福州市主城區(qū)水系行洪排澇能力評價

福州市主城區(qū)水系行洪排澇能力評價

福州主城區(qū)位于福建省河流下游入?？凇５匦晤愋椭饕獮槠皆?，西北東有三個環(huán)山，南臨福建省江北港。主城區(qū)河網(wǎng)密集,分東西兩大水系,如圖1所示。西片水系主干河道為白馬河,東片水系包括晉安河、鳳坂河、磨洋河、浦東河和光明港,為四縱一橫的連接方式。閩江梅雨或臺風(fēng)暴雨期,入城洪水和城區(qū)澇水同頻同步到達,使福州市主城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。閩江北港為感潮河道,洪潮水位頂托導(dǎo)致主城區(qū)排水受阻,進一步加劇內(nèi)澇程度。2005年“龍王”臺風(fēng)過境時,主城區(qū)內(nèi)澇損失慘重。對于福州市主城區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害的成因及相應(yīng)的防治對策,多位學(xué)者進行過探討。但只限于定性的研究及宏觀上的防治對策。一種災(zāi)害之所以成災(zāi)取決于致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三種因素。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬研究城市洪澇災(zāi)害,提出了數(shù)值模型的構(gòu)建方法,并對受災(zāi)風(fēng)險或單一致災(zāi)因子進行了研究。本文基于現(xiàn)有研究成果,構(gòu)建數(shù)值模型分析入城客水、城區(qū)澇水、河道過流、水系水力聯(lián)系等因素對福州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害影響,從災(zāi)害三因素總結(jié)福州主城區(qū)洪澇災(zāi)害成因并提出防治對策。1福州市主要水系的洪水排水模式為1.1福州市水系一維行洪灌溉模擬模型根據(jù)福州市主城區(qū)河道水系地形信息、水閘信息、泵站信息、橋梁信息、調(diào)蓄水域信息,利用HEC-RAS軟件構(gòu)建福州市主城區(qū)水系一維行洪排澇模擬模型,如圖1所示。1.1.1條河道及門門條件模型參數(shù)主要包括河網(wǎng)糙率參數(shù)和水閘泵站參數(shù)等。河網(wǎng)糙率根據(jù)各條河道的具體情況進行調(diào)整并率定后,設(shè)定范圍為0.025～0.045。閘門根據(jù)閘門信息設(shè)定最大開度、最小開度以及開啟和關(guān)閉速率等。泵站根據(jù)實際情況設(shè)定起排水位、關(guān)停水位及水頭流量曲線等。1.1.2產(chǎn)流分析計算(1)入城客水,即主城區(qū)周邊山區(qū)匯入洪水。計算方式為:采用SWAT軟件和ARCGIS軟件提取北部山區(qū)子流域,根據(jù)子流域的分布劃分為多個片區(qū),結(jié)合福州市暴雨資料,采用新安江三水源模型進行產(chǎn)流分析計算。對壤中流和地下徑流分別采用不同的線性調(diào)蓄水庫模擬其匯流過程,對地面徑流采用等流時線法,模擬流域地面出流過程。(2)城區(qū)產(chǎn)匯流。計算方式為:依據(jù)現(xiàn)有排水管網(wǎng)分布和城區(qū)DEM信息,對主城區(qū)進行片區(qū)劃分。采用推理公式法計算各子片區(qū)匯入排水河道流量過程。計算時根據(jù)管網(wǎng)的出流能力,考慮其對匯入洪水的削峰和滯流作用。1.1.3水位高于閘上水位時,按關(guān)閉速率開閘(1)下游水閘和泵站控制邊界。福州市主城區(qū)共有8座排澇水閘和3座排澇泵站。位置如圖1所示。當(dāng)閩江水位高于閘上水位時,按照關(guān)閉速率關(guān)閘;當(dāng)閩江水位低于閘上水位時,按照開啟速率開閘。對于泵站,當(dāng)水位高于起排水位時,開泵排水;反之當(dāng)水位低于關(guān)停水位時,則關(guān)泵停排。(2)下游排澇水閘所在位置的設(shè)計洪潮水位邊界。1.2“龍”臺風(fēng)期間福州市的洪水排鹽根據(jù)2005年“龍王”臺風(fēng)時的暴雨資料,計算山區(qū)入城客水和城區(qū)排水管網(wǎng)出流過程,結(jié)合實時調(diào)度資料,利用“福州市主城區(qū)水系行洪排澇模型”模擬“龍王”臺風(fēng)期間福州市主城區(qū)的淹沒范圍和積水區(qū)域,河道水位超高堤岸高程即視為淹沒。實測和模擬的結(jié)果對比如圖2所示,表明:模擬結(jié)果與實際基本相符,構(gòu)建模型反映福州市主城區(qū)的水系特征,可用于洪澇災(zāi)害成因分析。2分析：福州主城區(qū)的洪水災(zāi)害2.1洪水值的設(shè)計以5年一遇設(shè)計暴雨對應(yīng)的入城客水和城區(qū)排水管網(wǎng)出流過程作為進口邊界;以最高潮位多年平均值作為設(shè)計水位,選擇設(shè)計洪潮水位過程;然后依據(jù)下游水閘距其上、下游洪潮水位測站的距離比例計算得到出口邊界。為了區(qū)別分析入城客水和城區(qū)排水管網(wǎng)出流對主城區(qū)洪澇災(zāi)害的影響,設(shè)計對比工況:(1)有客水,山區(qū)客水按照調(diào)度規(guī)則正常進入晉安河;(2)無客水。2.2水流特征分析2.2.1水位差導(dǎo)致排水效果差東片區(qū)主要行洪排澇河道均排入到光明港,因此,以晉安河為例進行水力特征分析。對比工況下,晉安河上、中、下游3個斷面的流量和水位過程如圖3所示。結(jié)論具體如下。(1)在初始水位相同的情況下,有無客水情況下晉安河沿程斷面的水位漲落時間和最高水位不相同,表明晉安河的行洪排澇安全和淹沒程度受入城客水和城區(qū)產(chǎn)匯流共同影響。越靠近上游,入城客水影響越顯著,越往下游,隨著河道對洪水的坦化作用,入城客水影響逐漸削弱。(2)無客水情況下水位漲幅明顯大于入城客水引起的水位漲幅,表明除入城客水外,城區(qū)產(chǎn)流短時間集中匯入也是導(dǎo)致內(nèi)澇的主因。(3)晉安河上游斷面和下游斷面的水位峰值時間明顯滯后于流量峰值時間;而在中游斷面二者同步達到。越往下游,河段斷面水位峰值出現(xiàn)時間越靠后,時差可達1h左右。表明:第一,晉安河中上游河段過流能力不足,易發(fā)生“堵塞”現(xiàn)象,是導(dǎo)致內(nèi)澇的主因;第二,光明港水位抬升將對直接排澇到光明港的河流(晉安河、鳳坂河、浦東河及磨洋河等)產(chǎn)生頂托作用,增加行洪排澇壓力和風(fēng)險。2.2.2圖1:美國專家書法優(yōu)選擇對比工況下,西片區(qū)白馬河上、中、下游3個斷面的流量和水位過程如圖4所示。結(jié)論:西湖調(diào)蓄后進入白馬河的洪澇水量小峰低,隨著城區(qū)產(chǎn)匯流經(jīng)排水管網(wǎng)或側(cè)枝河道匯入白馬河,其沿程水位迅速抬升,而有無客水對最高水位影響較小,表明城區(qū)產(chǎn)匯流是白馬河內(nèi)澇的主因。2.2.3全廠排水,確定水泵抽排有客水下,光明港下游水閘和泵站運行過程如圖5、圖6所示。結(jié)論:行洪排澇期間,當(dāng)閘上水位低于閘下洪潮水位時,閘門處于關(guān)閉狀態(tài),排水依靠泵站抽排,增加了行洪排澇的壓力。泵站抽排后,由于抽排流量大于上游來流流量,導(dǎo)致一定時間后水位低于關(guān)停水位,泵站停止抽排。隨后一段時間,水位增加再次到達起排水位,泵站又開始抽排。如此反復(fù)形成水位波動。實際調(diào)度中,可降低水位波動時段泵站的抽排流量,保持水位穩(wěn)定。2.2.4白馬河和晉安河水系降低洪水影響東西片區(qū)由安泰河與東西河連接白馬河與晉安河,以東西河為例分析,其水力特征如圖7所示(流量正向為從白馬河流向晉安河)。設(shè)計對比方案,即關(guān)閉安泰河和東西河的閘門,將白馬河和晉安河水系斷開,分析對比方案下晉安河和白馬河沿程最高水位。其結(jié)果如圖8～圖9所示。結(jié)論具體如下。(1)行洪排澇過程中,在晉安河處于高水位時刻即防洪排澇風(fēng)險最大時,白馬河洪澇水量由安泰河和東西河匯入晉安河,增加晉安河水系防洪排澇壓力和洪澇風(fēng)險。(2)切斷白馬河和晉安河間的水力聯(lián)系,晉安河沿程最高水位降低,但白馬河沿程最高水位抬高,抬高幅度大于晉安河水位降低幅度。因此,安泰河和東西河的水閘調(diào)度對白馬河中上游行洪排澇影響明顯,對晉安河影響相對較小。建議在實際行洪排澇中開閘運行。2.2.5東片區(qū)水系主要的減少通道,光明港成為東片區(qū)水系主要的減少通道,光明港成為東片區(qū)水系主要的減少通道,是生態(tài)利導(dǎo)向的東片河洪水排澇東片區(qū)主要河道的洪澇水均匯入到光明港,在有客水工況下,以晉安河與光明港交匯處斷面分析,如圖10～圖12所示。結(jié)論:機排情況下,光明港是東片區(qū)水系主要的排澇通道。全部晉安河洪澇水量和部分達道河的洪澇水量通過光明港排入閩江,增加光明港的行洪排澇壓力及其頂托作用。如東片區(qū)其他閘門能自排,將分擔(dān)上游洪澇水量,對降低東片區(qū)水系的內(nèi)澇風(fēng)險有利。2.2.6橋底高、跨壓流對穩(wěn)定性的影響設(shè)定對比方案,即假設(shè)河道上沒有橋梁,在有客水工況下對比有無橋梁對水位的影響。結(jié)論:如果橋下水位低于橋底面高程(無壓流),橋墩繞流摩阻引起的雍水很小,幅度僅為厘米量級。如果橋下水位漫過橋底面高程(有壓流或孔流),橋梁雍水幅度將大幅度增加,阻水作用顯著,增加行洪排澇的壓力(見圖13)。2.3災(zāi)難原因總結(jié)通過上述分析,從洪澇災(zāi)害發(fā)生的三個因素總結(jié)福州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害成因。2.3.1外江水位過高致災(zāi)因子包括自然致災(zāi)因子和人類活動致災(zāi)因子。福州地區(qū)年平均降水量為900～2100mm,每年平均臺風(fēng)直接登陸市境有2次,造成短時間強降雨天氣。當(dāng)福州市降雨強度超過5年一遇設(shè)計暴雨強度,并遭遇閩江北港多年平均最高洪潮水位過程時,外江水位過高,對內(nèi)河排澇具有頂托作用,閘門基本不能自排,就會發(fā)生洪澇災(zāi)害。強降雨和較高的外江洪潮水位是發(fā)生災(zāi)害的自然因子。另外,人類活動致災(zāi)因子影響顯著。(1)隨著城市化發(fā)展,不透水面積增加,徑流系數(shù)加大,使河道洪峰流量成倍增加,洪峰出現(xiàn)時間提前,已有堤防的行洪排澇標(biāo)準相對降低;(2)城市擴張造成了水土流失加劇,局部水系紊亂,河道與排水管網(wǎng)淤塞,人為導(dǎo)致行洪排澇能力下降;(3)區(qū)域面積擴張,原來天然蓄滯洪區(qū)被開發(fā),導(dǎo)致蓄滯洪澇能力降低。而且易形成雨島效應(yīng),即易于出現(xiàn)市區(qū)暴雨的頻率與強度高于周邊地區(qū)的現(xiàn)象,間接提高行洪排澇標(biāo)準和行洪排澇壓力;(4)城市化建設(shè)加快了河道上橋梁建設(shè),橋梁眾多,阻水作用顯著。2.3.2試驗結(jié)果及分析福州市主城區(qū)發(fā)生澇災(zāi)的孕災(zāi)環(huán)境有以下幾個方面:(1)地形因素。福州市主城區(qū)地勢較低,城區(qū)外圍山區(qū)洪水通過小溪匯入城市內(nèi)河后,再由水閘或排澇站排入閩江北港。城區(qū)處于中低緯度,東臨太平洋,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,經(jīng)常有臺風(fēng)襲擊,臺風(fēng)帶來的降雨量較大。臺風(fēng)時,山區(qū)產(chǎn)匯流產(chǎn)生大量洪水迅速進入城區(qū),同時城區(qū)產(chǎn)匯流通過城區(qū)管網(wǎng)進入到排澇渠道。進入城區(qū)的洪峰和城區(qū)產(chǎn)匯流的峰值同時達到,加大了城區(qū)行洪排澇壓力。(2)蓄、排能力不足。福州市的三座調(diào)蓄水庫滯洪庫容只有110萬m3,蓄洪能力極其有限。主要排澇站設(shè)計流量為248m3/s,排澇能力較低。(3)滯洪能力差。城區(qū)擴張導(dǎo)致福州市原有的眾多天然池塘填埋,農(nóng)田、菜地征為城市用地,降低滯洪能力,增加暴雨產(chǎn)洪量。新建琴亭湖庫容50萬m3,有一定削峰作用,但整體滯洪能力有限。2.3.3承災(zāi)能力分析承災(zāi)體主要包括工廠、房屋、道路、居民地、人口等。河道和道路是福州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害的直接承災(zāi)體。洪水漫堤,則河道淹沒,城區(qū)就會發(fā)生洪澇災(zāi)害。道路雨水不能及時排出,就造成積水或內(nèi)澇。災(zāi)害能否發(fā)生與承災(zāi)體的承災(zāi)能力有直接關(guān)系。福州市主城區(qū)承災(zāi)能力不足,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)主要內(nèi)河河道過流能力不足。在5年一遇設(shè)計暴雨條件下,主要內(nèi)河洪澇水發(fā)生“堵塞”現(xiàn)象,洪澇水不能及時排出。(2)部分河道堤岸較低,發(fā)生洪水時常常被淹。如五四路、華林路等附近的河道。(3)河道淤積嚴重。福州主城區(qū)絕大多數(shù)河道近10年未進行過清淤,河道淤積厚度達1m左右,直接抬高了洪水水位并降低了河道過流能力。(4)主城區(qū)處于盆地,地勢普遍較低。城區(qū)集水區(qū)內(nèi)低于羅零高程7.18m的面積占全流域的35.45%。這些區(qū)域極易發(fā)生內(nèi)澇。3根據(jù)情況，評估措施和建議3.1減少或排除過流能力根據(jù)分析得出的洪澇災(zāi)害成因,提出以下防治對策建議:(1)對主要內(nèi)河進行清淤,加大河道的過流能力。(2)減少或者排除北部山區(qū)進入城區(qū)的洪水量?？赏ㄟ^加大新建調(diào)蓄湖泊——琴亭湖的庫容,也可采取“分流”即通過泵站使北部山區(qū)洪水不經(jīng)過城區(qū)或者只有少部分進入城區(qū)直接排入到閩江。(3)加大下游泵站的抽排能力?？杉哟蠊饷鞲巯掠伪谜镜臋C組容量。3.2河道清淤與排水根據(jù)建議,提出三種防治方案如下:(1)“整+滯+擴湖”。即按照規(guī)劃對河道清淤,并使琴亭湖的調(diào)蓄庫容擴大1倍。(2)“整+滯+擴泵”。即按照規(guī)劃對河道清淤,并使光明港下游排澇站設(shè)計流量增加到350m3/s。(3)“整+滯+分”。即按照規(guī)劃對河道清淤,并將北部山區(qū)洪水按45m3/s流量級別進行分流。計算工況為20年一遇設(shè)計暴雨標(biāo)準。結(jié)果如圖14～圖15所示。三種方案下,主城區(qū)河道均無淹沒,且水位降幅明顯。但方案二下光明港水位降幅影響范圍有限,至連接河上游后水位偏高,不利于上游易澇區(qū)排澇。方案一受周邊土地開發(fā)限制不具有實際操作性。而方案三不僅可以減少入城洪水,也可兼顧補水需求,具有實際操作意義。4福州市蓄滯洪能力不足構(gòu)建福州市主城區(qū)水系行洪排