俄罗斯圣彼得堡综合防洪系统运行经验综述

[] I.V.

自俄罗斯圣彼得堡市防洪系统完工以来，在防洪方面发挥了基础性、关键性作用，已成功防止了13次洪灾的发生，体现了其设计的合理性以及运行的及时性。其中，2011年发生的一场洪水，考虑到其可能对市政设施造成的损害(很多具有历史价值的古迹难以用金钱来衡量，此次洪水有可能造成的损失无法准确量化)，被认为是当地有记载以来的5次最严重的水灾之一。

1 圣彼得堡市历史洪水

2011年是圣彼得堡市建城308周年。巧合的是，该市自1703年有记录以来到2011年，也共遭受了308场洪水。在该地区，一场洪水通常会造成涅瓦(Neva)河三角洲水位的上升，超出波罗的海水位1.6 m以上。水位测量点位于圣彼得堡国立矿业大学附近。

圣彼得堡防洪系统总长25 km；共有11座土石坝；6个过流闸调节河道水流；1条宽200 m的主航道，可以通过两个大型闸门启闭；一条宽110 m的辅助航道，可使用1个垂直闸门启闭；通航航道可通船至2扇闸门处；1条6车道公路，构成圣彼得堡市环城公路的一部分；主航道下方有1条公路隧道；1座高架桥(吊桥)位于辅助航道上方(圣彼得堡防洪系统布置(见图1)。

大西洋低气压区形成较长的波浪，在旋风的作用下沿芬兰湾涌向涅瓦河河口，形成洪水。在海上，波浪不会造成危险，但在芬兰湾狭窄的水域则会引起水位急剧上升，形成的洪水对圣彼得堡市构成严重威胁(见图2)。

图2 洪水形成示意

2011～2016年期间，防洪系统有效避免了13次洪灾的发生。而几个世纪观测的数据显示，在此期间，如此大幅度的水位上涨出现频率比以往增加了一倍(见图3)。

图3 圣彼得堡防洪系统运行后的防洪效果

历史上，圣彼得堡曾发生了4次严重的洪灾，对城市造成了巨大的经济损失和人员伤亡，分别是：1777年，水位涨幅3.21 m；1824年，水位涨幅4.21 m；1924年，水位涨幅 3.80 m；1955年，水位涨幅 2.93 m。

图4 2011年12月26日洪水过程线

根据科研发现，暴风雨最严重的情况下，可能导致涅瓦河三角洲的水位上升 5.4 m。若未来出现这种情况，圣彼得堡市被淹没的概率为30%。

2011年12月26日洪水水位涨幅可以排至历史第四，达到甚至超过了1955年洪水水位。根据计算，此次洪水水位涨幅最高达到 2.94 m。这种情况下，市内河流的洪水从河道溢出，导致部分地铁站封闭，历史中心区建筑物的地下室和一楼均被洪水淹没。

图4为初步估计图，说明圣彼得堡防洪闸在2次洪峰过境期间，如何抑制洪水水位上涨。通过打开防洪闸供涅瓦湾泄洪。

从2015年12月5～7日的洪水情况来看，大洪水仍然会发生，圣彼得堡市还是会遭遇与历史洪水量级相当的洪水。然而此次洪水中，水位上升过程中出现了3次洪峰，其中第3次洪峰的峰值水位变化较大，导致洪峰间隔期内防洪闸无法开闸泄洪。历史洪水记录里面尚无此类洪水的记载，因此圣彼得堡防洪系统也首次抵御了这种类型的洪水。

为避免该市在12月6日和7日被洪水淹没，防洪闸必须关闭超过40 h以上。这种极端工况也暴露了防洪系统存在的一个重大问题：在闸门关闭时间如此之长的情况下，涅瓦河的水流正常汇入，导致海湾水位涨至危险的致灾水位，而且涅瓦湾也无法容纳如此大量的来水。

因此，经过此次洪水，大家意识到，要通过在离岸区围海造地的方式，制定一揽子规划，用于城市将来的发展，以防其他的发展模式会降低湾区的蓄水能力。同时，还要在气候条件变化及将来异常高洪水的情况下，保护城市不受洪水侵袭。

2 洪灾警报系统

洪水危险报警系统(FHWS)在圣彼得堡防洪系统的闸门控制中起到了关键作用。

洪水发生时间及量级、水位涨落速率、风速以及与芬兰湾风浪相关各项参数的准确计算，是圣彼得堡市成功抵御洪水的基础。

FHWS通过以下主要方式来提供上述信息，包括水文气象信息(FHWS HMC)、软硬件组件(FHWS HSC)、通信网络以及固定气象观测点。

FHWS通过数学模拟，从欧洲各类来源采集并处理数据，并考虑了芬兰湾离岸区的具体特点。

该系统可连续、自动运行。首先，向防洪系统的值班操作人员发送初步信息，包括测算的国立矿业大学测站的设计基础水位(提前60 h发送，每天发送4次)、气象预报以及未来24 h的气象条件预测。在洪水期间，会提前8 h向防洪系统的操作人员发出初步预报，2 h后提供修改后的预报，以及EMERCOM危机管理中心发出的洪水危险警报。随后，该操作人员会通报管理层以及防洪系统的相关部门。

当有“洪水危险”的警报发出时，各部门都将各司其职，相关设施、设备和系统准备就绪，为闸门的关闭和洪水过流做好准备。

如果水位上升程度和速度与预测值相当或超过预测值，根据防洪系统总指挥的指令，可将“洪水危险”状态转变为“洪水”状态。

根据收到的预报信息，决策支持系统(DSS)得出闸门开启和关闭的时间推荐值。

3 防洪系统总体结构

其他国家的防洪系统通常仅具有一种功能，即保护某一区域不受洪水侵袭。然而圣彼得堡防洪系统有更多功能，包括：避免城区遭受水灾、出入科林岛的交通要道以及海上交通通道等。

自防洪系统投入使用以来，克龙斯塔德(Kronstadt)镇迎来了工业经济和旅游业的新发展。此外，防洪系统的运行经验表明，集水利工程、运输和发电设施于一体的综合枢纽是唯一合适的方案，在该系统建设之前的各种问题也都迎刃而解。

4 环境生态

近来，防洪堤防将涅瓦湾沿戈尔-克龙斯塔德-布龙卡(Gorskaya-Kronstadt-Bronka)海岸线与芬兰湾隔开，形成一个“自由出入流”的水库。通过打开防洪系统中的航道和水道，水流在涅瓦湾与芬兰湾之间自由流动，总面积达9 610 m2，顶部长度为1 864 m，相当于涅瓦河河口长度的 1.5倍。

防洪系统还可以与当地部分废水处理厂共同发挥作用，对沿防洪堤的高速公路以及防洪枢纽内部区域产生的废水进行综合处理。在防洪闸范围内的观察表明，该工程在环保方面的措施，能够使生态系统达到理想状态。

如今，排放到涅瓦河的工业和公共用水 98.5%已经过处理。在2020年沃赫金斯基(Okhtinsky)污水管投入使用后，涅瓦河废水处理率将达到100%。

在洪水期间，所有航道闸门及水道均会关闭，从而避免污水从芬兰湾东侧流入涅瓦湾的离岸区。因此，2011年投入使用的防洪系统和2013年该市北侧的主下水道的竣工，将进一步促进涅瓦湾和涅瓦河三角洲的水流净化。

冬季和春季，在防洪系统的离岸区内，出现了波罗的海灰海豹和环斑海豹，证明该区域的生态环境得到了显著改善。

2016年5月，在防洪系统航运通道S-1隧洞的草坪上，首次发现了大量樱草，这种植物在该区域十分罕见，也证明了防洪系统区域内的生态保护系统取得了令人满意的效果，生态系统的恢复过程完全符合专家在工程规划和建设期的预测。修建如此大型的海上水利枢纽设施不会对环境造成负面影响。

5 防洪系统运行保证

如今，俄罗斯联邦对水利工程安全进行了立法，工程运行方负责保证设施的安全性，并建立相关的检测和决策体系。FPB的管理层为了遵守联邦法律，采用了综合运行机制，从技术和实践方面保证系统的安全运行。

在运行实践的框架内，制定并实施了一套记录和规章体系，统一命名为“防洪工程运行标准”。该标准规定并明确了与整个防洪系统运行相关的全部技术和组织流程。

俄罗斯水利工程领域权威研发机构的专家为该系统的运行提供了技术支持。

根据运行经验，部分关键组件和结构在运行期间可能会出现一些“瓶颈”问题。采用最新的技术，如激光扫描、摄影测量、高精度大地测量、压力控制和分析等方法，对系统实施监控。

防洪系统指挥部的工作人员定期接受各种交互性培训课程和能力发展培训。此外，在市政和联邦相关部门的帮助下，还计划准备定期实施特别演练，如反恐培训等。

6 结 语

圣彼得堡防洪系统投运5 a期间，证明了工程设计具有合理性，并能够安全可靠运行，能保护圣彼得堡市免受洪水侵袭。

该工程独特的水利机械设施要求在工程运行期间进行综合监测，并能不间断分析。此外，还需对该工程的维护维修工作进行谨慎而准确的规划，以保证水工结构达到安全运行要求。

由于气象和水文条件对工程整体运行情况和各局部情况影响较大，为保证防洪系统的长期稳定运行，有必要在对气象和水文条件进行准确计算的基础上，用一种革新的概念来重新审视工程的整体性及其组成部分。