提高武汉市机场河及黄孝河排渍能力

以湖泊调蓄为主改善生态环境的研究

赖宣芹
武汉土木建筑学会

　　摘 要 引汉江、府河水入东西湖，排渍防涝市政工程，以湖泊调蓄为主，泵站抽排为辅，综合开发，综合利用，改造自然，美化环境；退田还湖，人工整治恢复东西湖调蓄雨水的功能，于黄家大湾张公堤外箱涵出口，至常青泵站的5.5公里河段（原东西湖地区），建造两条宽250米，深6.5米，长5500米的人工湖，可调蓄雨水900万立方米，占1982年6月20日一天降雨量306毫米径流量1100万立方米的82％。挖湖抬地，堆填出三条宽350米，长5500米的堆土带，将东西湖地区建造高起点的生态农业园及山水园林城。
　　关键词 引江入湖 排渍防涝

1 机场河分流工程及古田地区排水的基本情况

　　原黄孝河是通过汉口市区的一条排雨水、污水河道，起于桥口区新华路以西航空路区域，经江汉区到江岸区后湖岱家山闸出府河，全长12.4公里，流域面积84.6平方公里。
　　机场河排水分流工程，是于1982年将黄孝河上游新华路以西汇水面积24.7平方公里的雨水，经城区地下箱涵，黄家大湾闸，分流至东西湖明渠，由东西湖堤角常青泵站排入府河。泵站抽排能力53.6立方米／秒，每平方公里泵站抽排量为2.2立方米／秒，东西湖原为广阔的天然湖泊，于1958年围垦为种植区。
　　古田地区（又称长丰南北垸）排水工程，汇水面积30.0平方公里，雨水经新墩闸、禁口闸、东西湖明渠至李家墩泵站排入府河；泵站抽排能力37.7立方米／秒，每平方公里泵站抽排量为1.3立方米／秒。

2 机场河分流工程及古田地区排水工程规划设计方案简述

2.1 机场河分流工程
　　机场河全长11.4公里，其中城区地下箱涵长5.62公里，由单孔箱涵宽3.4米，高1.75米，长1810米；双孔箱涵宽5.1--6.8米，高2.7米，长3810米组成，箱涵出口断面积18.4平方米，两侧排水管进入地下箱涵的管口底部高程16.5-17.5米，纵坡万分之二；明渠长5800米，深5.4米，底宽7.5米，顶宽13.4米，箱涵出口渠底高程15.6米（首端），常青泵站前渠底高程15.10米（末端），纵坡万分之一，设计水深2.25米，排水能力37立方米/秒。
　　于东西湖堤角建常青泵站一座，排水能力53.6立方米/秒，最高水位19.90米，正常水位17.60米，起排水位17.00米，最低水位（停机水位）16.00米（后湖三期泵站为14.2米）。
2.2 古田地区排水工程
　　古田地区（又称长丰南北垸）汇水而积30.0平方公里，该地区雨水从张公堤禁口闸入东西湖明渠（约6公里）至李家墩泵站排入府河，泵站抽排能力37.7立方米／秒。
2.3 汉口西部排水工程
　　现规划设计将上述机场河分流工程及古田地区排水工程合二为一，统称汉口西部排水工程，汇水而积共54.67平方公里，两部份雨水经东西湖明渠至李家墩泵站及常青泵站排入府河。拟再兴建一座排水能力为160立方米／秒的排水泵站，加上已有的常青泵站及李家墩泵站共计排水能力为250立方米／秒，再建泵站投资约6.5亿元（按武昌新生排水泵站造价估算）。

3 历年较大暴雨统计及城市排水的设计标准

3.1 历年较大暴雨降雨量
　　1982年6月19日下午2时至20日下午2时，24小时降雨量达364毫米。1991年7月2日至12日，10天降雨量达686.5毫米。1998年7月21日至22日，两天降雨量达446毫米。从1959年至1999年4o年间降雨量超过300毫米的出现过三次。历年较大暴雨降雨量统计如下
表：

时间 一天降雨量（毫米） 最大小时降雨量（毫米） 备注 1959年6月9日 332.6 74.9 1961年6月9日 181.6 47.9 1962年7月5日 286.8 63.6 1964年8月23日 252.9 98.6 1982年6月20日 306.3 49.4 1983年7月3日 193.1 32.5 1991年7月5日 131.4 44.2 1998年7月21日 256.0

3.2 排水设计标准
　　原方案设计标准，下水道设计暴雨重现期P=1（年），相当于小时降雨量34.3毫米（远低下表中较大暴雨年小时最大降雨量）；泵站抽排能力，日降雨量300毫米时，大部分地区渍水两天排完，局部地区清水三大排完，1998年7月21日至22日，两天降雨量446毫米，大部分地区渍水三天排完，局部地区渍水四天排完。

4 原设计方案存在的主要问题

4.1　设计标准太低
　　武汉市随着国际大都市现代化的不断发展，渍涝灾害造成的损失越来越大，排水标准的要
求必然越来越高。原方案设计标准，下水道设计暴雨重现期P=1（年），相当于小时降雨量34.3毫米，设计标准太低。笔者认为，下水道设计曝雨重现期最小也应取P=5（年），相当于小时降雨量50.0毫米。
　　机场河排水分流工程已建成近20年，运行的情况表明，由于泵站抽排能力不足、干渠及管道过水断面太小、河道过长（11.4公里）、坡度太小（万分之一、二）、以及下游河段（明渠5.8公里）雨水对城区地下箱涵的顶托阻滞等作用，使城区渍水排除缓慢，形成先淹后排的结局。在日降雨量300毫米的情况下，大部分地区受淹达两天，局部地区受淹达三天。1998年7月21日至22日两天降雨量446毫米，大部分地区受淹达三天，局部地区受淹达四天，渍涝灾害比黄孝河区域严重，经济损失超过5亿元。
4.2 城区5.6公里地下箱涵排水，受下游河段雨水顶托阻滞及泥砂淤积影响严重
　　城区地下箱涵成为排水的咽喉（瓶颈），如排水不畅或堵塞，将给城区排水造成严重的影响。日降雨显300毫米及1998年两天降雨量446毫米，观测表明，有不少路而下水道井盖向上冒水（路面高程20.5米）。按地下篇涵排水管出口底部高程16.5～17.5米计算，受顶托、淤积抬高水位超过3米，造成城区渍水排除缓慢，先淹后排的结局，地下箱涵受雨水顶托及泥砂淤积影响严重。
4.3 城区地下箱涵泥砂的淤积
　　由于排水干渠（箱涵及明渠）纵向底坡很小（万分之一、二），流速也就很小，泥砂的淤积是必然的，据观测，局部及整体淤积都比较大，泥砂的淤积必然减少过流断面及抬高水位，对城区排水造成严重的影响。
4.4 机场河上游地下箱涵及下游排水泵站已成现实
　　如泵站的装机高程、箱涵的高程及深度、箱涵的过水断面及纵坡、河道的长度等已不可能改变的情况下，如泵站停机水位为6.0米，汇水区上游河道水面高程按17.5米计（地面高程约20.5米），河道全长为11400米，最大水面坡降为（17.5—16.0）/11400=0.13‰；即万分之1.3，流速与水面坡降成正比，流星与断面及流速成正比，因干渠来水量受限制，即使于下游末端再建泵站，也不可能解决原方案现存在的上述主要问题，

5 解决原方案现存在问题的建议

　　1）于地下箱涵出口张公堤的外侧建造一座污水截流闸及一座排河水泵站，以消除污水对东西湖的污染，为下游地区的综合开发及箱涵实现水力消淤与污水处理等创造必要的条件。将旱天污水送至府河滩地生物净化污水氧化田进行处理。
　　2）引江水入湖，排渍工程，以湖泊调蓄为主，泵站抽排为辅，泵站抽排为辅，综合开发，综合利用，改造自然，美化环境；进田还湖，人工整治恢复东西湖调蓄雨水的功能，建造高起点的生态农业问及山水园林城。
　　于东西湖区，从张公堤外侧机场河地下箱涵出口至堤角常青泵站的5.5公里河段，建造两条宽250米，长5500米，深6.5米的人工湖，上游湖底高程14.2米，下游湖底高程14.0米，湖水面积2.75平方公里；挖湖抬地，将人工湖两侧堆填出三条宽350米，长500米，面积5.78平方公里的堆土带；形成宽1.55公里，长5.5公里，总面积8平方公里的开发带，建造带状公园式，功能较全的生态农业园及山水园林城。在目前机场河已存在问题来看，以湖泊调蓄为主泵站抽排为辅进行技术改造，有着十分重要及现实意义。
　　解决东西湖水源提高水质的方法，拟将府河向上游西南方向城区边缘延伸，将汉水引入府河，使府河成为汉口城区西南侧的环城河，东西湖从府河引入水源，以提高东西湖的水质，改善东西湖地区的生态环境。

6 排渍效益及经济效益

6.1 排渍效益
　　人工湖总宽度500米，长5500米，正常水位19.5米，最低水位16.0米，正常水深5.4米，最小水深1.8米，蓄水深度3.5米，调蓄水量900万立方米。按日降雨量300毫米，平均径流系数0.71计，汇水面积54.67平方公里，地面径流量1100万立方米，调蓄水量占降雨量径流量的82％，未被调蓄的水量为200万立方米，已有泵站抽排能力为91.3立方米／秒，6小时即可将未被调蓄的水量排完；按两天降雨量550毫米计，地面径流量为2000万立方米，调蓄水量占降雨径流量的45％，未被调蓄的水量为1100万立方米，33小时即可将未被调蓄的水量排完，由此可见，人工湖调蓄的排水效果，相当于再建三座排水量为90立方米／秒泵站的排水效果，而人工湖调蓄雨水，按地面高程20.5米计，可使箱涵出口产生4.5～3.5米的水位落差（湖水最低水位与箱涵出口底板高程相同），使地下篇涵的水位坡降及流速、流量提高三倍以上，可完全消除原方案下游5.5公里河段雨水对上游城区地下箱涵来水的顶托阻滞作用，消除城区渍涝的时间短，比泵站抽排快三倍以上，且投资省、可靠性高、运行费用低、综合效益好，是泵站抽排不可比拟的。
6.2 经济效益及社会效益
　　“建议方案”的特点是，从土地的深度利用出发，最大限度挖深人工湖，可使城区地下箱涵出口获得最大的水面坡降及流速，以最短的时间消除城区渍涝灾害，以最小的湖泊面积获得最大的调蓄容量，达到立体开发立体利用的效果。
　　湖泊土方开挖量为1800万立方米，土方工程的综合造价按每立方米土20元计，人工湖的造价为3.6亿元，建排水能力为160立方米／秒的泵站造价为6.5亿元，两相比较，前者节约2.9亿元，山此可见，利用人工湖调蓄雨水，既节约投资，又获得最好的排渍效果，是再建泵站不可比拟的。
　　人工湖正常水深5.4米，水面积2.75平方公上，水体1500万立方米。引汉水入湖净化水质，利用湖泊进行立体养鱼，养鱼产值比土地种植的产值高。两湖之间的堆土带（宽350米，长5500米）建设生态观光农业，种植果树花木；湖泊两侧的堆土带（宽700米，长5500米）建造带状公园式，功能较全的山水园林城，8平方公里的开发带（宽1550米，长5500米），将大大升值，一举多得，其经济效益、社会效益、环境效益十分可观。

7 建议方案的主要忧点

7.1 大大提高排渍的能力，可消除城区的渍涝灾害
　　从地下箱涵出口开始、人工湖可调蓄雨水900万立方米，已有泵站抽排能力91.3立方米/秒。按日降雨量300毫米计，地面径流量为11O0万立方米，调蓄水量占降雨量径流量的82％，6小时即可将未被调蓄的水量排完；按两天降雨量550毫米计，地面径流量为2000万立方米，调蓄水量占降雨径流量的45％，未被调蓄的水量为1100万立方米，33小时即可将未被调蓄的水量排完。由此可见，中等的降雨可当时排完，大的降雨（日降雨量30O毫米）可半天内排完，特大的降雨（两天降雨量550毫米），可一天半内排完，可消除城区的渍涝灾害，投资比建泵站省、可靠性高、运行费用低、环境效益及社会效益好，是泵站抽排不可比拟的。
7.2 消除城区地下箱涵排水受下游河段的顶托阻滞，排除渍涝的时间快
　　人工湖最低水位16.0米（与箱涵出口底板高程相同），最高水位19.5米（与箱涵顶板底高程相同），两条共500米宽的人工湖调蓄的同时，泵站同时抽排，箱涵出口顶地面（高程20.5米）至湖水面落差4.5～3.5米，可大大降低箱涵的水面线，大大增加箱涵的水面坡降、流速与流量，流量可增加3倍以上，消除箱涵水位对排水管出口的顶托，大大加快排除渍涝的时间，比长距离泵站抽排快三倍以上。
7.3 消除城区地下箱涵泥砂的淤积和爆炸
　　由于人工湖起始水位低，持续时间长，可使箱涵水面坡降增加3～4米，流速可比原设计方案提高三倍以上，远高于水力消淤的临界流速，从而消除箱涵的淤积和爆炸。
7.4 消除污水对下游东西湖的污染
　　为湖区的养鱼、种植、综合开发、综合利用，建造生态农业园及山水园林城创造良好的条件。
7.5　因地制宜开发河滩
　　于唐河滩地建造大面积的生物净化污水氧化田，开辟一条投资少、运行费用低、经济有效的污水处理新途径。

8 结 语

　　城市排渍工程的设计标准，必须符合城市发展的要求。由于机场河排渍工程，暴雨重现期、泵站抽排能力、排水干渠的过水断面、坡降及深度的设计标准很低；特别是不能改变的地下箱涵，纵坡万分之二，地面至底板最大深度5米，箱涵出口断面18.4平方米，设计标准相对更底，排水能力为37立方米／秒，与现有常青泵站抽排能力53.6立方米／秒相比，只有泵站抽排能力的70％，相差较大，若再建新泵站相差更大。笔者认为，满足城市发展要求的城市排渍工程，明渠及地下箱涵的设计，要有足够的深度、坡度及断面，箱涵内的水面线，应处于两侧排水管进口底部高程以下，使排水管口不受箱涵水位的顶托，箱涵出口已汇集排水区的全部水量，箱涵出口的排水能力应与泵站排抽能力相同。
　　由于现有地下箱涵出口的排水能力，与现有泵站抽排能力已不能匹配，如再建新泵站，增加机场河抽排能力160×0.45=72立方米秒，更加不匹配，来水能力远小于抽排能力，故再建泵站，是不能解决原设计现存在上述主要问题的。
　　在现有特定条件下，如泵站装机高程，最低水位，箱涵的高程、过水断面及水面坡降不可能改变的情况下，采用深挖人工湖进行调蓄，使箱涵出口能产生4.5-3.5米的水位落实，可大大增加箱涵的排水能力，比原设计排水能力提高3倍以上，消除渍涝的时问也快3倍以上，是解决城区清涝灾害唯一有效的方法。

参考资料

　　[1]赖宣齐：“我对黄孝河整治工程的一点建议”《武汉科技报》1987年6月20日
　　[2]赖宣芹：“排渍工程以湖泊调蓄为主，泵站抽排为辅的建议”《武汉科技交易报》1984年11月28日
　　[3]专家对“黄孝河治理工程方案”进行评议报导[1985年元月25日武汉科技交易报
　　[4]国家计委办公厅计办资〔1987〕83号文及湖北电视台制作《老水利的情怀》电视光盘
　　[5]赖宣芹：对解决“武汉市黄孝河排渍工程现存在问题的建议报告”1999年12月20日