基于Mike11的舟山市岱東小流域排澇方案優(yōu)化研究

莊麗金，崔婷婷

(1.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310016；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

舟山群島位于中國長江口南側(cè)、杭州灣外緣的太平洋海域，是我國第一大群島，海洋資源豐富，但海島地區(qū)與大陸分離，除舟山本島外，其余多為面積較小的島嶼，加之島嶼本身地形的影響，島內(nèi)河流多為獨(dú)流入海，水系結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，梅雨、臺(tái)風(fēng)雨造成短歷時(shí)強(qiáng)降雨，易形成河道水位陡漲陡落，同時(shí)也易受潮位頂托形成澇水難排，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)澇頻發(fā)[1- 4]。隨著近年來國家對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的不斷強(qiáng)化，臨港產(chǎn)業(yè)快速集聚，城市化進(jìn)程推進(jìn)，島內(nèi)區(qū)域開發(fā)建設(shè)顯著改變了島內(nèi)水系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致河湖水系調(diào)蓄容積銳減、行洪能力減弱，從而加重了島內(nèi)洪澇災(zāi)害形勢[5- 6]。

本文針對(duì)岱山島東部平原智慧生態(tài)港城(雙峰新城)[7]區(qū)域，該項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域現(xiàn)狀為鹽田，地面高程多在1m以下，可用于澇水調(diào)蓄，新城建成后，地面高程將抬高到3m以上，對(duì)區(qū)域原有的洪澇調(diào)蓄格局影響顯著，暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大[8]，因此需要研究城市開發(fā)建設(shè)過程中如何科學(xué)規(guī)劃區(qū)域水域面積、閘站建設(shè)規(guī)模及閘站調(diào)度規(guī)則，使其能夠在滿足區(qū)域開發(fā)的基礎(chǔ)上同時(shí)保障區(qū)域排澇要求，以期為海島地區(qū)開發(fā)建設(shè)與區(qū)域防洪排澇相協(xié)調(diào)提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

舟山市是我國第一個(gè)以島立市的城市，城市河流具有典型的海島流域特征，流量小，受暴雨影響明顯，獨(dú)流入海等特點(diǎn)。岱山島是舟山群島第二大島，研究區(qū)岱東小流域位于岱山島東部，岱東小流域現(xiàn)狀水系圖如圖1所示，岱東小流域集雨面積20km2，流域三面環(huán)山，地勢西、北高東低，西北部為山區(qū)，東部為平原地區(qū)，主要以鹽田和養(yǎng)殖塘為主。岱東小流域現(xiàn)狀有出海口門共3座，北峰大閘(5m×2.8m)、北峰中閘(2m×2.8m)、北峰南閘(2m×2.8m)，無強(qiáng)排泵站。

雙峰新城規(guī)劃實(shí)施后岱東小流域水系如圖2所示，雙峰新城規(guī)劃在現(xiàn)有水系基礎(chǔ)上新開挖岱東橫河、雙峰西河、北峰河、板井潭河、中央河、南峰河、黃官泥岙河，并在岱東橫河增加了一處出?？陂T，為保證海堤閉合性，該出口處新建南峰閘(3m×3m)，建成后總閘寬34.2m，最終雙峰城將形成“五橫三縱”的骨干河網(wǎng)格局。如圖1—2所示。

圖1 岱東小流域水系圖

圖2 雙峰新城規(guī)劃水系圖

2 計(jì)算方法與方案

2.1 計(jì)算方法

雙峰新城水流條件較為復(fù)雜，且排水受潮位頂托影響，需要構(gòu)建水力學(xué)模型全面、真實(shí)地模擬洪水演進(jìn)過程。本次采用丹麥DHI研發(fā)的MIKE11軟件水動(dòng)力模塊(HD)建立研究區(qū)水動(dòng)力模型。模型計(jì)算原理如下：

模型采用為Saint-Venant方程組為控制方程，用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式求解Saint-Venant方程。

(1)

(2)

式中，B—水面寬；z—水位；Q—流量；q—旁側(cè)流量；v—斷面平均流速；g—重力加速度；F—過水?dāng)嗝婷娣e；K—單位過水?dāng)嗝婷娣e的流量模數(shù)。

2.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《舟山市群島新區(qū)治澇規(guī)劃》，雙峰新城的治澇標(biāo)準(zhǔn)確定為20年一遇。

2.3 模型概化

模型概化內(nèi)容包括現(xiàn)狀河道、規(guī)劃建設(shè)河道、閘泵等水利工程，模型概化結(jié)果如圖3所示。

圖3 一維模型概化圖

2.4 邊界條件

模型計(jì)算的上邊界條件為雙峰新城以上山區(qū)20年一遇設(shè)計(jì)洪水，雙峰新城區(qū)間入流采用岱東小流域20年一遇設(shè)計(jì)暴雨作為模型輸入條件。

下邊界條件為潮位過程，潮型選擇以影響該區(qū)域排澇的多年平均潮汐要素為控制，且要略高于該區(qū)域平均值的設(shè)計(jì)潮型。經(jīng)分析，選用2005年9月3—6日潮位過程作為平均偏不利設(shè)計(jì)潮型。為更好的進(jìn)行分析，根據(jù)岱東小流域產(chǎn)匯流及潮汐特征，洪潮遭遇采用錯(cuò)峰3～4h的組合。

2.5 計(jì)算方案

雙峰新城規(guī)劃中僅對(duì)河道平面進(jìn)行了布置，河道水面率則根據(jù)DB 33/T614—2016《浙江省河道建設(shè)規(guī)范》和GB 50513—2009《城市水系規(guī)劃規(guī)范》(2016年版)要求確定，“新建開發(fā)區(qū)(工業(yè)園區(qū))或城市新區(qū)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)時(shí)，應(yīng)先行或同步進(jìn)行河道布局。沒有圩區(qū)的河網(wǎng)地區(qū)規(guī)劃控制水面率應(yīng)達(dá)到8%以上”，因此雙峰新城水域面積應(yīng)保證水面率控制在8%以上。由于海島流域的特點(diǎn)，內(nèi)部洪澇水只有在低潮、平潮期才能自排，如遭遇外海潮位高漲，水閘的自排能力受制約，造成排澇可靠性不高、排水量不足，閘站建設(shè)是保障區(qū)域防洪排澇安全的需要?；谏鲜隹紤]，設(shè)置5種計(jì)算方案進(jìn)行分析，各計(jì)算方案見表1。

表1 計(jì)算方案

3 結(jié)果分析

3.1 不同水域面積對(duì)流域排澇的影響

方案一水面率為8%，方案二在方案一的基礎(chǔ)

上加大水域面積，水面率增大到10%。以北峰大閘閘前斷面為代表斷面，對(duì)比圖4中方案一和方案二北峰大閘的閘前設(shè)計(jì)水位過程線，方案一最高設(shè)計(jì)洪水位為2.45m，24h達(dá)到最高水位，方案二閘前最高水位為2.29m，25h達(dá)到最高水位。由此可知，水域面積加大可明顯降低河道水位，且可延遲峰現(xiàn)時(shí)間。

圖4 方案一、二水位過程線圖

3.2 強(qiáng)排泵站對(duì)流域排澇的影響

結(jié)合現(xiàn)場條件，方案三在方案一的基礎(chǔ)上在北峰大閘處新增10m3/s泵站，對(duì)比圖5中方案一和方案三北峰大閘的閘前設(shè)計(jì)水位過程線，方案一設(shè)計(jì)洪水位為2.45m，方案三新增強(qiáng)排泵站后，閘前最高水位降低為2.36m，水位整體有一定的降低，方案三水位隨時(shí)間變化過程與方案一基本一致。泵站在高潮位時(shí)可增大排澇流量，泵站規(guī)模增大對(duì)排澇的效果主要表現(xiàn)在高水位時(shí)可明顯降低河道水位。

圖5 方案一、三水位過程線圖

3.3 閘站調(diào)度對(duì)流域排澇的影響

洪水前，如果閘前底水位過高，將人為抬高洪峰水位，加大排澇壓力，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)、流域防洪排澇需求和潮水漲落規(guī)律，在降雨前實(shí)施閘上河道槽蓄水量預(yù)泄，可降低河道和相關(guān)區(qū)域水位[9]，加大河道有效調(diào)蓄容積。

為分析閘站調(diào)度規(guī)則對(duì)區(qū)域排澇的影響，對(duì)比圖6中方案一、四、五北峰大閘的閘前設(shè)計(jì)水位過程線。方案四在方案一的基礎(chǔ)上，設(shè)置預(yù)泄河道水位至0.5m，且閘前水位高于0.5m時(shí)起排，閘前設(shè)計(jì)水位由2.45m降低至2.42m，影響較?。环桨肝逶诜桨杆牡幕A(chǔ)上增設(shè)強(qiáng)排泵站，且預(yù)泄河道水位至0.5m，閘前水位高于0.5m時(shí)起排，閘前設(shè)計(jì)水位由2.45m降低至2.32m，最高水位降低較為明顯。水閘提前預(yù)泄及降低起排水位，在僅水閘排水情況下對(duì)水位影響較??；有泵站情況下，預(yù)泄騰空的河道庫容可作為泵站調(diào)蓄容積，且起排水位降低增加了泵站運(yùn)行時(shí)間，水位變化相對(duì)明顯。

圖6 方案一、四、五水位過程線圖

3.4 結(jié)果分析

各方案北峰大閘閘前設(shè)計(jì)水位見表2，水域面積擴(kuò)大、閘站規(guī)模加大、閘站起排水位降低均可有效降低河道的水位，水域面積增加的效果優(yōu)于泵站建設(shè)，閘站起排水位降低結(jié)合泵站建設(shè)可達(dá)到更優(yōu)效果。結(jié)合規(guī)劃區(qū)域?qū)嶋H情況及可操作性，推薦規(guī)劃采用方案五。

表2 計(jì)算結(jié)果 單位：m

4 結(jié)語

模型不同方案計(jì)算結(jié)果表明，水域面積、強(qiáng)排泵站、閘站調(diào)度規(guī)則均均影響區(qū)域設(shè)計(jì)澇水位，其中水域面積相關(guān)性最為明顯，新城建設(shè)中應(yīng)保證最低水面率以控制內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。海島地區(qū)由于受高潮位頂托影響，水閘自排能力有限，泵站建設(shè)可增加高潮位排水流量，降低最高排澇水位；降低閘站起排水位，預(yù)泄水量，騰空河道庫容作為泵站調(diào)蓄庫容，可加大泵站的作用，提高區(qū)域排澇能力。由于河道低水位會(huì)影響河道景觀效果，閘站調(diào)度應(yīng)結(jié)合水雨情預(yù)報(bào)、閘站規(guī)模等因素確定，應(yīng)兼顧與景觀的銜接。