某河流水系連通方案淺析

陳巧紅，鄧銀玲

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430061）

城市水系作為城市景觀的主要構(gòu)成部分，以水為物質(zhì)和能量的傳輸廊道，形成了一個在平面上由河道和濱水區(qū)組成、在空間上呈網(wǎng)狀分布的復(fù)雜系統(tǒng)，并提供了多樣的生態(tài)服務(wù)功能。當(dāng)前，因經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致河道淤積、河道阻斷、河道生境被破壞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，為達到水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀、水管理良好有序的整體目標(biāo)，城區(qū)水系連通工程正在全國各地開展。水系連通性系指在自然和人工形成的江河湖庫水系基礎(chǔ)上，維系、重塑或新建滿足一定功能目標(biāo)的水流連接通道，以維持相對穩(wěn)定的流動水體及其聯(lián)系的物質(zhì)循環(huán)的狀況。水系連通可從根本上提高水資源配置能力、改善水生態(tài)健康狀況、增強抵御水旱災(zāi)害能力、實現(xiàn)人水和諧。本文以棗陽市沙河流域護城河為研究對象，針對護城河現(xiàn)狀不滿足防洪排澇要求、水環(huán)境問題突出、水景觀效果差等問題，從滿足城市排澇的要求出發(fā)，堅持河道治理與水安全、水環(huán)境、水景觀的要求相協(xié)調(diào)，探討護城河水系連通方案。

1 河流概況

沙河屬于滾河支流，發(fā)源于隨州境內(nèi)的吳山鎮(zhèn)七尖峰，流經(jīng)棗陽市，在琚灣鎮(zhèn)東1．0km處與滾河干流匯合，流域面積803km2，河道全長80．0km，平均縱坡比降為1．4‰。沙河棗陽城區(qū)段主要有三條支流，護城河、東冷水溝、西冷水溝。護城河位于棗陽市主城區(qū)，流域面積0．795km2，工程實施后河道長2．43km，平均縱坡比降為 0．33‰。

護城河是棗陽市母親河，歷史上為棗陽市的發(fā)展做出了重要貢獻。20世紀(jì)70～80年代，為發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖，護城河被分割為1#～11#池共計11個魚池（現(xiàn)狀已廢棄），9#～10#池被填，并于原河址修建棗陽步行街，11#池至沙河段已建成房屋，見圖1。現(xiàn)狀護城河兩岸建筑林立，房屋密集，護城河被分割為多個支離破碎的水域，與沙河未連通，兩岸生活污水直接排入河道，現(xiàn)狀雨污水通過8#池末端暗涵排入沙河。

圖1 護城河與沙河水系連通設(shè)計河道走向圖

2 方案設(shè)計難點剖析

河流水系連通需要緊密結(jié)合流域水系規(guī)劃和現(xiàn)狀，充分協(xié)調(diào)人水關(guān)系，并處理好水系布局與流域空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在區(qū)域景觀尺度上，水系連通需要結(jié)合區(qū)域水系與景觀、環(huán)保、市政，充分兼顧水體、岸線和濱水空間三個層面的功能協(xié)調(diào)，使三個層面相得益彰，形成完善合理的水系空間景觀體系。根據(jù)沙河流域防洪規(guī)劃，沙河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，護城河防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。在進行水系連通方案設(shè)計時，主要有以下幾處難點。

（1）護城河淹沒分析。當(dāng)護城河遭遇沙河50年一遇洪水位時，護城河河口洪水位為108．89m，護城河沿程洪水位受沙河高水位頂托影響。通過明渠進行護城河與沙河水系連通時，現(xiàn)狀護城河11#池部分房屋、3#～8#池右岸房屋地面標(biāo)高107．8～105．0m，相應(yīng)段20年一遇設(shè)計洪水位為109．04～109．95m，兩岸約有1180m，面積為22000m2的建筑用地被淹。在汛期遭遇洪水時，會嚴(yán)重影響兩岸居民的財產(chǎn)安全。

（2）水環(huán)境風(fēng)險分析。8#池末端暗涵是現(xiàn)狀護城河唯一的行洪通道。根據(jù)物探，現(xiàn)狀暗涵長約680m，暗涵內(nèi)部淤積嚴(yán)重，垃圾堆積如山；暗涵已成為城市市政截污干管，內(nèi)部共計有29個排污口；暗涵末端接入沿沙河的污水干管，污水最終流入污水處理廠，汛期行洪時污水會隨洪水合流入沙河，污染沙河水質(zhì)。

（3）水景觀問題分析。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市水域一直處于被掠奪開發(fā)的狀態(tài)，工業(yè)廢水、生活污水的任意排放造成城市水域臟、亂、臭；填湖填河造地、擴大建筑面積等造成水域的不斷萎縮等等。對于棗陽市，護城河是不可多得的城市水域景觀河道。根據(jù)地勢、地形及景觀節(jié)點建設(shè)特點需在護城河全河段維持景觀水位107．30m以上，以滿足景觀及居民親水性的需要。護城河現(xiàn)狀無涉河建筑可壅高水位，2#～8#池左右岸均為直立擋墻，無做溢流壩等攔水建筑物的空間。

3 水系連通方案

3.1 理論依據(jù)

針對護城河流域現(xiàn)狀，本設(shè)計方案設(shè)計主要采用MIKE11一維水動力模型。

MIKE11主要適用于河口、河流、灌溉渠道以及其他水體的模擬一維水動力、水質(zhì)和泥沙運輸。MIKE11是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。計算流態(tài)為非恒定流計算，計算時同時輸入洪水過程、水面線成果提取最高水位，即對應(yīng)的最大流量水面線為計算成果。

無旁側(cè)入流方程組的具體形式如下:

式中，x，t分別為空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)；Q，h分別為斷面流量和水位；A，R分別為斷面過流面積和水力半徑；B為河寬；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；α為垂向速度分布系數(shù)，，其中u為斷面平均流速。

方程（1）為連續(xù)性方程，反映了河道中的水量平衡。方程（2）為運動方程，其中第一項反映某固定點的局部加速度，第二項反映由于流速的空間不均勻引起的對流加速度，前兩場合稱為慣性項；第三項反映了水深的影響，為壓力項；第四項反映了摩阻和底坡的影響。

3.2 規(guī)模論證

將護城河作為城區(qū)排澇河道進行方案設(shè)計，在護城河末端新增防洪閘和排澇泵站，當(dāng)護城河水位高于沙河水位時，開啟閘門，護城河上游來水自流入沙河；當(dāng)汛期沙河水位較高時，關(guān)閉閘門，并啟動排澇泵站抽排澇水入沙河。將4#池末端過路暗涵改建為橋梁，橋梁下新建溢流壩，與末端防洪閘聯(lián)合運行，保證護城河景觀水位，把改善護城河水域景觀列入水系連通工作的任務(wù)根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006）計算護城河設(shè)計洪水?，F(xiàn)狀8#池右岸房屋地面較低，是護城河最易致澇的區(qū)域，由該處房屋地面高程推至站前水位為泵站最高運行水位。根據(jù)沙河逐月平均水位和護城河景觀水位要求，擬定泵站起排水位106．8m，采用動庫容分時段調(diào)蓄演算計算泵站規(guī)模，擬定泵站規(guī)模為8m3/s

3.3 水系連通方案特點分析

（1）減少征地拆遷。傳統(tǒng)閘站分離的排澇設(shè)施具有占地大、建構(gòu)筑物龐大等缺點，對房屋等建筑林立的主城區(qū)，拆遷難度大一直是排澇項目推進中的重難點。一體化泵閘是應(yīng)運而生的高效泵送方式，它將泵組直接布置在閘門上，閘門既是擋水結(jié)構(gòu)又是水泵支承的基礎(chǔ)使水閘和泵站合二為一。占地小，安裝方便，迅速高效又能實現(xiàn)防洪排澇、改善水體環(huán)境等多項目標(biāo)。本次在護城河采用現(xiàn)代化的一體化泵閘，泵閘建于河道內(nèi)，克服了因泵站建設(shè)增加拆遷的問題，與護城河兩岸房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相協(xié)調(diào)，避免水系連通對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的不利影響。

（2）提升水景觀。護城河采用一體化泵閘的水系連通方案，封堵現(xiàn)狀行洪暗涵，降低了護城河沿岸設(shè)計水位，與護城河兩岸房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相協(xié)調(diào)。針對現(xiàn)狀護城河水域支離破碎、親水性差等問題，護城河末端防洪閘與4#池末端溢流壩聯(lián)合運行，可在護城河全段形成穩(wěn)定的景觀水面，使護城河水域面積增加約50%，有效改善水域景觀。

4 結(jié)語

（1）采用分時段排澇演算的方法對護城河進行排澇設(shè)計、輔以MIKE11一維水動力模型計算河道沿程水位，采用一體化泵閘的水系連通方案，可滿足流域防洪排澇的要求。水系連通后形成穩(wěn)定寬闊的水域，為打造護城河水域景觀創(chuàng)造了有利條件，實現(xiàn)了護城河防洪排澇水安全建設(shè)與區(qū)域水景觀提升的雙重目標(biāo)。（2）對拆遷難度大、河道兩岸房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)高較低的城市河道水系連通方案的設(shè)計提供了借鑒。