復(fù)雜水利邊界條件下的高密度建成區(qū)河道分洪調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)計

黃偉斌，張奕澤，濮安熠

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

四千多年前的遠(yuǎn)古大禹治水，疏通江河，引匯百川人海，定九州?！绊?biāo)?，不與水爭勢，導(dǎo)之人海。為達(dá)此目的，高者鑿而通之，卑者疏宣之”，治水要遵從自然規(guī)律[1]。在長期的探索治水歷史長河中，鯀的“堵”法、禹的“疏”法、李冰的“堵、泄、疏”綜合運用法等，都是今天我們研究治水害、興水利的基礎(chǔ)。城市擇水而居，高水而居，可以說有了水，城市便有了生命，進入新世紀(jì)以來我國城市的規(guī)模進一步擴大，在全球氣候變化與快速城鎮(zhèn)化背景下，城市洪澇災(zāi)害日益嚴(yán)重，很多城市出現(xiàn)了多雨期的“逢雨必澇”現(xiàn)象，多座城市年年看“?！薄Ｈ绾斡行У胤乐纬鞘泻闈碁?zāi)害，給我們提出了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合深圳寶安區(qū)某河道防洪排澇整治項目，通過計算結(jié)構(gòu)物過流能力，將其與水動力矩陣方程耦合的驗算結(jié)論，采用上游水庫分洪、高壓走廊滯洪區(qū)分片調(diào)蓄、下游河道拓寬疏浚及澇片分散治理等措施，通過降低河道沿線設(shè)計水位，解決了流域防洪、沿線低洼區(qū)塊的排澇等問題[2]，有利于提高居民生活質(zhì)量，促進區(qū)域社會經(jīng)濟和諧發(fā)展。可為今后其他類似工程特別是在城市高密度建成區(qū)域，尋求比較合理、經(jīng)濟且可行的設(shè)計方案[3]。

1 研究背景

1.1 工程背景

潭頭河位于深圳寶安區(qū)沙井北、松崗南，屬茅洲河二級支流，為排澇河一級支流，發(fā)源于五指耙水庫西側(cè)山谷，由東向西穿越廣深公路，廣深高速公路，于潭頭二村西匯入排澇河，河流經(jīng)密集城區(qū)段因下游排澇河水位頂托，同時廣深高速以上段暗涵過流斷面寬窄不一，過流能力受限，造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。該流域包括潭頭河干流、左支及磨圓涌支溝，河道總長約8.02km。

本次研究根據(jù)現(xiàn)狀存在的問題，綜合考慮五指耙水庫分洪入潭頭河流域、潭頭渠分洪入潭頭河流域等工程邊界及解決潭頭河流域廣深高度暗渠出口以下段局部低洼區(qū)域存在內(nèi)澇風(fēng)險等工程任務(wù)的基礎(chǔ)上，對潭頭河流域綜合整治工程的工程方案、工程內(nèi)容、工程運行調(diào)度方式進行系統(tǒng)考慮，提出系統(tǒng)解決潭頭河流域洪澇問題的規(guī)劃設(shè)計方案[4]。

1.2 邊界條件分析和模型計算

1.2.1邊界條件分析

(1)流域需新增接納五指耙水庫50年一遇以下頻率的洪水

根據(jù)調(diào)查，五指耙水庫下泄通道在下游修建市政道路時已被完全堵塞，在暴雨洪水期間水庫溢洪時，水庫下泄洪水將與下游城市區(qū)域澇水爭奪排水出路，洪澇水均無法及時排走。水庫及其下游區(qū)域的泄洪通道不暢對附近居民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，存在嚴(yán)重的安全隱患。根據(jù)《深圳市防洪潮規(guī)劃修編及河道整治規(guī)劃》要求，需將五指耙水庫洪峰跨流域分至潭頭河流域，50年一遇最高洪水位為27.57m，最大下泄流量為11.15m3/s，五指耙水庫原溢洪道不參與泄洪[5]。

(2)流域需額外接收潭頭渠上游松崗大道以東1.02km2洪水分洪

2015年10月，深圳市發(fā)改委對《潭頭河綜合整治工程可行性研究報告》的批復(fù)中寫到：“已批復(fù)的《松崗潭頭渠綜合整治工程可行性研究報告》提出的防洪方案擬將潭頭渠上游片區(qū)的高水沿松崗大道東側(cè)新建箱涵向潭頭河分流，建議兩個項目的建設(shè)單位進一步協(xié)調(diào)“松崗潭頭渠整合整治工程”和“潭頭河綜合整治工程”的排洪方案”。因此，本項目額外接收潭頭渠流域分洪，其20年一遇的分洪流量經(jīng)復(fù)核后為21.8m3/s。

(3)根據(jù)片區(qū)管網(wǎng)施工圖、物探資料、潭頭河20年一遇洪水位，初步確定20年一遇洪水位時，潭頭河流域內(nèi)有3個區(qū)塊存在內(nèi)澇風(fēng)險。受下游排澇河20年一遇3.74m的高水位控制[6]，排澇河廣深暗渠至排澇河河口20年一遇洪水位為3.74～4.34m，該3個區(qū)塊地勢大部分低于20年一遇洪水位，雨水管受洪水頂托甚至倒灌，無法外排，區(qū)域存在內(nèi)澇風(fēng)險。

1.2.2模型計算

(1)水利計算方法

計算方法采用MIKE11軟件[7]中的HD(水動力學(xué)模塊)非恒定流進行計算，即運用水動力學(xué)模塊分析規(guī)劃河道不同方案下的各控制斷面水位。模型采用SO(控制構(gòu)筑物模塊)對閘堰、橋梁進行模擬，有建筑物的斷面均按實際結(jié)構(gòu)物的位置和形式來處理，通過計算結(jié)構(gòu)物過流能力，將其與水動力矩陣方程耦合。一維非恒定流數(shù)學(xué)模型采用圣維南明渠非恒定流偏微分方程組[8]：

式中，B—水面寬；Z—水位；Q—流量；q—旁側(cè)入流；v—斷面平均流速；g—重力加速度；A—過水?dāng)嗝婷娣e；K—過水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)。水利計算主要依據(jù)河道水系規(guī)劃方案所規(guī)劃的河道、水閘、泵站規(guī)模及調(diào)度方式，通過水系概化、水庫調(diào)洪演算及非恒定流演算方法，得到各設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計流量和最高水位[9]。

(2)水利計算邊界條件

上邊界潭頭河入口為五指耙水庫分洪入潭頭河的流量過程；下邊界依據(jù)已批復(fù)的《茅洲河流域水環(huán)境綜合整治工程——排澇河截污工程》，排澇河全河段均為感潮河段，河道水面線分別按照“以洪為主”和“以潮為主”兩種組合情況進行計算，最終設(shè)計水位成果取“洪潮外包線”成果[10]，根據(jù)崗頭調(diào)節(jié)池水位往上游推算確定，潭頭河河口20年一遇洪水位為3.74m；內(nèi)邊界為區(qū)間澇水過程作為區(qū)間入流加入模型，并額外考慮潭頭渠上游松崗大道以東21.8m3/s洪水分洪。

(3)河道水系概化

概化河道系統(tǒng)必須能夠模擬計算區(qū)域的蓄水能力，水流方向，且應(yīng)與規(guī)劃水系一致。將潭頭河、潭頭河左支流、磨圓涌支流等河道作為主干河流，區(qū)間入流作為均勻流匯入。斷面間隔在80～150m，平均斷面間隔約100m，閘堰工程、公路橋作為河道內(nèi)邊界的水利因素[11]。

對于閘門：設(shè)置合理的開啟高度，控泄滯洪區(qū)洪澇水均勻下泄至下游，充分發(fā)揮滯洪區(qū)的滯蓄能力，降低下游洪澇壓力。對于泵(閘)站：在泵站起排水位以下并上游水位高于下游水位時，閘門全開，自流泄洪；當(dāng)水位高于起排水位時，閘門關(guān)閉，啟用泵站強排澇水。

2 規(guī)劃設(shè)計方案

2.1 五指耙水庫分洪和高壓走廊區(qū)域調(diào)蓄

針對五指耙水庫50年一遇以下頻率的洪水，最大下泄流量為11.15m3/s，本次通過改造水庫泄洪建筑物，將五指耙水庫洪水跨流域分入潭頭河，新建分洪隧洞軸線穿越田園路東側(cè)山體，洞身軸線全長741m，進口布置于五指耙水庫主壩左壩肩，隧洞進水口設(shè)置控制閘門。隧洞出口通過10.0m(長)×5.0m(寬)消力池與田園路現(xiàn)狀明渠連接，穿田園路現(xiàn)狀3.2m(寬)×1.7m(高)箱涵往潭頭河流域下泄洪水。

水庫洪水排入潭頭河流域，將增加潭頭流域的防洪壓力，為減輕甚至消除該影響，本次在潭頭河中游高壓走廊區(qū)域修建南北兩處滯洪區(qū)進行削峰調(diào)蓄，新增滯洪區(qū)調(diào)蓄庫容總18.72萬m3。20年一遇洪水時，滯洪區(qū)控制閘1孔控泄80cm的閘上最高水位為11.45m，最大下泄流量為12.9m3/s，滯洪區(qū)下泄洪水經(jīng)調(diào)蓄后沿芙蓉路新建2.7m×3.0～4.0m(寬×高)分洪箱涵安全下泄[12]。

五指耙水庫分洪及滯洪區(qū)位置示意圖如圖1所示。

圖1 五指耙水庫分洪及滯洪區(qū)位置示意圖

2.2 新建潭頭渠滯洪區(qū)

為消納潭頭渠1.02km2流域分洪，本次針對潭頭渠上游松崗大道以東，華美路與松裕路之間區(qū)域目前有約70000m2的高壓走廊下城市綠地，擬將其利用改建為滯洪區(qū)，可提供約17.5萬m3的滯蓄庫容以滯蓄潭頭渠松崗大道以東1.02km2的洪水。滯洪區(qū)初擬底高程為7.0m，20年一遇洪水時以滿足周邊區(qū)域澇水自排為控制要求的控制滯洪深度為2.5m，可提供約15.0萬m3的滯蓄庫容。

經(jīng)模型復(fù)核計算，在設(shè)置潭頭渠滯洪區(qū)后，可將松崗河以東1.02km2區(qū)域20年一遇的洪峰流量由21.8m3/s有效消減至3.5m3/s，最大滯蓄水量為12.6萬m3(23～40時段)，接近潭頭渠滯洪區(qū)的最大庫容，較充分的利用了滯洪區(qū)庫容[13]。

潭頭渠滯洪區(qū)、潭頭河南北滯洪區(qū)布置圖如圖2所示。

圖2 潭頭渠滯洪區(qū)、潭頭河南北滯洪區(qū)布置圖

2.3 澇片分散治理

在新建潭頭渠滯洪區(qū)、潭頭河南北滯洪區(qū)后，潭頭河沿線水位會顯著降低。在此基礎(chǔ)上，區(qū)塊一解決內(nèi)澇問題采用方案一的措施，即在DN1200雨水管入潭頭河口處設(shè)置2m3/s排澇泵站。

區(qū)塊二第一類和第二類用地解決內(nèi)澇問題采用方案一的措施，即新建DN1200管550m，DN1000管350m；同時在新建潭頭渠滯洪區(qū)及潭頭河南北滯洪區(qū)的條件下，潭頭河20年一遇洪水位在區(qū)塊二第三類用地道路處降至4m以下，道路不會形成內(nèi)澇，整個區(qū)塊二內(nèi)澇問題得到解決。

在新建潭頭渠滯洪區(qū)及優(yōu)化潭頭河滯洪區(qū)前提下，潭頭河左支澇片位置新建閘門和流量為25m3/s排澇泵站，可解決區(qū)塊三的內(nèi)澇問題。

2.4 對沙井河排澇泵站的影響

根據(jù)《寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程初步設(shè)計報告——樞紐部分》(2008年7月)，沙井河泵站的服務(wù)范圍為28.13km2，其按照20年一遇24h設(shè)計暴雨不受淹的標(biāo)準(zhǔn)[14]經(jīng)分析計算確定沙井河排澇泵站的規(guī)模為170m3/s。在沙井河泵站實施后，沙井河流域發(fā)生20年一遇降雨，同時沙井河口泵站按抽排流量Q=170m3/s運行，根據(jù)此工況下河道的最高水位線，初步對照地面高程找出本方案最高水位時不能自流排水的區(qū)域，共有四片，分別位于松崗河北岸和七支渠、潭頭渠沿線的松崗街道江邊村、沙埔村、上頭田村、潭頭村，面積合計0.12km2，積水深不超過50cm，由于僅最高水位時不能自排，積水時間40～60min[15]，如圖3所示。

由《寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程初步設(shè)計報告——樞紐部分》可知，即使沙井河泵站實施后，沙井河沿線仍會有局部低洼區(qū)域出現(xiàn)短歷時的淹沒，其中便有約0.05km2的澇片位于潭頭河—潭頭渠中間區(qū)域。

本次潭頭河流域相關(guān)措施實施后，將原來匯入沙井河片區(qū)的五指耙水庫(2.27km2)、潭頭渠松崗大道以東區(qū)域(1.02km2)共3.29km2(占沙井河泵站的服務(wù)范圍的11.7%)的洪水分至潭頭河流域，經(jīng)潭頭河流域滯洪區(qū)調(diào)蓄后，由自排或經(jīng)河口泵站抽排至排澇河流域，不僅未破壞整個沙井-排澇片區(qū)的防洪排澇格局，并且分擔(dān)了原排入沙井河泵站服務(wù)范圍的水量，一定程度上提高了沙井河河口泵站的排澇保證率，緩解了沙井河片區(qū)的排澇壓力，有利于解決沙井河泵站設(shè)計時未能充分解決的共0.12km2四小片區(qū)的內(nèi)澇問題[16]。

圖3 沙井泵站實施后20年一遇24h暴雨短時積水區(qū)分布示意圖

2.5 對潭頭渠流域的影響

潭頭河流域接納了潭頭河上游位于松崗大道以東1.02km2的澇水，降低了潭頭渠中下游河道的設(shè)計洪水位及沿岸區(qū)域的排水壓力。潭頭河流域的洪水也往南排入排澇河流域，由于排澇河-沙井河中間潭頭水閘的控制，故潭頭河流域的洪水也不會對潭頭渠流域的洪水自流排入沙井河造成頂托。因此，潭頭河整治工程的實施降低了潭頭渠流域的防洪排澇壓力，對其無不利影響。

2.6 對排澇河流域的影響

在發(fā)生20年一遇洪水時，潭頭河河口現(xiàn)狀洪峰流量為103m3/s(不含潭頭渠和五指耙水庫分洪)，潭頭渠1.02km2分洪至潭頭河流域為21.8m3/s，五指耙水庫分洪至潭頭河流域為10.5m3/s。經(jīng)潭頭河流域滯洪區(qū)、閘泵等工程措施調(diào)蓄后，潭頭河河口(接納了潭頭渠和五指耙水庫分洪))流量為86.8m3/s，低于河口天然工況流量。潭頭河流域綜合整治工程實施后，不僅有效地消減了潭頭河流域自身洪水及外來潭頭渠1.02km2、五指耙水庫分洪流量，還顯著降低了流域內(nèi)低洼區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險。

由于潭頭河綜合整治規(guī)劃工況下河口20年一遇洪峰流域小于現(xiàn)狀工況下河口流量，因此《茅洲河流域水環(huán)境綜合整治工程——排澇河截污工程》等排澇河流域相關(guān)洪澇治理規(guī)劃中，根據(jù)潭頭河現(xiàn)狀洪水工況得出的潭頭河河口3.74m的20年一遇控制洪水位在潭頭河流域綜合整治工程實施后不會抬升，亦不會對其排澇河下游流域下游相關(guān)干支流的防洪排澇造成不利影響。

3 結(jié)語

(1)本次研究通過采用上游水庫分洪、高壓走廊滯洪區(qū)分片調(diào)蓄、下游河道拓寬疏浚及澇片分散治理等措施，通過降低河道沿線設(shè)計水位，不僅解決了河道防洪問題，同時也解決了潭頭河流域范圍內(nèi)沿線低洼區(qū)塊的排澇問題。但由于受流域下游主要受排澇河水位的頂托影響，導(dǎo)致20年一遇設(shè)計水位較高，無論五指耙水庫和潭頭渠分洪與否，工程下游沿線局部低洼地塊仍存在內(nèi)澇風(fēng)險。

(2)城市洪澇治理應(yīng)放到流域“山水林田湖草”生命共同體中統(tǒng)籌考慮。習(xí)近平總書記指出“山水林田湖草是一個生命共同體”，城市洪澇防治應(yīng)重視生態(tài)流域和海綿城市的理念，構(gòu)建可持續(xù)城市水系統(tǒng)，把城市融入生態(tài)流域生命共同體。在流域上，要做好源頭治理和生態(tài)保護，以良好的流域生態(tài)支撐城市可持續(xù)發(fā)展；在城市中，要處理好城市水系統(tǒng)與流域水循環(huán)的關(guān)系，從“防”的角度重視對城市建設(shè)中可能對水循環(huán)產(chǎn)生不利影響的活動進行管控，重視“擬自然設(shè)計”，加強“低影響開發(fā)”，盡大可能維護和促進良性水循環(huán)[17]。