淺談忠門北江圍墾片防洪防潮排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)

(莆田市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 莆田 351100)

1 防洪防潮排澇工程現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 防洪防潮排澇現(xiàn)狀

忠門北江圍墾片位于莆田市區(qū)東南部的忠門片區(qū)，是媽祖文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)中平海灣新城的組成部分，西接忠門片區(qū)中心區(qū)，東臨規(guī)劃的平海灣新城中心區(qū)。北江圍墾片全流域面積14.2km2，最長河道長度僅為3.5km，河道坡降3.4‰；其兩邊護(hù)岸大都為天然或簡易生產(chǎn)岸坡。

北江圍墾流域內(nèi)另一水利設(shè)施為東部下游的北江海堤。海堤長度為2.6km，堤頂高程為7.0m，防浪墻頂高程8.0m。

北江海堤南端筑利山排澇閘1座3孔，閘孔尺寸3m×4.25m，底板高程-2.74m；堤北端筑后坑納潮閘1座3孔，閘孔尺寸3m×3.04m，底板高程-0.65m。

1.2 存在的主要問題

a.規(guī)劃區(qū)地處中低緯度，東瀕太平洋，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，臺(tái)風(fēng)頻繁，臺(tái)風(fēng)帶來的降雨量大，極易引發(fā)大洪水造成內(nèi)澇。

b.規(guī)劃區(qū)主要地貌為海積平原、沖洪積平原，且規(guī)劃區(qū)為圍墾形成，上游沒有控制性水庫，無法對(duì)排澇起到削峰、滯澇作用，規(guī)劃區(qū)大部分區(qū)域地面高程在0～5m之間，河道平緩，若受外海潮位頂托，泄洪不及，規(guī)劃區(qū)內(nèi)澇水不易排出。

c.規(guī)劃區(qū)為圍墾區(qū)，區(qū)域內(nèi)植被稀少，植物截流和土壤蓄水能力小，河流匯流時(shí)間縮短，洪峰流量增大，加劇了洪澇災(zāi)害；同時(shí)規(guī)劃區(qū)內(nèi)植被稀少，易造成水土流失，淤積河道，抬高河床水位，減少行洪斷面；城市建設(shè)導(dǎo)致用地需求猛增，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目工程建設(shè)亂堆棄渣，部分河溝堵塞，過水能力不足，河道排水不暢，造成嚴(yán)重內(nèi)澇。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則、標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則

規(guī)劃依據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃、國土整治規(guī)劃、現(xiàn)代化規(guī)劃、流域綜合規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃，貫徹以下原則：

a.科學(xué)治水、依法治水、生態(tài)治水、人水和諧。

b.“全面規(guī)劃、統(tǒng)籌兼顧、標(biāo)本兼治、綜合治理”。

c.“泄、滯、排”兼施，以排洪為主，滯洪結(jié)合，相機(jī)搶排。

d.因地制宜、節(jié)約用地、講求實(shí)效、分區(qū)設(shè)防、分期實(shí)施。

e.強(qiáng)調(diào)規(guī)劃的系統(tǒng)性、可操作性、先進(jìn)性和適度超前性。

在貫徹以上原則的基礎(chǔ)上，研究多種工程與非工程措施相結(jié)合，充分發(fā)揮現(xiàn)有工程設(shè)施的作用，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)將洪災(zāi)損失降到最低，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)防洪體系的要求。

2.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《江河流域規(guī)劃編制規(guī)程》(SL 201—2015)、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)、《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50805—2012)、福建省水利水電廳頒發(fā)的有關(guān)文件等的規(guī)定確定規(guī)劃區(qū)防洪排澇及防潮標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)結(jié)合《平海灣規(guī)劃》，確定該規(guī)劃區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，排澇標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計(jì)，防潮標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇外海潮位。

2.3 規(guī)劃設(shè)計(jì)的目標(biāo)

規(guī)劃的任務(wù)是針對(duì)忠門北江圍墾片區(qū)內(nèi)防洪排澇現(xiàn)狀，提出科學(xué)合理的防洪排澇方案，確定規(guī)劃區(qū)控制水位，擬定滯洪區(qū)(人工湖)、排洪渠、堤防、排澇閘及區(qū)內(nèi)排澇設(shè)施規(guī)模，使規(guī)劃區(qū)內(nèi)水系布局更加科學(xué)、合理，滿足城市防洪除澇的要求，為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供基本安全保障。

針對(duì)規(guī)劃區(qū)市政規(guī)劃和防洪防潮排澇現(xiàn)狀、存在問題及其原因分析，通過各項(xiàng)工程措施以達(dá)到如下目標(biāo)：

a.設(shè)置一定規(guī)模的滯洪區(qū)(人工湖)、整治區(qū)內(nèi)排洪渠，以提高規(guī)劃區(qū)滯洪能力和排洪能力，同時(shí)改造、重建排澇(納潮)閘提高規(guī)劃區(qū)排澇能力。

b.通過河道整治、護(hù)砌，確保河岸穩(wěn)定，美化城區(qū)河道，改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。

c.滯洪區(qū)可調(diào)蓄該區(qū)域洪水，對(duì)防洪排澇發(fā)揮著重要作用；同時(shí)，為提升區(qū)域水環(huán)境，結(jié)合市政規(guī)劃和城市景觀水體建設(shè)，將滯洪區(qū)打造成集休閑、娛樂、觀光于一體的水上公園(人工湖)，為區(qū)域增添一道靚麗的景觀。

3 水文水利計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

為分析規(guī)劃區(qū)設(shè)計(jì)洪水，需分析北江圍墾片全流域設(shè)計(jì)洪水。北江圍墾片全流域面積為14.2km2，為沿海山區(qū)性小河流，內(nèi)無實(shí)測流量資料，故采用暴雨推求設(shè)計(jì)洪水法推求流域內(nèi)設(shè)計(jì)洪水。

采用暴雨推求設(shè)計(jì)洪水法，首先求得規(guī)劃區(qū)暴雨參數(shù)成果，再應(yīng)用暴雨參數(shù)成果，通過推理公式法、華東特小流域暴雨推求洪水法計(jì)算，經(jīng)比較后合理選用。

3.1.1 設(shè)計(jì)暴雨推求

北江圍墾片附近有忠門雨量站，短歷時(shí)暴雨觀測資料不足20年，資料系列較短，無法滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本次規(guī)劃區(qū)設(shè)計(jì)暴雨根據(jù)福建省水文水資源勘測局編制的《福建省暴雨等值線圖集》查算，年最大24h暴雨均值可通過等值線圖查得，年最大24h暴雨Cv值也可通過Cv等值線圖查得。推算出規(guī)劃區(qū)設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果(見表1)。

表1 規(guī)劃區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果

3.1.2 設(shè)計(jì)洪水成果計(jì)算

應(yīng)用暴雨參數(shù)成果，通過推理公式法、華東特小流域暴雨推求洪水法計(jì)算，經(jīng)比較后合理選用。

經(jīng)過計(jì)算可知，規(guī)劃區(qū)各流域塊采用華東特小流域暴雨推求洪水法計(jì)算的洪水成果較推理公式法略大。由于推理公式法較為適合面積大于10km2的小流域塊，而規(guī)劃區(qū)全流域面積為14.2km2，故規(guī)劃區(qū)全流域采用推理公式法計(jì)算洪水成果，其他排洪渠則采用洪水成果較大的華東特小流域暴雨推求洪水法計(jì)算成果。具體見表2。

表2 各控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果

3.2 設(shè)計(jì)潮位計(jì)算

規(guī)劃區(qū)位于平海灣，灣內(nèi)有前沁潮位站，為長期觀測潮位站，本次收集到前沁潮位站1955—2004年系列年最高潮位。前沁潮位站位于海岸地區(qū)，水位不受洪水影響，宜采用極值Ⅰ型分布進(jìn)行頻率分析計(jì)算。計(jì)算前的沁潮位站各頻率年最高潮位成果見表3。

表3 前沁潮位站年最高潮位成果

4 防洪防潮排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.1 規(guī)劃方案擬定

規(guī)劃區(qū)主要以海堤抵御外海設(shè)計(jì)高潮位，保護(hù)忠門北江圍墾片規(guī)劃區(qū)內(nèi)安全。規(guī)劃區(qū)防洪排澇工程應(yīng)在水文分析成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)劃區(qū)的地面控制高程，采用“滯、疏、排”等綜合措施，提高規(guī)劃區(qū)的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，以滿足設(shè)計(jì)要求。即首先結(jié)合規(guī)劃區(qū)場地平整，合理確定各片區(qū)的地面控制高程，并利用鄰海低洼地形開辟相應(yīng)規(guī)模的滯洪區(qū)；再通過整治新建排洪渠系，疏導(dǎo)規(guī)劃區(qū)洪水匯入滯洪區(qū)，最終利用防潮海堤的排澇閘，就近將滯洪區(qū)內(nèi)洪水外排入海。

該區(qū)具體擬定的規(guī)劃方案工程布置見表4。

表4 防洪排澇規(guī)劃方案工程布置成果

4.2 防洪排澇演算

4.2.1 計(jì)算原則

蓄澇計(jì)算的上邊界條件為上游洪水入滯洪區(qū)，下邊界條件為排澇閘外海潮位。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水過程線、設(shè)計(jì)潮型過程線、庫容曲線，按水量平衡原理進(jìn)行調(diào)洪演算。基本原則為：區(qū)內(nèi)水位高于外海潮位時(shí)開閘泄洪，反之關(guān)閘擋潮。

4.2.2 基礎(chǔ)資料

a.設(shè)計(jì)洪水過程采用前面計(jì)算成果。

b.外海潮位過程采用前面計(jì)算的前沁潮位站設(shè)計(jì)潮位成果。

c.滯洪區(qū)面積。由于地形限制，按規(guī)劃區(qū)布置滯洪區(qū)1340畝，同時(shí)規(guī)劃區(qū)生態(tài)廊道及排洪渠可適當(dāng)兼有滯洪作用考慮。

4.2.3 計(jì)算成果

4.2.3.1 洪潮遭遇組合分析

洪潮遭遇采用以下遭遇組合：組合一，30年一遇洪水遭遇外海多年平均潮位過程；組合二，2年一遇洪水過程遭遇外海30年一遇設(shè)計(jì)潮位過程。蓄澇水位取兩種遭遇組合中的上包線。

同時(shí)，為分析高潮位和洪峰錯(cuò)時(shí)段遭遇的影響，分別按高潮位與洪峰正碰遭遇、滯后1h遭遇、滯后2h遭遇、滯后3h遭遇計(jì)算，以分析最不利工況。

由現(xiàn)狀與規(guī)劃(推薦方案)水平年蓄澇演算計(jì)算成果匯總對(duì)比可知，P=3.33%設(shè)計(jì)洪水過程與平均高潮位過程遭遇(組合一)，且高潮位滯后2h的組合方案為最不利工況。

4.2.3.2 排洪渠設(shè)計(jì)渠寬比選

為考慮生態(tài)廊道及排洪渠不同設(shè)計(jì)渠寬對(duì)滯洪區(qū)容積的影響，分析不同渠寬設(shè)計(jì)時(shí)滯洪演算成果(均采用組合一計(jì)算)。維持滯洪區(qū)1340畝不變，擬定不同方案設(shè)計(jì)渠寬進(jìn)行滯洪演算，對(duì)各方案滯洪演算計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析。

通過對(duì)比可知，以設(shè)計(jì)洪水過程與平均高潮位過程不利組合遭遇(組合一)及高潮位滯后2h的組合方案計(jì)算，三個(gè)方案設(shè)計(jì)渠寬對(duì)應(yīng)的最高蓄澇水位分別為2.41m、2.29m、2.20m。則滯洪區(qū)布置1340畝，若生態(tài)廊道及排洪渠按方案一渠寬設(shè)計(jì)，規(guī)劃區(qū)最高蓄澇水位已達(dá)2.41m，再以此水位向上推求水面線，排洪渠上游及二級(jí)引渠上游水位將超過2.60m，則按方案一的渠寬設(shè)計(jì)無法滿足規(guī)劃要求。若按方案三渠寬設(shè)計(jì)，規(guī)劃區(qū)蓄澇水位減小雖不明顯，但相應(yīng)對(duì)規(guī)劃區(qū)用地占用也將增加，可見滯洪區(qū)及規(guī)劃渠寬并無進(jìn)一步加大必要。

綜合考慮，確定生態(tài)廊道渠寬按75m設(shè)計(jì)，規(guī)劃區(qū)最高蓄澇水位為2.29m，可以滿足規(guī)劃區(qū)防洪排澇要求。

4.2.3.3 排澇設(shè)計(jì)起調(diào)水位比選

為進(jìn)一步分析起調(diào)水位合理性，以設(shè)計(jì)洪水過程與平均高潮位過程不利組合遭遇(組合一)及高潮位滯后2h的組合方案及推薦滯洪區(qū)及排洪渠布置方案(生態(tài)廊道設(shè)計(jì)渠寬75m)，擬定不同起調(diào)水位進(jìn)行計(jì)算，可得出不同起調(diào)水位滯洪演算成果。通過對(duì)比可知，若起調(diào)水位分別按1.0m、0.5m進(jìn)行滯洪演算，則由于排洪不及時(shí)，遇30年一遇洪水區(qū)內(nèi)最高蓄澇水位分別高達(dá)2.94m、2.76m，顯然無法滿足規(guī)劃防洪要求。而起調(diào)水位進(jìn)一步降低為-0.5m時(shí)，區(qū)內(nèi)最高蓄澇水位仍為2.25m，較0m起調(diào)時(shí)的最高蓄澇數(shù)位2.29m降低趨勢有限。分析其演算過程可知，雖然起調(diào)水位擬定較低，但是當(dāng)洪水到來時(shí)，外海水位較高，排澇閘排澇機(jī)會(huì)并不大，區(qū)內(nèi)水位仍然處于持續(xù)上升的過程，僅當(dāng)外海潮位消落，低于區(qū)內(nèi)水位時(shí)，可以開啟排澇閘排洪，區(qū)內(nèi)水位得以回落?？梢娦顫逞菟闫鹫{(diào)水位并無繼續(xù)降低必要。

且根據(jù)現(xiàn)狀運(yùn)行情況調(diào)查，為維持規(guī)劃區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田及魚塘的基本用水需求，規(guī)劃區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀正常運(yùn)行水位基本維持在0m，故綜合防洪安全，以及水生態(tài)、水景觀等綜合要求，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，推薦區(qū)內(nèi)正常運(yùn)行水位及排洪控制起調(diào)水位為0m。

故綜合以上分析，可得規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀水平年最高蓄澇水位為1.38m，規(guī)劃水平年最高蓄澇水位為2.29m。

4.3 水面線計(jì)算

4.3.1 計(jì)算原理

水面線計(jì)算主要根據(jù)伯努利方程。

4.3.2 基礎(chǔ)資料

a.設(shè)計(jì)流量。生態(tài)廊道及排洪渠設(shè)計(jì)流量，依據(jù)前面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果。

b.起始水位。生態(tài)廊道及排洪渠以滯洪區(qū)蓄澇演算最高水位作為起始水位，向上游推算水面線。

c.糙率。參考同類工程及《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》的糙率表，取0.030。

d.設(shè)計(jì)斷面。根據(jù)前述規(guī)劃方案，結(jié)合滯洪區(qū)布置，生態(tài)廊道及排洪渠設(shè)計(jì)渠寬分別擬定三個(gè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選。為進(jìn)一步分析不同設(shè)計(jì)渠寬對(duì)渠道上游水位的影響，以三個(gè)方案計(jì)算的滯洪區(qū)最高蓄澇水位為渠道起始水位，分別對(duì)生態(tài)廊道及港渠的設(shè)計(jì)水位進(jìn)行推算。

4.3.3 計(jì)算成果

對(duì)生態(tài)廊道及排洪渠不同方案進(jìn)行綜合分析，得出本次推薦設(shè)計(jì)渠寬(見表5)。

表5 推薦設(shè)計(jì)渠寬成果

4.3.4 特征水位

規(guī)劃區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，規(guī)劃水平年最高蓄澇水位為2.29m。根據(jù)分析計(jì)算，可得出各排洪渠30年一遇防洪設(shè)計(jì)水位成果。

規(guī)劃區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，為分析規(guī)劃區(qū)排澇控制水位，根據(jù)滯洪區(qū)蓄澇演算，以20年一遇設(shè)計(jì)洪水過程與平均高潮位過程不利組合遭遇(組合一)、高潮位滯后2h的組合方案及推薦滯洪區(qū)和推薦排洪渠布置方案進(jìn)行蓄澇演算，得到規(guī)劃區(qū)20年一遇最高蓄澇水位為1.98m。按分析的各排洪渠推薦設(shè)計(jì)規(guī)模，以此水位向上推求各排洪渠水面線，得到各排洪渠沿程20年一遇排澇控制水位成果。

4.4 工程方案及布置

4.4.1 滯洪區(qū)

根據(jù)該片區(qū)原防洪排澇規(guī)劃，規(guī)劃水平年設(shè)1340畝(凈面積)的滯洪區(qū)。

滯洪區(qū)底高程-2.0m，邊坡1∶4，滯洪區(qū)護(hù)岸采用漿砌石護(hù)砌。滯洪區(qū)布置東以風(fēng)力發(fā)電基座為界，西以規(guī)劃道路為界，南、北以自然高地及現(xiàn)有道路控制線為界(滯洪區(qū)周邊預(yù)留涉水景觀綠化用地)。

4.4.2 生態(tài)廊道

生態(tài)廊道全長1.4km，起始斷面底高程接滯洪區(qū)，為-2.0m，采用復(fù)式梯形斷面(規(guī)劃道路跨渠橋梁橋下斷面控制寬度30m)，兩岸可以采用生態(tài)護(hù)坡。

4.4.3 排洪渠

本次布置排洪渠5條，總長5.34km。

1號(hào)排洪渠規(guī)劃渠線沿現(xiàn)狀自然高地邊線布置(南部自然高地高程8.0m左右)，排向滯洪區(qū)，渠道長度890m，規(guī)劃渠寬25m；設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)為2.29～2.33m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.56m，設(shè)計(jì)斷面為矩形漿砌石明渠斷面。

2號(hào)排洪渠規(guī)劃渠線沿規(guī)劃道路綠化帶邊線布置，排向滯洪區(qū)，渠道長度1200m，規(guī)劃渠寬15m，設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)為2.29～2.34m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.4m，設(shè)計(jì)斷面為矩形漿砌石明渠斷面。

3號(hào)排洪渠規(guī)劃渠線沿規(guī)劃道路綠化帶邊線布置，位于樂嶼新城南部，排向滯洪區(qū)，渠道長度1600m，規(guī)劃渠寬10m，設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)為2.29～2.36m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.20m，設(shè)計(jì)斷面為矩形漿砌石明渠斷面。

4號(hào)排洪渠規(guī)劃渠線沿規(guī)劃道路綠化帶邊線布置，位于樂嶼新城北部，排向滯洪區(qū)，渠道長度1230m，規(guī)劃渠寬15m，設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)為2.29～2.33m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.39m，設(shè)計(jì)斷面為矩形漿砌石明渠斷面。

5號(hào)排洪渠規(guī)劃渠線沿規(guī)劃道路綠化帶邊線布置，排向滯洪區(qū)，渠道長度420m，規(guī)劃渠寬10m，設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)為2.29～2.32m，渠道坡降i=1/2000，渠底高程-2.0～-1.79m，設(shè)計(jì)斷面為矩形漿砌石明渠斷面。

渠岸岸頂高程按設(shè)計(jì)洪水位加上波浪爬高、風(fēng)壅水面高度和安全加高值確定。參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)規(guī)定，3級(jí)建筑物允許越浪的安全加高值為0.4m。波浪爬高與風(fēng)壅增高值與計(jì)算風(fēng)速、堤前水深、有效吹程和迎水面堤坡等因素有關(guān)，經(jīng)計(jì)算該工程渠岸頂超高值為0.6m。

4.4.4 排澇閘

北江圍墾海堤已有利山排澇閘和后坑納潮閘。經(jīng)分析計(jì)算，為滿足北江圍墾排澇需要，排澇(納潮)閘改造重建維持原規(guī)模，即利山排澇閘1座3孔，閘孔大小3m×4.25m，底板高程-2.74m；后坑納潮閘1座3孔，閘孔大小3m×3.04m，底板高程-0.65m(見下圖)。

規(guī)劃工程總平面布置圖

5 非工程措施規(guī)劃

非工程措施是現(xiàn)代防洪治澇減災(zāi)體系中不可缺少的重要組成部分，無論建設(shè)什么樣的防洪工程設(shè)施，不可預(yù)見因素和超標(biāo)準(zhǔn)洪水的危除性總是存在的。工程措施防洪是改造自然，非工程措施防洪是順應(yīng)洪水的自然特性采用其他措施減少損失。如果完全采取工程措施提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，不僅難度大、周期長、投資大，而且存在一定的限制，經(jīng)濟(jì)上也不一定合理。因此防洪不能完全依靠工程措施建設(shè)，還必須加強(qiáng)非工程措施配套建設(shè)。

6 結(jié) 論

a.該規(guī)劃區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，排澇標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計(jì)，防潮標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇外海潮位。

b.在充分考慮現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)查、分析與計(jì)算，提出的防洪排洪標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)措施，規(guī)劃方案可行，可以基本解決規(guī)劃區(qū)的防洪、排澇、防潮問題。

c.如果地方財(cái)力有限，可根據(jù)工程重要性分階段實(shí)施，先實(shí)施比較重要的閘河道工程，規(guī)劃具有良好的彈性。