武漢市新洲區(qū)漲渡湖流域防洪排澇規(guī)劃方案擬定

閆偉偉，何德舜，廖文俊

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

漲渡湖流域位于武漢市新洲區(qū)南部，東抵舉水河西堤，與黃岡市團(tuán)風(fēng)縣隔河相望，西接倒水東堤，南依長江堵龍干堤，北鄰新洲區(qū)汪集街，因“漲水為渡、落水為湖”而得名。流域河湖密布，水系復(fù)雜，水利工程眾多，確定合理的防洪排澇規(guī)劃方案是保障該區(qū)域防洪安全[1-4]的重點(diǎn)。

漲渡湖承接舉、倒二水下游區(qū)間524 km2的來水，漲渡湖主港以上流域面積為344 km2，可分為西港、東港，中間有水系經(jīng)兌公咀湖、安仁湖和三寶湖與主港相連。漲渡湖主港以下流域面積為180 km2，其中漲渡湖主湖區(qū)面積為40 km2，漲渡湖主湖西部和南部面積為90 km2(包括陶家大 湖、七湖)，漲渡湖主湖東部面積為50 km2。

漲渡湖區(qū)主要排水泵站為沐家涇一泵站(設(shè)計(jì)排水流量47 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)、沐家涇二泵站(設(shè)計(jì)排水流量47 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)和蔑扎湖泵站(設(shè)計(jì)排水流量50 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量6 000 kW)等3座泵站，主要功能是將漲渡湖區(qū)的沐家涇主港、西港和東港的澇水在外河高水位時(shí)排至舉水和倒水，再由舉、倒二水排至長江，總排水流量144 m3/s，總裝機(jī)1.8 萬kW。

根據(jù)已批復(fù)的《武漢市新洲區(qū)漲渡湖、柴泊湖水利綜合治理規(guī)劃》：漲渡湖整體防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，漲渡湖排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇15 d暴雨控制漲渡湖最高水位不超過20.5 m[5]。

1 湖泊調(diào)蓄演算模型及方法

考慮到漲渡湖流域水系的復(fù)雜性，本次擬采用明渠非恒定流圣維南偏微分方程組來模擬河道水位流量過程[6]；節(jié)制閘、分水閘、無支流的集中入流等作為內(nèi)邊界條件；外排閘站、上下游入出流、已知流量或水位等作為外邊界條件；湖泊作為蓄水汊點(diǎn)處理，而河渠交界作為不蓄水汊點(diǎn)處理；對可分洪內(nèi)垸或分蓄洪區(qū)，啟用狀態(tài)下處理成堰流內(nèi)邊界，不啟用狀態(tài)下為流量已知的外邊界條件。采用隱式差分法將圣維南方程組、邊界條件方程和汊點(diǎn)方程離散成線性方程組，并采用牛頓迭代及高斯列主元消去法求解該方程組，從而得到各計(jì)算斷面的水位和流量過程。

1.1 河網(wǎng)概化及斷面劃分

依據(jù)流域河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)、常規(guī)水流走向、現(xiàn)有流域內(nèi)水利工程布局等因素，構(gòu)建流域河網(wǎng)現(xiàn)狀概化圖，同時(shí)可根據(jù)流域防洪除澇存在的問題，在提出規(guī)劃工程的基礎(chǔ)上構(gòu)建河網(wǎng)規(guī)劃概化圖，據(jù)此可求出流域內(nèi)不同工況的各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)。河網(wǎng)概化和斷面劃分見圖1。

圖1 漲渡湖排澇系統(tǒng)概化圖Fig.1 Sketch of Zhangdu Lake drainage system

由圖1可見主控閘站、調(diào)蓄湖泊、河渠分布等。倒水和舉水上游概化渠共計(jì)24 km2來水通過上游閘站排入倒水和舉水，該部分來水不參與洪水分析，實(shí)際參與洪水分析的共計(jì)500 km2區(qū)域。

沐家涇一、二泵站由于距離較近，將其概化成1座泵站，流量按兩者之和計(jì)；漲北1號、2號調(diào)洪閘由于距離較近，功能相似，將其概化成1座水閘，流量按兩者之和計(jì)，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，概化處理對計(jì)算結(jié)果影響很小。主港西北側(cè)、漲渡湖西北側(cè)和西南側(cè)有排澇泵站，將其概化成點(diǎn)源入流；主港東部南北側(cè)有多座排澇泵站，將其概化成線源入流，漲渡湖主湖自身40 km2來水概化成線源入流。

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

模型模擬前必須確定模擬時(shí)刻前一時(shí)刻各斷面的水位和流量以便實(shí)現(xiàn)遞推計(jì)算，因此，初始時(shí)刻各斷面的水位和流量須事先賦值。本規(guī)劃假設(shè)初始時(shí)刻河網(wǎng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，各斷面流量接近于0，水位為規(guī)劃起排水位。

1.2.2 邊界條件

本次排澇系統(tǒng)入流開邊界為東港、西港、概化中港和概化陶七港上游端。根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)分析，本次采用典型年設(shè)計(jì)雨洪過程[7]，期間由于外江(河)水位均高于內(nèi)河水位，沐家涇閘和漲渡湖閘均呈關(guān)閉狀態(tài)，因此排水途徑僅考慮泵站外排。閉邊界為主港和蔑扎湖泵站渠末端，若考慮于挖溝港增加外排泵站時(shí)，則閉邊界增設(shè)1處，為挖溝港末端。

2 防洪排澇調(diào)度方案

漲渡湖起排水位為19.0 m，最高控制水位為20.5 m。

漲渡湖流域防洪排澇體系采取分區(qū)提排、聯(lián)合自排、湖泊滯洪、靈活調(diào)度，先確保城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)安全，再搶排農(nóng)田漬水，最后排除湖泊澇水，盡量減少洪澇災(zāi)害損失。

漲渡湖區(qū)外排站主要為蔑扎湖泵站和沐家涇一、二泵站。蔑扎湖泵站設(shè)計(jì)排澇流量50 m3/s，沐家涇一、二泵站設(shè)計(jì)排澇流量均為47 m3/s。蔑扎湖泵站主要排除西港及主港西部流域約150 km2澇水，沐家涇一、二泵站排除東港流域、主港中東部(包括兌公咀湖、安仁湖和三寶湖)及漲渡湖主湖東部約244 km2澇水。漲渡湖主湖及西部、南部共130 km2澇水入漲渡湖后經(jīng)調(diào)洪閘進(jìn)入主港，主要由沐家涇一、二泵站予以排除。

在來水流量小于144 m3/s時(shí)，來多少抽多少，控制漲渡湖和主港水位維持在起排水位19.0 m，來水流量大于144 m3/s時(shí)，泵站滿開全力抽排。

3 湖泊現(xiàn)狀防洪能力分析

基于現(xiàn)狀工況，分析漲渡湖的現(xiàn)狀防洪能力?，F(xiàn)狀工況指：

(1)所有閘站的過流能力均能達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

(2)入湖、入河洪水采用現(xiàn)狀下墊面條件下的洪水過程。

(3)湖容曲線按現(xiàn)狀考慮。

現(xiàn)狀工況下，利用河網(wǎng)水力學(xué)模型分別對漲渡湖10年一遇、20年一遇、50年一遇設(shè)計(jì)洪水過程進(jìn)行防洪調(diào)度模擬演算，得到河網(wǎng)各斷面水位流量過程[8,9]。

根據(jù)，現(xiàn)狀工況下漲渡湖10年一遇最高洪水位為20.48 m，20年一遇最高洪水位為20.83 m，50年一遇最高洪水位為21.05 m。

漲渡湖堤防現(xiàn)狀堤頂高程超過21.5 m，若考慮1.0 m的超高，可以防御10年一遇洪水，這說明漲渡湖現(xiàn)狀防洪能力不高。

去掉百分比≤5%的證候要素，最終共得到19個證候要素：病位類：肝、心、脾、肺、腎、胃、腦神、膽，病性類：痰濁、氣滯、氣逆、氣虛、血瘀、血虛、血熱、陰虛、陽虛、陽亢、津虧，具體出現(xiàn)頻數(shù)及所占百分比見表1。

4 規(guī)劃方案擬定

4.1 方案設(shè)置考慮因素

根據(jù)湖泊及所屬流域的水系及水利工程情況，可采取如下3個方面的工程措施來提高湖泊防洪能力：

(1)增加調(diào)蓄能力。退漁(田)還湖；設(shè)置分洪內(nèi)垸。由于湖泊保證水位難以提高，所以未考慮提高保證水位增加調(diào)蓄能力的情況。

(2)增加外排能力?，F(xiàn)有泵站增容；新建外排泵站；湖區(qū)港渠整治；河道上阻水建筑物改造。

(3)高水高排。疏通上游港渠，將上游澇水直接由上游泵站排入倒水和舉水，泵站可擴(kuò)建或新建，減小下游澇水量。

4.2 方案產(chǎn)生原則

結(jié)合漲渡湖流域?qū)嶋H情況，對20年一遇的洪水，規(guī)劃的原則是：盡量維持現(xiàn)有蓄泄格局，首先考慮排水干渠疏挖、阻水建筑物改造、閘站更新改造等措施，充分發(fā)揮湖泊蓄澇能力和閘站外排能力；若現(xiàn)有蓄泄格局不足以統(tǒng)籌解決20年一遇洪水，則優(yōu)先考慮退漁(田)還湖和分洪方案，其次考慮泵站增容方案[10-15]。

4.3 退漁(田)還湖、分洪垸設(shè)置可行性分析

退漁還湖包括漲渡湖、陶家大湖、七湖、兌公咀湖、安仁湖和三寶湖等6座湖泊。由于武漢市各湖泊均已確定湖泊“三線”，本次主要針對上述6座湖泊藍(lán)線內(nèi)的現(xiàn)有魚塘進(jìn)行退漁還湖。

本次對上述6座湖泊藍(lán)線內(nèi)的調(diào)蓄容積(常年蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位之間的湖容)按退漁還湖前、后進(jìn)行復(fù)核，6座湖泊調(diào)蓄容積退漁還湖后較現(xiàn)狀增加了408 萬m3，實(shí)際上增加的湖泊調(diào)蓄容積遠(yuǎn)較湖區(qū)20年一遇15 d雨洪量要小，對區(qū)域雨洪的調(diào)蓄作用不明顯，主要原因是設(shè)計(jì)洪水位情況下，湖泊藍(lán)線內(nèi)許多魚塘被淹，實(shí)際上已經(jīng)算作了現(xiàn)狀調(diào)蓄容積。

漲渡湖周邊區(qū)域的用地已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃，漲渡湖藍(lán)線外設(shè)置分洪垸的想法已經(jīng)不具備可行性。

4.4 調(diào)蓄演算方案組合

(1)增加調(diào)蓄能力。本次規(guī)劃僅考慮退漁還湖，設(shè)置分洪內(nèi)垸不具備可行性。

(2)增加外排能力。漲渡湖流域排水干渠體系較為完善，但二級排水港渠淤積阻水嚴(yán)重，需進(jìn)行整治，港渠上阻水建筑物進(jìn)行需配套改造。現(xiàn)有外排泵站增容或新建外排泵站通過比選確定。

目前，漲渡湖閘除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行前期工作，蔑扎湖泵站和沐家涇一、二泵站已進(jìn)行過更新改造。漲渡湖閘和沐家涇閘聯(lián)合自排能力達(dá)到540 m3/s，歷史數(shù)據(jù)和分析計(jì)算表明，該自排流量可以滿足漲渡湖流域排澇期自排需求。漲渡湖流域較大澇災(zāi)一般發(fā)生在外江水位高于內(nèi)湖水位時(shí)期，受外排泵站排澇能力不足影響，連續(xù)大暴雨導(dǎo)致湖水位持續(xù)走高而成災(zāi)。因此，本次增加外排能力的思路是增加提排流量。

增加提排流量就現(xiàn)有排水系統(tǒng)情況來看(必須要有一級排水港渠)，有4種方案可以比選：蔑扎湖泵站增容改造(與主港相連)；沐家涇泵站增容改造(與主港相連)；新建挖溝泵站(現(xiàn)有挖溝港)；于倒水東堤陶家大湖處新建泵站(現(xiàn)有陶家大湖—七湖—漲渡湖連通渠)。

若于倒水東堤陶家大湖處新建泵站，水流走向?yàn)闈q渡湖--七湖--陶家大湖?，F(xiàn)狀雖有排水港渠，但陶家大湖--七湖--漲渡湖輸水渠斷面較小，過流能力不足，且實(shí)際地形為西高東低，需對輸水渠道進(jìn)行擴(kuò)挖改造，涉及大量的占地，工程量較大。加之陶家大湖和七湖湖床相對較高，同時(shí)也需要對上述兩湖進(jìn)行湖底清淤和湖盆改造，工程投資將會明顯增加。因此該方案可予以淘汰。

(3)高水高排。漲渡湖上游區(qū)澇水較為分散，現(xiàn)狀無排水干渠將澇水集中，若考慮高水高排，將上游澇水撇除，則需開挖較長的排水干渠，配套較大的排水泵站，工程量過大，本次不予考慮。

綜上所述，由于本次擬進(jìn)行退漁還湖、湖區(qū)港渠整治、阻水建筑物改造，上述為調(diào)蓄演算方案組合中的必選項(xiàng)，比選項(xiàng)為：不增加提排能力；蔑扎湖泵站增容改造；沐家涇泵站增容改造；新建挖溝泵站。

表1 湖泊防洪規(guī)劃方案組合Tab.1 Combination of flood control planning schemes for lakes

4.5 方案比選

對表1中各方案分別進(jìn)行洪水演算，方案2～4需要假定增加的提排流量，當(dāng)漲渡湖最高水位正好為20.5 m時(shí)，可認(rèn)為該提排流量比較合適。

規(guī)劃方案防洪調(diào)度模擬成果見表2。

表2 規(guī)劃方案防洪調(diào)度模擬成果(P=5%)Tab.2 Scheduling simulation results of flood control plan (P=5%)

由表2可知，方案1較現(xiàn)狀(20.85 m)將漲渡湖最高水位降低了0.07 m，究其原因，排水干渠現(xiàn)狀過流能力基本滿足要求，疏挖排水港渠不能明顯增加提排能力，阻水建筑物主要集中在陶家大湖--七湖--漲渡湖連通渠，對其進(jìn)行改造可以適當(dāng)降低連通渠水位，但對漲渡湖水位影響較小。退漁還湖可以適當(dāng)增加調(diào)蓄容積，但由于增加的湖容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于來水量，所以最高水位降低幅度有限。方案1在不增加提排能力的情況下，不能將漲渡湖最高水位控制在20.5m，不滿足設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)要求。

方案2～4在增加外排流量的情況下，水位均有降低，以方案4降低幅度最大，方案2與方案3相差不大。方案4在增加60 m3/s的情況下，可以將漲渡湖最高水位控制在20.5 m，方案2和方案3在增加80 m3/s的情況下，也不能將漲渡湖最高水位控制在20.5 m。

本次對方案2～4進(jìn)行詳細(xì)比選：

(1)方案2。蔑扎湖泵站位于倒水東堤26+000處，承泄區(qū)為倒水下游，汛期為長江回水區(qū)。蔑扎湖泵站引水渠長2.8 km，接西港下游，底寬32 m，渠底高程15～16 m，縱坡1∶3 000，邊坡1∶2，渠頂高程22 m，設(shè)計(jì)流量164 m3/s。蔑扎湖泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位為16.5 m，漲渡湖排澇期設(shè)計(jì)水位為19.5 m，水位差為3 m。根據(jù)排澇期外江水位觀測資料，長江龍口閘處排澇期平均水位較長江漲渡湖閘處高出接近0.5 m，若擴(kuò)建蔑扎湖泵站，則所需設(shè)計(jì)揚(yáng)程較漲渡湖閘處高出3.5 m，且根據(jù)防洪調(diào)度模擬，增加流量需達(dá)到100 m3/s左右才能滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，從建設(shè)和運(yùn)行成本來說，方案2運(yùn)行費(fèi)用較高。

另外，若擴(kuò)建蔑扎湖泵站，漲渡湖主湖區(qū)130 km2澇水需經(jīng)由漲渡湖北部調(diào)洪閘進(jìn)入主港，經(jīng)主港往西由西港進(jìn)入蔑扎湖泵站引水渠，從調(diào)洪閘至蔑扎湖泵站距離在8 km以上，排澇流程長，影響漲渡湖主湖澇水出流速度。最主要的是，無法實(shí)現(xiàn)分區(qū)提排的目標(biāo)，漲渡湖主湖澇水實(shí)際上仍通過東西兩線的舉、倒二水排入長江。因此，方案2技術(shù)上不盡合理。

(2)方案3。沐家涇一泵站位于舉水長江口上游約8.7 km處，沐家涇閘南100 m處，一泵站引水渠與主港相接，長約550 m，設(shè)計(jì)流量54 m3/s。沐家涇二泵站位于一泵站以南500 m處，二泵站引水渠與主港相接，長1 990 m，港底高程16 m，邊坡坡比1∶2.5，底寬30 m，設(shè)計(jì)流量54 m3/s?，F(xiàn)有一、二泵站引水渠設(shè)計(jì)流量略大于沐家涇一、二泵站設(shè)計(jì)流量之和(均為94 m3/s)，若擴(kuò)建沐家涇泵站，需擴(kuò)挖或新建引水渠。沐家涇一、二泵站內(nèi)湖設(shè)計(jì)水位19.4 m，漲渡湖排澇期設(shè)計(jì)水位為19.5 m，根據(jù)排澇期外江(河)水位觀測資料，長江沐家涇閘處排澇期平均水位較長江漲渡湖閘處低0.06 m，從提排揚(yáng)程上看，沐家涇與挖溝兩處選址差別很小。但根據(jù)防洪排澇演算模擬，增加流量需達(dá)到90 m3/s左右才能滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，從建設(shè)和運(yùn)行成本來說，方案3運(yùn)行費(fèi)用較高。

另外，若于沐家涇擴(kuò)建泵站，與方案2一樣，排澇流程長，無法實(shí)現(xiàn)分區(qū)提排的目標(biāo)，技術(shù)上不盡合理。

(3)方案4。若于挖溝處新建外排泵站，現(xiàn)有挖溝港直接連通漲渡湖至漲渡湖閘，全長1.5 km，設(shè)計(jì)流量240 m3/s，漲渡湖澇水可經(jīng)由最短途徑(相較其他方案)直接排入長江，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)分區(qū)排水的目標(biāo)，防洪排澇調(diào)度上更為靈活，技術(shù)上更為合理。泵站設(shè)計(jì)流量為60 m3/s時(shí)，即可滿足設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，且提水揚(yáng)程相對較低，有現(xiàn)成引水渠可資利用，設(shè)計(jì)引水流量滿足提排要求，經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)。

挖溝泵站所在的挖溝港東側(cè)和西側(cè)分別有30 km2和28 km2的澇水通過匯水渠進(jìn)入挖溝港，抽排期上述58 km2的澇水通過挖溝港匯入漲渡湖。若挖溝泵站建成后，上述澇水可通過泵站直排，無需進(jìn)入漲渡湖調(diào)蓄，且七湖以上50 km2的澇水還可以通過擴(kuò)挖渠道進(jìn)入挖溝港后由挖溝泵站直排，實(shí)現(xiàn)先排田、后排湖。

挖溝港西側(cè)有雙柳街辦、武漢新港古龍港口產(chǎn)業(yè)園和武漢國家航天產(chǎn)業(yè)基地，挖溝泵站建成后，通過渠道疏挖和節(jié)制閘改造等配套設(shè)施，可對上述重要保護(hù)對象實(shí)現(xiàn)直排。若后期進(jìn)一步完成工程配套措施，可以實(shí)現(xiàn)對陶家大湖和七湖區(qū)域的直排，保護(hù)范圍內(nèi)包含華中影視城等大型產(chǎn)業(yè)基地，總直排面積可達(dá)到108 km2，可覆蓋整個漲渡湖南部地區(qū)，從而結(jié)束依靠漲渡湖以北區(qū)域泵站先排湖、再排田的不利局面。

綜上所述，推薦方案4作為漲渡湖流域防洪工程規(guī)劃推薦方案，即湖堤加高加固、退漁還湖、湖區(qū)港渠整治、阻水建筑物改造、新建挖溝泵站(設(shè)計(jì)流量60 m3/s)。

5 結(jié) 語

漲渡湖流域河湖密布，水系復(fù)雜，水利工程眾多。如何合理地確定防洪排澇規(guī)劃方案是一個值得研究的課題，筆者通過建立湖泊調(diào)蓄演算模型，進(jìn)行湖泊調(diào)蓄演算，提出了經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的防洪排澇規(guī)劃方案，推薦方案包括新建挖溝排澇泵站(設(shè)計(jì)排澇流量60 m3/s)。

該設(shè)計(jì)方案已通過專家評審并獲得相關(guān)部門批復(fù)，可為類似平原水網(wǎng)地區(qū)的防洪排澇工程規(guī)劃提供參考。

□