寧波海曙區(qū)“煙花”臺風(fēng)復(fù)演及對策措施研究

姚 冰，余方順，董其裕

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

寧波市海曙區(qū)位于東南沿海，是境內(nèi)最重要的經(jīng)濟(jì)活動場所，臺風(fēng)及熱帶風(fēng)暴登陸侵襲，是造成流域及區(qū)域洪澇災(zāi)害主要原因[1]。為進(jìn)一步提高海曙區(qū)防洪排澇能力，應(yīng)對未來可能出現(xiàn)更惡劣的氣候條件，針對“煙花”臺風(fēng)受災(zāi)情況，通過實地調(diào)研[2]、部門座談、科學(xué)計算等方式，進(jìn)行臺風(fēng)水雨情復(fù)演及受澇原因分析，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，科學(xué)合理的提出應(yīng)對海曙區(qū)防洪排澇安全的對策措施，以保障人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)域概況

海曙區(qū)位于寧波市甬江流域中部偏西，行政區(qū)劃面積約595.5km2，由北側(cè)姚江、南側(cè)奉化江及支流剡江、西側(cè)四明山區(qū)包圍而成，鄞江支流穿區(qū)而過，是“集東部中心城區(qū)中部郊區(qū)、西部山區(qū)為一體”的復(fù)合型城區(qū)。根據(jù)山區(qū)分水嶺，海曙區(qū)域集雨范圍面積約741.2km2，由海曙平原、海曙山區(qū)、寧峰片及鄞江山區(qū)四片組成。海曙平原匯水范圍北至姚江，南至鄞江、奉化江，西至山區(qū)分水嶺，呈三角形分布，平原內(nèi)地勢西南高，東北低，地面高程為1.8～3.0m不等；平原西側(cè)為山區(qū)面積92km2，山區(qū)內(nèi)建有溪下水庫一座；鄞江山區(qū)片位于海曙區(qū)西側(cè)山區(qū)，集雨范圍約387.9km2，上游建有周公宅、皎口兩座大型水庫；寧鋒片位于海曙區(qū)西南部，相對獨立。特殊的地形地勢條件、流域防洪排澇格局及城市開發(fā)建設(shè)使得海曙區(qū)水安全問題仍較為突出，平原洪澇災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)。如圖1所示。

圖1 海曙區(qū)行政區(qū)劃及匯水分區(qū)情況

2 臺風(fēng)及受災(zāi)情況

2021年第6號臺風(fēng)“煙花”于7月18日2:00在西北太平洋洋面上生成，7月19日早晨加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，7月21日11:00加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)級，7月25日12：30前后登陸舟山普陀區(qū)，登陸時強(qiáng)度為臺風(fēng)級，7月26日上午9:00在杭州灣西部減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級，隨后于上午9：50在浙江省平湖市沿海再次登陸，7月28日凌晨由熱帶風(fēng)暴級減弱為熱帶低壓，“煙花”為1949年有氣象記錄以來首個在浙江省內(nèi)兩次登陸的臺風(fēng)[3- 4]。受“煙花”臺風(fēng)影響，海曙區(qū)從22日開始連續(xù)降雨，鄞江山區(qū)作為本次臺風(fēng)的暴雨中心，降雨尤為突出，同時又恰逢天文大潮，風(fēng)、暴、潮、洪“四碰頭”，導(dǎo)致海曙平原鄞縣大道以南區(qū)域普遍受淹0.5～1.5m，以北區(qū)域受淹0.2～0.5m，全區(qū)17個鎮(zhèn)(鄉(xiāng))街道164個村(社區(qū))近16萬群眾受災(zāi)。

3 受災(zāi)原因分析

3.1 持續(xù)性強(qiáng)降雨是造成海曙區(qū)大范圍受災(zāi)直接因素

本次臺風(fēng)移動慢，歷時長，雨量豐。臺風(fēng)自22日開始影響海曙區(qū)，30日后逐漸減弱，歷時長達(dá)8d，持續(xù)降雨時長“超歷史記錄”，根據(jù)海曙區(qū)及周邊國家基本站實測雨量資料，臺風(fēng)期間海曙區(qū)降雨自西往東方向遞減，山區(qū)大于平原，暴雨中心主要集中在海曙區(qū)鄞江流域上游周公宅—皎口一線，過程雨量普遍達(dá)600～800mm，局部900mm以上，最大的梨洲站達(dá)到1005mm。另通過等值線法計算面降雨量[5]，臺風(fēng)期間海曙全區(qū)累計降雨485mm，超2013年“菲特”臺風(fēng)，為有記錄以來最大，其中海曙集雨各片海曙平原、山區(qū)及寧峰片最大3d降雨量329mm，排頻為18年一遇；鄞江山區(qū)最大3d降雨量536.4mm，排頻近50年一遇。將本次降雨與近年來接連遭遇的“海葵”、“菲特”、“燦鴻”、“杜鵑”、“莫蘭蒂”、“利奇馬”等臺風(fēng)對比，從降雨量統(tǒng)計與“菲特”相似，但在降雨集中程度上，“煙花”臺風(fēng)最大1d降雨量占最大3d的比重均超“菲特”及“燦鴻”等臺風(fēng)，“煙花”臺風(fēng)降雨過程更為惡劣。因此，長歷時集中強(qiáng)降雨是導(dǎo)致我區(qū)受澇嚴(yán)重的直接原因。如圖2所示。

圖2 “煙花”臺風(fēng)期間海曙區(qū)及甬江流域最大三天降雨等值線圖

3.2 恰逢天文大潮是造成外江持續(xù)高水位是受災(zāi)客觀因素

從奉化江流域降雨及干流水位分析，7月22—24日降雨量相對較小，此時奉化江干流水位受潮水控制，北渡、寧波兩水位站與甬江下游鎮(zhèn)海潮位站同漲落。7月25日凌晨甬江恰逢天文大潮并于25日凌晨“創(chuàng)歷史新高”，寧波站達(dá)3.79m，超歷史極值0.51m，隨后逐漸退去，但因25日凌晨開始奉化江流域發(fā)生集中降雨，上游山區(qū)短歷時累計降雨達(dá)80mm，上游山區(qū)洪水在經(jīng)匯流后與下游潮水疊加，干流水位在洪潮雙重作用下不降反漲，使得北渡于25日13：00到達(dá)臺風(fēng)最高水位4.21m，且干流全線超歷史極值，7月28日以后奉化江干流才進(jìn)入退水期，水位持續(xù)下降，臺風(fēng)期奉化江水位超警戒水位(2.5m)長達(dá)46h。姚江干流受上游持續(xù)強(qiáng)降雨及奉化江對姚江大閘出流的頂托，加之姚江流域兩側(cè)泵站的抽排(直排姚江泵站達(dá)536m3/s)，姚江干流水位持續(xù)上漲，姚江大閘站于26日2：00達(dá)到最高水位3.38m(超歷史極值0.44m)，27日后流域雨量漸止，干流退水，至7月29日10：00姚江大閘站水位退至2.0m以下，臺風(fēng)期間超保證水位(2.6m)持續(xù)時間達(dá)70h。

因海曙平原澇水外排主要依托沿江水閘候潮排水，大量洪水只能等待外江水位低于內(nèi)河水位才能外排，而當(dāng)時正值農(nóng)歷大潮汛，臺風(fēng)初期受外江高潮位頂托影響，致使沿江水閘有效排水時間不長，排水功能基本喪失，內(nèi)河水位無法明顯回落。同時因奉化江高潮位頂托，導(dǎo)致奉化江上溯潮水由鄞江尚未封閉的薄弱堤段倒灌進(jìn)入海曙平原，進(jìn)一步加大了平原受澇問題。另外本次臺風(fēng)期間奉化江流域集中降雨經(jīng)洪水演進(jìn)之后并未與最高潮遭遇，若集中降雨提前8h，洪峰將與最高潮遭遇，北渡最高水位將抬升至4.70m以上，干支流面臨漫堤風(fēng)險。同時姚江流域強(qiáng)降雨主要集中在25—26日，同樣較好錯過了最高潮，如降雨提前1d，則姚江干流水位將進(jìn)一步抬升0.20m以上，姚江干流堤防也存在漫堤風(fēng)險。如圖3—4所示。

3.3 相對薄弱的水利基礎(chǔ)設(shè)施是難以有效規(guī)避洪澇災(zāi)害的現(xiàn)實因素

一方面因鄞江堤防尚未實施封閉，成為海曙防御外江洪水入侵的短板，根據(jù)“煙花”臺風(fēng)期海曙平原洞橋水位情況，25日奉化江洪水通過鄞江倒灌進(jìn)入洞橋，洞橋站與外江北渡站同步快速增長，并于當(dāng)日14：00點出現(xiàn)第一次高水位4.21m，而后外江水位雖開始降低，但因上游水庫無法承受四明山區(qū)大量洪水入庫，為確保水庫大壩安全運(yùn)行，上游大流量放水泄洪，上游洪水再次由洞橋、鄞江等地勢較低的薄弱堤段處漫堤而入，洞橋站出現(xiàn)高水位4.33m。另外海曙平原西側(cè)山區(qū)仍有62km2非受控區(qū)域，沿山干河工程未實施，使得西側(cè)山區(qū)直接下泄洪水達(dá)2362萬m3進(jìn)入平原，進(jìn)一步加重平原排澇壓力。此外平原骨干排澇體系尚未完善，強(qiáng)排設(shè)施整體不足，排澇壓力不斷增加，使得高水位期間平原最大滯蓄水量8361萬m3，其中，河網(wǎng)調(diào)蓄水量2200萬m3，近6161萬m3澇水淹沒于平原，農(nóng)田、低洼鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)嚴(yán)重。如圖5所示。

圖3 臺風(fēng)期奉化流域降雨及水位過程線

圖4 臺風(fēng)期姚江流域降雨及水位過程線

綜上，因海曙區(qū)整體水利基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱，有效防范區(qū)域大洪水的能力偏低，特別是臺風(fēng)影響下澇水難排問題難以從根本上得以解決。

4 相關(guān)對策措施研究

4.1 計算方法

本文主要采用流域河網(wǎng)水動力模型[6- 7]，經(jīng)率定之后分析區(qū)域洪水演進(jìn)過程，模擬“煙花”臺風(fēng)期間相關(guān)對策措施實施前后海曙洪澇受災(zāi)情況，從而科學(xué)合理的提出應(yīng)對海曙區(qū)防洪排澇安全的對策措施。

河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型主要將流域水系概化成由河網(wǎng)和水域組成的體系。河網(wǎng)由流域內(nèi)骨干河道和重要連接等一系列主要河道組成，是流域輸送水流的載體；水域主要由支流小溪、水塘等水體概化成，主要起著水量調(diào)蓄作用。對河網(wǎng)采用節(jié)點—河道模型，對成片水域則劃分為單元，這部分單元僅起蓄水調(diào)節(jié)作用，不起動力輸水作用。通過引入陸域?qū)挾雀拍?，河網(wǎng)和水域便組成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，或稱混合模型。

圖5 臺風(fēng)期海曙平原水位與水庫下泄、干流水位關(guān)系

(1)河網(wǎng)水動力模型中采用一維非恒定流方法來描述水流在明渠中運(yùn)動，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

(1)

(2)

式中，q—河道旁側(cè)入流，m3/s；BT—當(dāng)量河寬，m；Z—斷面水位，m；Q—流量，m3/s；K——流量模數(shù)。

(2)堰閘水流方程

碶閘的泄洪形式為自由出流時：

(3)

淹沒出流方程為：

(4)

式中，m—閘孔自由出流流量系數(shù)；φ—閘孔淹沒出流流量系數(shù)；Zu—閘前水位；Zd—閘后水位；H—閘前水頭；Hs—閘后水頭；B—閘孔的寬度。

(3)泵站出流，泵站出流量由設(shè)計泵排能力和調(diào)度方式?jīng)Q定。

(4)漫灘與漫堤，通過分片制定了河網(wǎng)水位與漫灘庫容的關(guān)系曲線，用以模擬漫灘情況下各片區(qū)對洪水的調(diào)蓄作用。對于干流河道，河道水位超過河道堤防高程，洪水漫過堤防就近進(jìn)入平原河網(wǎng)。

(5)模型參數(shù)分析與率定

①斷面尺寸：根據(jù)實測或規(guī)劃河道斷面圖量算，一般概化為梯形斷面。

②陸域?qū)挾龋焊鶕?jù)甬江流域水系電子地圖，利用地理信息系統(tǒng)的功能量算得每條河道單位長度的平均匯流面積作為陸域?qū)挾取?/p>

③河道糙率：主要河道的糙率根據(jù)實測的河道水位、流量資料進(jìn)行率定取值，約0.023～0.038。其他河道按類比分析得出。

④水閘出流系數(shù)：根據(jù)實測的閘前、閘后同時水位、引排水流量資料進(jìn)行率定取值。

⑤調(diào)蓄庫容：根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計及河道特性及水面面積資料分析得出。

4.2 相關(guān)對策措施

針對本次防御“煙花”臺風(fēng)中受災(zāi)原因，按照“洪澇分治”的原則，從流域系統(tǒng)治理的角度，針對海曙區(qū)洪澇災(zāi)害提出“南側(cè)擋洪、西面導(dǎo)流、中部疏通、內(nèi)增滯蓄、外加強(qiáng)排”的治理策略，基本形成應(yīng)對區(qū)域“洪、澇、潮”防御體系，有效提高海曙區(qū)防洪減災(zāi)能力[8- 12]。

南側(cè)擋洪：沿鄞江修建防洪堤，形成防洪閉合區(qū)的同時，通過洪水灣樞紐調(diào)度節(jié)制，洪水期間控制鄞江分洪入海曙平原洪量，20年一遇下，鄞江入南塘河水量不超過1000萬m3。

西面導(dǎo)流：利用海曙西側(cè)湖泊河、梅梁橋河作為沿山導(dǎo)流工程，將西側(cè)部分山區(qū)洪水經(jīng)大西壩出口導(dǎo)入姚江，減少山區(qū)匯入平原的水量。

中部疏通：拓寬和疏浚海曙片主要排水河道，構(gòu)建“五縱五橫”高速排水系統(tǒng)，保證河道過流能力與沿江閘泵工程排水能力相匹配，打造平原排澇“高速水路”，給洪水澇水以快速通道，同時保證足夠的平原河網(wǎng)水面率，提升平原自身調(diào)蓄能力。其中南北向五縱排水系統(tǒng)為沿山導(dǎo)流河排水系統(tǒng)、蟹堰碶河排水系統(tǒng)、風(fēng)棚碶河—邵家渡河排水系統(tǒng)、行春碶—躍進(jìn)河—五江河排水系統(tǒng)和護(hù)城河—北斗河排水系統(tǒng)；東西向的五橫排水干河系統(tǒng)為南塘河排水系統(tǒng)、千丈鏡河排水系統(tǒng)、橫街鎮(zhèn)—屠家堰排水系統(tǒng)、西塘河和中塘河。

內(nèi)增滯蓄：沿小溪港—梅梁橋河—湖泊河?xùn)|側(cè)布設(shè)調(diào)蓄湖，調(diào)蓄庫容為1086萬m3，分別位于梅梁橋河及湖泊河右側(cè)。洪水期間，滯蓄海曙平原洪澇水量，降低平原內(nèi)澇水位，后期經(jīng)湖泊河外排姚江，或作為水資源、水生態(tài)利用。

外加強(qiáng)排：進(jìn)一步增設(shè)沿江強(qiáng)排泵站，總流量提升至346.8m3/s，提升平原整體排澇能力，確保因外江頂托導(dǎo)致碶閘難以外排情況下，通過泵站強(qiáng)排保障平原防洪排澇安全。

同時建議治理海曙應(yīng)跳出海曙治海曙，加快姚江流域西分北排工程建設(shè)，盡早實施奉化江流域南排象山港工程建設(shè)，降低干流防洪壓力。

4.3 對策措施前后受澇情況

海曙區(qū)防洪排澇工程按本次推薦對策措施實施后，再次遭遇“煙花”臺風(fēng)降雨情況下，海曙平原最高澇水位可控制在2.6m以下，其中洞橋—黃古林一線臺風(fēng)期澇水位可降低0.8～1.75m，集士港臺風(fēng)期澇水位可降低0.36m，老城區(qū)水位降低0.28m，海曙平原排澇標(biāo)準(zhǔn)可由現(xiàn)狀不足10年一遇提升至20年一遇。海曙平原工程實施前后水利計算成果見表1。

表1 相關(guān)對策措施實施前后海曙平原水利計算成果對比表 單位：m

5 結(jié)語

“煙花”臺風(fēng)期間，持續(xù)性強(qiáng)降雨、外江天文大潮、相對薄弱的水利基礎(chǔ)設(shè)施是造成海曙區(qū)受災(zāi)主要原因，通過相關(guān)對策措施可有效提升海曙區(qū)防洪減災(zāi)能力，臺風(fēng)期間平原水位可降低0.28～1.75m，平原排澇標(biāo)準(zhǔn)提升至20年一遇。

文章對海曙區(qū)防洪排澇工作中存在的短板問題有較為深刻認(rèn)識，可作為區(qū)域防洪減災(zāi)工作開展的重要依據(jù)，同時文章提出的防洪減災(zāi)治理思路、對策措施可為城市開發(fā)建設(shè)提供借鑒，支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。但海曙區(qū)防洪形勢受流域因素影響較大，本次研究針對流域?qū)Σ叽胧┥杏星啡?，后續(xù)研究工作需進(jìn)一步深化。