福州市主城区水系行洪排涝能力评价

福州市主城区水系行洪排涝能力评价

福州主城区位于福建省河流下游入海口。地形类型主要为平原，西北东有三个环山，南临福建省江北港。主城区河网密集,分东西两大水系,如图1所示。西片水系主干河道为白马河,东片水系包括晋安河、凤坂河、磨洋河、浦东河和光明港,为四纵一横的连接方式。闽江梅雨或台风暴雨期,入城洪水和城区涝水同频同步到达,使福州市主城区内涝灾害频发。闽江北港为感潮河道,洪潮水位顶托导致主城区排水受阻,进一步加剧内涝程度。2005年“龙王”台风过境时,主城区内涝损失惨重。对于福州市主城区发生洪涝灾害的成因及相应的防治对策,多位学者进行过探讨。但只限于定性的研究及宏观上的防治对策。一种灾害之所以成灾取决于致灾因子、孕灾环境和承灾体三种因素。国内外学者应用数值模拟研究城市洪涝灾害,提出了数值模型的构建方法,并对受灾风险或单一致灾因子进行了研究。本文基于现有研究成果,构建数值模型分析入城客水、城区涝水、河道过流、水系水力联系等因素对福州市主城区洪涝灾害影响,从灾害三因素总结福州主城区洪涝灾害成因并提出防治对策。1福州市主要水系的洪水排水模式为1.1福州市水系一维行洪灌溉模拟模型根据福州市主城区河道水系地形信息、水闸信息、泵站信息、桥梁信息、调蓄水域信息,利用HEC-RAS软件构建福州市主城区水系一维行洪排涝模拟模型,如图1所示。1.1.1条河道及门门条件模型参数主要包括河网糙率参数和水闸泵站参数等。河网糙率根据各条河道的具体情况进行调整并率定后,设定范围为0.025～0.045。闸门根据闸门信息设定最大开度、最小开度以及开启和关闭速率等。泵站根据实际情况设定起排水位、关停水位及水头流量曲线等。1.1.2产流分析计算(1)入城客水,即主城区周边山区汇入洪水。计算方式为:采用SWAT软件和ARCGIS软件提取北部山区子流域,根据子流域的分布划分为多个片区,结合福州市暴雨资料,采用新安江三水源模型进行产流分析计算。对壤中流和地下径流分别采用不同的线性调蓄水库模拟其汇流过程,对地面径流采用等流时线法,模拟流域地面出流过程。(2)城区产汇流。计算方式为:依据现有排水管网分布和城区DEM信息,对主城区进行片区划分。采用推理公式法计算各子片区汇入排水河道流量过程。计算时根据管网的出流能力,考虑其对汇入洪水的削峰和滞流作用。1.1.3水位高于闸上水位时,按关闭速率开闸(1)下游水闸和泵站控制边界。福州市主城区共有8座排涝水闸和3座排涝泵站。位置如图1所示。当闽江水位高于闸上水位时,按照关闭速率关闸;当闽江水位低于闸上水位时,按照开启速率开闸。对于泵站,当水位高于起排水位时,开泵排水;反之当水位低于关停水位时,则关泵停排。(2)下游排涝水闸所在位置的设计洪潮水位边界。1.2“龙”台风期间福州市的洪水排盐根据2005年“龙王”台风时的暴雨资料,计算山区入城客水和城区排水管网出流过程,结合实时调度资料,利用“福州市主城区水系行洪排涝模型”模拟“龙王”台风期间福州市主城区的淹没范围和积水区域,河道水位超高堤岸高程即视为淹没。实测和模拟的结果对比如图2所示,表明:模拟结果与实际基本相符,构建模型反映福州市主城区的水系特征,可用于洪涝灾害成因分析。2分析：福州主城区的洪水灾害2.1洪水值的设计以5年一遇设计暴雨对应的入城客水和城区排水管网出流过程作为进口边界;以最高潮位多年平均值作为设计水位,选择设计洪潮水位过程;然后依据下游水闸距其上、下游洪潮水位测站的距离比例计算得到出口边界。为了区别分析入城客水和城区排水管网出流对主城区洪涝灾害的影响,设计对比工况:(1)有客水,山区客水按照调度规则正常进入晋安河;(2)无客水。2.2水流特征分析2.2.1水位差导致排水效果差东片区主要行洪排涝河道均排入到光明港,因此,以晋安河为例进行水力特征分析。对比工况下,晋安河上、中、下游3个断面的流量和水位过程如图3所示。结论具体如下。(1)在初始水位相同的情况下,有无客水情况下晋安河沿程断面的水位涨落时间和最高水位不相同,表明晋安河的行洪排涝安全和淹没程度受入城客水和城区产汇流共同影响。越靠近上游,入城客水影响越显著,越往下游,随着河道对洪水的坦化作用,入城客水影响逐渐削弱。(2)无客水情况下水位涨幅明显大于入城客水引起的水位涨幅,表明除入城客水外,城区产流短时间集中汇入也是导致内涝的主因。(3)晋安河上游断面和下游断面的水位峰值时间明显滞后于流量峰值时间;而在中游断面二者同步达到。越往下游,河段断面水位峰值出现时间越靠后,时差可达1h左右。表明:第一,晋安河中上游河段过流能力不足,易发生“堵塞”现象,是导致内涝的主因;第二,光明港水位抬升将对直接排涝到光明港的河流(晋安河、凤坂河、浦东河及磨洋河等)产生顶托作用,增加行洪排涝压力和风险。2.2.2图1:美国专家书法优选择对比工况下,西片区白马河上、中、下游3个断面的流量和水位过程如图4所示。结论:西湖调蓄后进入白马河的洪涝水量小峰低,随着城区产汇流经排水管网或侧枝河道汇入白马河,其沿程水位迅速抬升,而有无客水对最高水位影响较小,表明城区产汇流是白马河内涝的主因。2.2.3全厂排水,确定水泵抽排有客水下,光明港下游水闸和泵站运行过程如图5、图6所示。结论:行洪排涝期间,当闸上水位低于闸下洪潮水位时,闸门处于关闭状态,排水依靠泵站抽排,增加了行洪排涝的压力。泵站抽排后,由于抽排流量大于上游来流流量,导致一定时间后水位低于关停水位,泵站停止抽排。随后一段时间,水位增加再次到达起排水位,泵站又开始抽排。如此反复形成水位波动。实际调度中,可降低水位波动时段泵站的抽排流量,保持水位稳定。2.2.4白马河和晋安河水系降低洪水影响东西片区由安泰河与东西河连接白马河与晋安河,以东西河为例分析,其水力特征如图7所示(流量正向为从白马河流向晋安河)。设计对比方案,即关闭安泰河和东西河的闸门,将白马河和晋安河水系断开,分析对比方案下晋安河和白马河沿程最高水位。其结果如图8～图9所示。结论具体如下。(1)行洪排涝过程中,在晋安河处于高水位时刻即防洪排涝风险最大时,白马河洪涝水量由安泰河和东西河汇入晋安河,增加晋安河水系防洪排涝压力和洪涝风险。(2)切断白马河和晋安河间的水力联系,晋安河沿程最高水位降低,但白马河沿程最高水位抬高,抬高幅度大于晋安河水位降低幅度。因此,安泰河和东西河的水闸调度对白马河中上游行洪排涝影响明显,对晋安河影响相对较小。建议在实际行洪排涝中开闸运行。2.2.5东片区水系主要的减少通道,光明港成为东片区水系主要的减少通道,光明港成为东片区水系主要的减少通道,是生态利导向的东片河洪水排涝东片区主要河道的洪涝水均汇入到光明港,在有客水工况下,以晋安河与光明港交汇处断面分析,如图10～图12所示。结论:机排情况下,光明港是东片区水系主要的排涝通道。全部晋安河洪涝水量和部分达道河的洪涝水量通过光明港排入闽江,增加光明港的行洪排涝压力及其顶托作用。如东片区其他闸门能自排,将分担上游洪涝水量,对降低东片区水系的内涝风险有利。2.2.6桥底高、跨压流对稳定性的影响设定对比方案,即假设河道上没有桥梁,在有客水工况下对比有无桥梁对水位的影响。结论:如果桥下水位低于桥底面高程(无压流),桥墩绕流摩阻引起的雍水很小,幅度仅为厘米量级。如果桥下水位漫过桥底面高程(有压流或孔流),桥梁雍水幅度将大幅度增加,阻水作用显著,增加行洪排涝的压力(见图13)。2.3灾难原因总结通过上述分析,从洪涝灾害发生的三个因素总结福州市主城区洪涝灾害成因。2.3.1外江水位过高致灾因子包括自然致灾因子和人类活动致灾因子。福州地区年平均降水量为900～2100mm,每年平均台风直接登陆市境有2次,造成短时间强降雨天气。当福州市降雨强度超过5年一遇设计暴雨强度,并遭遇闽江北港多年平均最高洪潮水位过程时,外江水位过高,对内河排涝具有顶托作用,闸门基本不能自排,就会发生洪涝灾害。强降雨和较高的外江洪潮水位是发生灾害的自然因子。另外,人类活动致灾因子影响显著。(1)随着城市化发展,不透水面积增加,径流系数加大,使河道洪峰流量成倍增加,洪峰出现时间提前,已有堤防的行洪排涝标准相对降低;(2)城市扩张造成了水土流失加剧,局部水系紊乱,河道与排水管网淤塞,人为导致行洪排涝能力下降;(3)区域面积扩张,原来天然蓄滞洪区被开发,导致蓄滞洪涝能力降低。而且易形成雨岛效应,即易于出现市区暴雨的频率与强度高于周边地区的现象,间接提高行洪排涝标准和行洪排涝压力;(4)城市化建设加快了河道上桥梁建设,桥梁众多,阻水作用显著。2.3.2试验结果及分析福州市主城区发生涝灾的孕灾环境有以下几个方面:(1)地形因素。福州市主城区地势较低,城区外围山区洪水通过小溪汇入城市内河后,再由水闸或排涝站排入闽江北港。城区处于中低纬度,东临太平洋,属亚热带季风气候,经常有台风袭击,台风带来的降雨量较大。台风时,山区产汇流产生大量洪水迅速进入城区,同时城区产汇流通过城区管网进入到排涝渠道。进入城区的洪峰和城区产汇流的峰值同时达到,加大了城区行洪排涝压力。(2)蓄、排能力不足。福州市的三座调蓄水库滞洪库容只有110万m3,蓄洪能力极其有限。主要排涝站设计流量为248m3/s,排涝能力较低。(3)滞洪能力差。城区扩张导致福州市原有的众多天然池塘填埋,农田、菜地征为城市用地,降低滞洪能力,增加暴雨产洪量。新建琴亭湖库容50万m3,有一定削峰作用,但整体滞洪能力有限。2.3.3承灾能力分析承灾体主要包括工厂、房屋、道路、居民地、人口等。河道和道路是福州市主城区洪涝灾害的直接承灾体。洪水漫堤,则河道淹没,城区就会发生洪涝灾害。道路雨水不能及时排出,就造成积水或内涝。灾害能否发生与承灾体的承灾能力有直接关系。福州市主城区承灾能力不足,主要体现在以下几个方面:(1)主要内河河道过流能力不足。在5年一遇设计暴雨条件下,主要内河洪涝水发生“堵塞”现象,洪涝水不能及时排出。(2)部分河道堤岸较低,发生洪水时常常被淹。如五四路、华林路等附近的河道。(3)河道淤积严重。福州主城区绝大多数河道近10年未进行过清淤,河道淤积厚度达1m左右,直接抬高了洪水水位并降低了河道过流能力。(4)主城区处于盆地,地势普遍较低。城区集水区内低于罗零高程7.18m的面积占全流域的35.45%。这些区域极易发生内涝。3根据情况，评估措施和建议3.1减少或排除过流能力根据分析得出的洪涝灾害成因,提出以下防治对策建议:(1)对主要内河进行清淤,加大河道的过流能力。(2)减少或者排除北部山区进入城区的洪水量。可通过加大新建调蓄湖泊——琴亭湖的库容,也可采取“分流”即通过泵站使北部山区洪水不经过城区或者只有少部分进入城区直接排入到闽江。(3)加大下游泵站的抽排能力。可加大光明港下游泵站的机组容量。3.2河道清淤与排水根据建议,提出三种防治方案如下:(1)“整+滞+扩湖”。即按照规划对河道清淤,并使琴亭湖的调蓄库容扩大1倍。(2)“整+滞+扩泵”。即按照规划对河道清淤,并使光明港下游排涝站设计流量增加到350m3/s。(3)“整+滞+分”。即按照规划对河道清淤,并将北部山区洪水按45m3/s流量级别进行分流。计算工况为20年一遇设计暴雨标准。结果如图14～图15所示。三种方案下,主城区河道均无淹没,且水位降幅明显。但方案二下光明港水位降幅影响范围有限,至连接河上游后水位偏高,不利于上游易涝区排涝。方案一受周边土地开发限制不具有实际操作性。而方案三不仅可以减少入城洪水,也可兼顾补水需求,具有实际操作意义。4福州市蓄滞洪能力不足构建福州市主城区水系行洪排