南方山區(qū)城市防洪規(guī)劃要點(diǎn)探討

官云飛，陳竽舟，賴東亮，葉林，吳德成

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.杭州市臨安區(qū)水利水電局，浙江 杭州 311300)

城市是一個(gè)地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，是區(qū)域人口、產(chǎn)業(yè)、資源高度集聚的核心載體，在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起主導(dǎo)作用[1]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，城市規(guī)?？焖贁U(kuò)張，社會(huì)資源進(jìn)一步聚集，同時(shí)受水雨工情、下墊面、水文氣象、邊界條件等因素的變化影響，使得同頻率洪水受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及其損失程度增加[2- 3]。另一方面，人民生活水平不斷提高，人民群眾對(duì)除水害興水利的需求與水利工程能力不足的矛盾，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗣袢罕妼?duì)水資源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足的矛盾[4]，城市建設(shè)對(duì)河道及沿岸景觀、環(huán)境、文化等綜合利用的需求逐步凸顯。

山區(qū)城市域內(nèi)多山，河流多為山溪性河流，坡陡流急，洪水暴漲暴落，具有匯流快、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難度大、峰高量大、破壞性強(qiáng)、地質(zhì)地貌復(fù)雜、易誘發(fā)山地災(zāi)害等特點(diǎn)[5]。傳統(tǒng)城市防洪工作關(guān)注重點(diǎn)是大江大河及大中型水庫(kù)建設(shè)與管理，目前已形成較為完善的洪水災(zāi)害防御體系，但是山區(qū)城市中小流域在開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中，由于水土流失、河道水域侵占、涉水工程建設(shè)以及特定地形與氣候影響下，遭遇暴雨洪水時(shí)更容易出現(xiàn)災(zāi)害。

目前很多城市總體規(guī)劃已近本輪規(guī)劃期末，正在開(kāi)展新一輪的城市總體規(guī)劃編制，防洪規(guī)劃作為其中特別重要和相對(duì)獨(dú)立的專項(xiàng)規(guī)劃，應(yīng)充分結(jié)合城市發(fā)展的動(dòng)態(tài)及需求，為城市防洪建設(shè)提供指導(dǎo)，確保城市防洪安全?；谏鲜龇治觯瑢?duì)新形勢(shì)新常態(tài)下的山區(qū)城市防洪規(guī)劃要點(diǎn)進(jìn)行探討具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

山區(qū)性河道河底縱坡陡，水利要素變化大，因此本次研究采用一維恒定非均勻流計(jì)算方法為主，堰壩、橋梁等交叉建筑物采用寬頂堰公式概化計(jì)算。

恒定非均勻流基本方程如下：

(1)

式中，Z1、Z2—上下游斷面水位；V1、V2—上下游斷面平均流速；Q—斷面間流量；ΔS—斷面間距離；ζ—局部阻力系數(shù)；α—流速系數(shù)；K—平均流量模數(shù)。

通過(guò)實(shí)測(cè)斷面構(gòu)建一維恒定流水利計(jì)算模型。根據(jù)已知的下斷面水位、流速、斷面間距離、流量、與斷面形狀有關(guān)的局部阻力系數(shù)、流速系數(shù)、流量模數(shù)，以及上斷面水位與流速的關(guān)系，利用試算法逐步尋優(yōu)求解。

由于城區(qū)河段涉及橋梁等交叉建筑物較多，橋墩形狀、角度、數(shù)量、過(guò)水面積、橋梁間距等都會(huì)對(duì)橋梁上游壅水產(chǎn)生影響，且密集多橋時(shí)壅水影響會(huì)向上游累積，產(chǎn)生疊加效應(yīng)[6]，因此反映橋梁壅水情況是研究重點(diǎn)之一。目前河道中交叉建筑物的模型參數(shù)選取研究成果較少，本次采用橋孔水力公式[7]、橋涵水文公式[8]等經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行橋梁壅水計(jì)算，并將經(jīng)綜合比選后確定的壅水計(jì)算成果及相應(yīng)交叉建筑物參數(shù)代入一維恒定流水利計(jì)算模型中。

橋孔水力公式如下：

(2)

橋涵水文公式如下：

(3)

式中，Δz—橋前最大壅水高度；K—壅水系數(shù)；vM—沖刷后橋下平均流速；v0M—建橋前橋孔部分的平均流速。

2 研究區(qū)概況

臨安區(qū)位于浙江省西部，東苕溪流域上游，東鄰杭州市余杭區(qū)，是杭州西部重要的工貿(mào)城市和以山水風(fēng)光為特色的旅游城市，總面積3126.8km2。本次重點(diǎn)研究臨安區(qū)東部片區(qū)，土地面積、人口、GDP、工業(yè)增加值分別占整個(gè)臨安區(qū)的30%、65%、56%、73%，是臨安區(qū)的政治經(jīng)濟(jì)文化中心。

流域內(nèi)地形西北高東南低，差別懸殊，地處天目山脈，地形變化復(fù)雜，低山丘陵和寬谷盆地相向排列，交錯(cuò)分布，三面環(huán)山，向杭州灣開(kāi)口，形成一個(gè)東南向的馬蹄形屏障。流域地處東南沿海地區(qū)，每年7—10月間易受熱帶風(fēng)暴或臺(tái)風(fēng)的侵襲，每當(dāng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境或受臺(tái)風(fēng)邊緣影響時(shí)，挾帶大量水汽受地勢(shì)抬升作用，易形成降水過(guò)程，尤其是在9、10月間，北方有冷空氣南下時(shí)，加速冷凝，往往形成強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)暴雨。

流域內(nèi)主要水系有南苕溪及中苕溪，屬典型的山溪性河流，源短流急，洪水暴漲暴落。南苕溪臨安區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)55km，流域面積686.5km2，沿途匯入南溪、馬溪、錦溪、橫溪、靈溪、雙林溪等中小河流，集雨面積12.4～128km2，間有東苕溪流域及杭州市重要防洪大型水庫(kù)-青山水庫(kù)，位于臨安主城區(qū)及青山科技城之間。中苕溪臨安區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)31.5km，流域面積186.6km2，沿途匯入仇溪、白水溪等中小河流，集雨面積40～42km2。研究區(qū)域水系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域水系圖

3 規(guī)劃要點(diǎn)探討

3.1 防洪現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

規(guī)劃區(qū)洪水災(zāi)害成因一方面是受地形氣候影響，河流多為山溪性河流，坡陡流急，洪水暴漲暴落，在特定的地形和氣候條件下，洪水漫溢，極易成災(zāi)。另一方面是城市建設(shè)設(shè)施布局與城市防洪工程體系不匹配，主要表現(xiàn)在河道內(nèi)橋梁、堰壩等建筑物布置不盡合理，部分河段存在淤積問(wèn)題，河道過(guò)流能力欠缺，泄流不暢；同時(shí)內(nèi)部排水體系與市政排水系統(tǒng)不匹配，城市建設(shè)的快速推進(jìn)打破原有的排水系統(tǒng)，導(dǎo)致部分區(qū)塊稍有降雨就發(fā)生內(nèi)澇。

本流域目前已初步形成“上蓄、中疏、下泄、內(nèi)排”的防洪減災(zāi)體系，其中上蓄包括里畈水庫(kù)、青山水庫(kù)、水濤莊水庫(kù)，中疏下泄包括固堤順溪、堤防提標(biāo)改造、阻水橋梁拆除等，內(nèi)排主要是地勢(shì)低洼區(qū)塊新建排澇泵站，使臨安城市防洪能力得到了顯著提高，在歷年防洪減災(zāi)中發(fā)揮了重大作用。目前臨安主城區(qū)防御南苕溪、錦溪、馬溪洪水能力尚未完全達(dá)到50年一遇；青山片防御南苕溪干流洪水能力基本達(dá)到20年一遇，內(nèi)部排澇能力5～10年一遇；中苕溪片防御中苕溪干流洪水基本達(dá)到20年一遇，仇溪、白水溪?jiǎng)t防洪能力不足5年一遇。

目前臨安城市防洪主要存在以下方面的問(wèn)題：一是流域洪水源頭控制能力仍顯不足，城區(qū)防洪壓力較大。南苕溪臨安站以上集雨面積288km2，50年一遇3d洪量為0.85億m3。目前南苕溪上游已建有里畈水庫(kù)，壩址以上集雨面積83.0km2，占南苕溪青柯堰以上流域面積的36%，占臨安站以上流域面積的29%，占長(zhǎng)橋以上流域面積的24%；水庫(kù)設(shè)有防洪庫(kù)容789萬(wàn)m3，占50年一遇3d洪量的9.3%?，F(xiàn)有防洪水庫(kù)控制面積的占比不大，防洪庫(kù)容占比較低，加之水庫(kù)下游河道過(guò)流能力相對(duì)有限，使得南苕溪流域洪水源頭控制能力仍顯不足。此外，里畈水庫(kù)1993年擴(kuò)建工程實(shí)施時(shí)，考慮主城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為20年一遇，與目前50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)已不相適應(yīng)。此外，錦溪、馬溪、橫溪、靈溪規(guī)劃范圍以上流域面積分別占全流域面積的24%、75%、34%、57%，目前河道上游均無(wú)控制性工程。中苕溪上游已建有水濤莊水庫(kù)，壩址以上集雨面積58.0km2，也僅占臨安區(qū)中苕溪集雨面積的31%。主城區(qū)及周邊待開(kāi)發(fā)地區(qū)均位于青山水庫(kù)庫(kù)尾，受青山水庫(kù)回水頂托影響，易造成排水不暢。綜上所述，臨安城區(qū)現(xiàn)狀防洪壓力仍然較大。

二是河道過(guò)流能力欠缺，行洪排澇不暢。歷史上臨安城區(qū)河道由于防洪堤標(biāo)準(zhǔn)不高或者無(wú)堤防，且防洪堤質(zhì)量較差，屢遭洪水掏空決堤，河道卡口眾多，蜿蜒曲折，也易造成行洪不暢。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，河道經(jīng)過(guò)逐年整治，防洪堤標(biāo)準(zhǔn)有所提高，但是部分河段現(xiàn)狀過(guò)水?dāng)嗝嫒匀黄?，且河道?nèi)橋梁、堰壩等建筑物布置不盡合理，洪水期存在較大的阻水問(wèn)題。同時(shí)部分堰前河段存在淤積，導(dǎo)致行洪面積縮減，泄流不暢。

三是防洪工程功能單一，與城市建設(shè)協(xié)調(diào)性不足。南苕溪、錦溪、馬溪、橫溪、靈溪、中苕溪、環(huán)青山湖是臨安城市濱水景觀的主軸線，位于臨安城市發(fā)展的核心區(qū)塊，其沿線區(qū)塊是未來(lái)臨安的重點(diǎn)景觀地帶。近年來(lái)臨安城區(qū)快速發(fā)展，對(duì)河流治理提出了防洪、景觀、環(huán)境、文化等綜合功能要求。根據(jù)調(diào)查了解，目前城區(qū)河道及防洪工程存在設(shè)施陳舊，堤頂路與綠化分界線不明顯，阻水建筑物較多，堰壩布置不盡合理，橡膠壩老化嚴(yán)重，景觀較為生硬單一，親水性不足等問(wèn)題。

3.2 防洪分區(qū)及規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)

城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定除與城市規(guī)模、社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位和城市洪災(zāi)類型組合相關(guān)外，還與城市歷史洪災(zāi)成因、自然與技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件等相關(guān)。城市因受山地或河流自然地形分隔為若干設(shè)防分區(qū)時(shí)，可根據(jù)各防護(hù)區(qū)的重要性選用不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)[9]，不能一概而論。本次根據(jù)防洪保護(hù)對(duì)象所處的地理位置、地形條件、洪水組成等因素，以封閉包圍圈劃分防洪保護(hù)分區(qū)，如圖2所示。GB 50201—2014依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，各分區(qū)常住人口一般小于20萬(wàn)，當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模一般小于40萬(wàn)，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用20～50年一遇。根據(jù)防護(hù)區(qū)的重要性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)、規(guī)劃用地布局、常住人口及當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模、現(xiàn)狀

防洪能力、可行工程措施等方面綜合考慮，從而確定各分區(qū)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。

圖2 規(guī)劃分區(qū)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)圖

3.3 規(guī)劃工程總體布局

城市防洪規(guī)劃方案以城市總體規(guī)劃和所在流域防洪規(guī)劃為指導(dǎo)，從政治、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等各類指標(biāo)加以分析比較，從中選擇最優(yōu)方案，為城市防洪工程建設(shè)提供科學(xué)決策依據(jù)[10- 11]。南苕溪、錦溪、馬溪、中苕溪現(xiàn)有堤線已基本定型，兩岸堤防及堤身外側(cè)均為已建城區(qū)或正處于開(kāi)發(fā)建設(shè)中，向兩岸拓寬的余地不大，青山湖岸線已經(jīng)劃定，橫溪、靈溪、雙林溪目前則開(kāi)發(fā)程度較低。受上游控制性工程不足、交叉建筑物阻水、河道過(guò)流能力欠缺、區(qū)間洪水占比高、青山水庫(kù)回水頂托等因素影響，城區(qū)防洪壓力仍然較大。根據(jù)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)狀存在問(wèn)題，擬采取 “上蓄”、“中疏”、“固堤”、 “地面高程控制”相結(jié)合的治理措施，制定如下治理方案：

“上蓄”：通過(guò)里畈水庫(kù)加高擴(kuò)容、青山水庫(kù)防洪能力提升，以及仇溪上游新建高家頭水庫(kù)等措施，進(jìn)一步增加上蓄工程攔蓄能力，提升水庫(kù)對(duì)源頭洪水的控制。

“中疏”：以河道整治為主，包括河道拓寬疏浚，增加行洪過(guò)水面積，確保排水通暢，提高區(qū)域水面率及雨洪滯蓄能力；阻水建筑物改造，增加過(guò)流能力；沿線堤防型式調(diào)整優(yōu)化，減少行洪影響；局部河段清淤疏浚，恢復(fù)過(guò)流能力。

“固堤”：堤防加固改造，結(jié)合現(xiàn)狀岸段情況及治理需求，進(jìn)行城區(qū)堤防修建、老堤防的固腳防沖和加固加高，以及堤防生態(tài)化改造等。

“地面高程控制”：結(jié)合城市開(kāi)發(fā)建設(shè)，居住用地、工業(yè)用地、公共設(shè)施用地等重要區(qū)塊填高地面，城市綠地、公園廣場(chǎng)等一般區(qū)塊適當(dāng)降低地面高程，改善城市環(huán)境面貌以及提高內(nèi)澇防治能力。

3.4 非工程措施研究

山區(qū)城市防洪非工程措施除了建立完善防洪應(yīng)急預(yù)案、水情監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、防洪減災(zāi)指揮決策系統(tǒng)等常規(guī)措施外，還應(yīng)從全社會(huì)整體角度出發(fā)建立“政府主導(dǎo)、部門(mén)聯(lián)合、公眾參與”，具備調(diào)控性、適應(yīng)性及應(yīng)急性的防洪減災(zāi)應(yīng)急體系[12]。針對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水要做好組織、物資、思想上的準(zhǔn)備，并科學(xué)、合理地規(guī)劃建設(shè)一批城市防洪避難安置點(diǎn)，使洪水災(zāi)害減輕至最低程度[13]。

另外根據(jù)臨安區(qū)城市防洪形勢(shì)及特點(diǎn)，非工程措施還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：

(1)加強(qiáng)海綿城市建設(shè)，統(tǒng)籌自然降水、地表水和地下水的系統(tǒng)性，協(xié)調(diào)給水、排水等水循環(huán)利用各環(huán)節(jié)[14]。結(jié)合市政排水部門(mén)，加強(qiáng)城市排水管網(wǎng)整治，對(duì)城區(qū)內(nèi)部排水渠系、排水管網(wǎng)進(jìn)行延伸及清淤疏浚，保障城市防洪排澇安全。對(duì)局部地區(qū)由于地勢(shì)低洼，且受到河道洪水頂托、市政雨水管網(wǎng)排水能力不足的影響，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)排澇設(shè)施，搶排強(qiáng)排城市積水，緩解城市內(nèi)澇點(diǎn)壓力[15]。

(2)境內(nèi)河流多為山溪性河流，坡陡流急，地表侵蝕與河床沖刷產(chǎn)生的泥沙往往容積淤積在堰壩等建筑物上游，逐年累積導(dǎo)致河道過(guò)流能力減小，需建立河道輪疏機(jī)制，定期不定期開(kāi)展河道輪疏，確保河道行洪安全。

(3)由于臨安區(qū)所處的特殊地理位置，其主城區(qū)城東濱湖區(qū)塊及環(huán)青山湖大部分區(qū)域都位于青山水庫(kù)校核洪水位以下，考慮到青山水庫(kù)防洪的重要性，從保證水庫(kù)防洪功能出發(fā)，今后涉及庫(kù)岸周邊回填區(qū)塊的開(kāi)發(fā)建設(shè)，岸線布置必須嚴(yán)格遵循《杭州市青山水庫(kù)管理和保護(hù)范圍劃定方案》確定的管理控制線坐標(biāo)點(diǎn)以及邊坡設(shè)置的要求，堤頂或擋墻高程31.7m，地坪控制高程不得高于31.2m。其余區(qū)塊結(jié)合城市開(kāi)發(fā)建設(shè)，按照控規(guī)合理控制地面標(biāo)高，居住用地、工業(yè)用地、公共設(shè)施用地等重要區(qū)塊可以適當(dāng)提高地面標(biāo)高，城市綠地、公園廣場(chǎng)等一般區(qū)塊適當(dāng)降低地面標(biāo)高，改善城市環(huán)境面貌以及提高內(nèi)澇防治能力[16]。

(4)加強(qiáng)河道上建設(shè)橋梁、堰壩等涉河建筑物的管理，建議現(xiàn)狀存在阻水影響的建筑物有條件的按照要求進(jìn)行改造。規(guī)劃范圍內(nèi)河道多為山溪性河道，建議少建不建實(shí)體堰壩，多采用氣盾壩、翻板壩等型式，以減少堰壩壅水影響，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)氣盾壩維修養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)化管理，確定洪水期間安全調(diào)度運(yùn)行，洪水來(lái)臨前氣盾壩擋水板置于水平。

(5)青山片南苕溪兩岸保護(hù)對(duì)象包括省科創(chuàng)基地、青山湖科技城、青山湖街道老鎮(zhèn)區(qū)，是臨安區(qū)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)中心區(qū)之一，也是杭州城西科創(chuàng)大走廊的重要組成部分。根據(jù)青山水庫(kù)現(xiàn)狀實(shí)際運(yùn)行調(diào)度來(lái)看，青山片南苕溪基本達(dá)到20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，雖然能夠滿足現(xiàn)階段防洪要求，但隨著杭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步向西推進(jìn)，城西科創(chuàng)大走廊產(chǎn)業(yè)帶不斷擴(kuò)大，青山片作為臨安區(qū)科技城中心，其重要等級(jí)將進(jìn)一步提升，保護(hù)范圍和人口也不斷增加。因此建議盡早開(kāi)展青山水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化、青山片南苕溪防洪治澇標(biāo)準(zhǔn)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的匹配性及防洪排澇能力提升研究。

(6)加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)與管理，協(xié)調(diào)城市防洪與城市建設(shè)的關(guān)系，開(kāi)展雨洪資源化利用[17]、洪水保險(xiǎn)[18]等相關(guān)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以新一輪臨安區(qū)城市總體規(guī)劃格局為背景，采用一維恒定非均勻流水力計(jì)算模型，全面系統(tǒng)梳理了防洪現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，按照分區(qū)設(shè)防原則明確了防洪分區(qū)及相應(yīng)的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)工程總體布局進(jìn)行安排，并針對(duì)臨安區(qū)實(shí)際情況提出了相應(yīng)的規(guī)劃工程及非工程措施。相關(guān)成果可作為臨安區(qū)今后一段時(shí)期內(nèi)城市防洪減災(zāi)體系建設(shè)的依據(jù)，亦可為其他山區(qū)城市防洪規(guī)劃提供一定的參考。