(nèi)潮位從口門至上游水位壅高逐漸加大,2#～4#測點的水位壅高分別為6.0,2.3,0.4 cm,1#測點水位壅高相對2#有所降低,為5.5 cm;三山涂圍墾南堤前沿水位變化為-2.1～0.4 cm;蛇潘水道從口門自上游水位壅高呈升高趨勢,口門處水位壅高1.5 cm,一市港附近水位壅高3.6 cm。

20a一遇潮位條件下,瀝洋港內(nèi)潮位從口門至上游水位壅高逐漸加大,1#～4#測點的水位壅高分別為11.2,9.0,3.4,0.1 cm;三山涂圍墾南堤前沿水位變化為-3.6～0.1 cm;蛇潘水道從口門自上游水位壅高呈上升趨勢,口門處水位壅高0.8 cm,一市港附近水位壅高4.3 cm。

50a一遇潮位條件下,瀝洋港內(nèi)潮位從口門至上游水位壅高逐漸加大,1#～4#測點的水位壅高分別為13.8,10.9,3.8,-0.1 cm;三山涂圍墾南堤前沿水位降低-4.0～0.1 cm;蛇潘水道從口門自上游水位壅高呈升高趨勢,口門處水位壅高0.5 cm,一市港附近水位壅高4.2 cm。

5.2 對上游防洪計算下邊界的影響

上游防洪計算下邊界的設(shè)計潮位為20 a一遇,圍墾工程對上游防洪下邊界影響情況為:工程實施后,瀝洋港潮流動力發(fā)生變化,由多向潮流變?yōu)殡p向潮流,港內(nèi)潮波發(fā)生變形,高潮位發(fā)生壅高,低潮位降低,潮差增大。計算成果表明,20a一遇條件下,白溪下邊界潮位高潮位抬高11.2 cm,低潮位降低0.3 cm,潮差相對增大11.5 cm。

5.3 對海堤設(shè)計潮位的影響

雙盤三山涂圍墾工程海堤的防潮設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,圍墾工程對海堤設(shè)計潮位影響情況為:

(1)對雙盤山圍墾海堤前沿設(shè)計高潮位的影響:圍墾工程實施后,雙盤山東堤高潮位降低9～12 cm,降低幅度自南向北逐漸加大;雙盤山南堤高潮位降低9 cm左右。

(2)對三山涂圍墾海堤前沿設(shè)計高潮位的影響:圍墾工程實施后,三山涂西堤高潮位降低4～11 cm,降低幅度自南向北逐漸加大;南堤高潮位降低1～2 cm;東堤潮位壅高0～10 cm,壅高幅度自南向北逐漸加大。

5.4 對上游白溪干流防洪的影響

本工程對上游的影響主要體現(xiàn)在對白溪出口下邊界的改變,工程建設(shè)引起白嶠港潮汐發(fā)生變化,從而影響上游白溪的設(shè)計洪水過程,導(dǎo)致已有規(guī)劃堤防達不到設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)或減少安全超高。根據(jù)已有規(guī)劃設(shè)計方案,本次研究下邊界取與河道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)同頻的20 a最高設(shè)計潮位,由潮位影響數(shù)值模擬可知,20 a一遇條件下,白嶠港潮位雍高0.001～0.112 m,其中白25斷面下設(shè)計最高潮位雍高0.112 m(見表9)。

表9 白溪出口白25斷面最高潮位變化表m

為分析在上游不同設(shè)計洪水的情況下工程對上游防洪的影響,上游洪水采用本次研究設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水法計算所得的值,下游潮位邊界采用潮位影響數(shù)值模擬計算所得的值。

計算成果表明工程對上游在白溪出口影響最大,最大雍高0.11m,在距出口3 500 m處,影響減少到0.05 m以下,在距出口6 500 m處,由于工程引起的水位雍高影響逐漸消失。

根據(jù)《寧海縣白溪治理工程白溪下游段(白21～白23)防洪工程初步設(shè)計》設(shè)計,白溪下游段堤頂高程由設(shè)計洪水位加安全超高確定,通過計算,其中左岸綜合安全超高1.23 m,右岸綜合安全超高1.02 m,為安全起見,右岸綜合超高取與左岸相同,即1.23 m。由此可見,右岸超高比實際需要高0.21 m,本次雍高最大影響為0.11 m,小于安全超高富余量;對左岸將減少綜合超高最大0.11 m,影響范圍為6 500 m。

5.5 對周邊海塘防潮的影響

圍墾工程實施后,工程區(qū)附近潮流邊界發(fā)生變化,進潮量減少,流場結(jié)構(gòu)重新調(diào)整,在此影響下,圍墾區(qū)前沿區(qū)域、青山港、瀝洋港潮位均隨之調(diào)整,從而使周邊圍墾工程的設(shè)計潮位發(fā)生變化。

為分析工程對周邊海塘防潮的影響,本次研究通過建立平面二維水動力模型,對工程進行數(shù)值模擬。由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知:

本工程對周邊海塘的防潮影響主要集中在力洋港,其對潮位的雍高在0.00～0.12 m,即減少海塘安全超高最大為0.12 m,減少值自南向北遞增。

5.6 對周邊地塊排澇的影響

典型潮位條件下,瀝洋港內(nèi)潮位從口門至上游水位壅高逐漸加大,2#～4#測點的水位壅高分別為6.0,2.3,0.4 cm,1#測點水位壅高相對2#有所降低為5.5 cm;三山涂圍墾南堤前沿水位變化位于-2.1～0.4 cm;蛇潘水道從口門自上游水位壅高呈升高趨勢,口門處水位壅高1.5 cm,一市港附近水位壅高3.6 cm。高低潮位變化不大,對周邊地塊排澇無影響。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié) 論

雙盤三山圍墾工程是保障寧?？h經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要工程,圍墾工程實施后,工程區(qū)附近潮流邊界將發(fā)生變化,在此影響下,圍墾區(qū)前沿區(qū)域、青山港、瀝洋港潮位均隨之調(diào)整,本次針對工程建設(shè)對上游白溪干流及周邊海塘的防洪(潮)影響進行深入研究,得出的主要結(jié)論如下:

(1)圍墾工程實施后,將改變工程區(qū)附近潮流邊界,致使高潮位發(fā)生壅高,低潮位降低,潮差增大,對瀝洋港防潮和上游白溪干流防洪造成不利影響,而對青山港的影響偏于有利。

(2)在上游白溪堤防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(20 a一遇)下,由于工程的建設(shè),導(dǎo)致上游設(shè)計洪水位雍高,降低了上游堤防安全超高最大0.112 m,最大影響范圍至白溪出口以上6 500m。

(3)在周邊海塘設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(50 a一遇)下,圍墾工程實施后,導(dǎo)致瀝洋港設(shè)計潮位雍高0.00～0.12 m,青山港設(shè)計潮位降低0.04～0.11 m。

(4)典型潮位條件下,高低潮位變化不大,對周邊地塊排澇無影響。

6.2 建 議

(1)對上游白溪未建堤防,建議根據(jù)最新的設(shè)計成果進行重新設(shè)計。

(2)對已建海塘,建議根據(jù)本次研究成果進行安全復(fù)核。

[1]寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院.寧?？h三山涂圍墾工程可行性研究報告 [R].寧波:寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,2012.

[2]寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院.寧海縣雙盤涂二期圍墾工程可行性研究報告 [R].寧波:寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,2012.

[3]華東勘測設(shè)計院.浙江省寧?？h白溪水庫初步設(shè)計 [R].杭州:華東勘測設(shè)計院,1994.

[4]浙江省水利水電勘測設(shè)計院.白溪流域防洪治理工程規(guī)劃[R].杭州:浙江省水利水電勘測設(shè)計院,2005.

[5]寧?？h水利水電勘測設(shè)計院.寧?？h白溪治理工程白溪下游段(白21～白23)防洪工程初步設(shè)計 [R].寧海:寧?？h水利水電勘測設(shè)計院,2010.

[6]寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院.寧海縣三山涂圍墾工程對上游白溪干流及周邊海塘防洪 (潮)影響研究 [R].寧波:寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,2012.