城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治案例分析

梁華強

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300300)

城市河涌洪潮河道是城市的主要組成部分之一，在城市防洪排澇、營造生態(tài)環(huán)境等方面有非常重要的作用。但隨著城市社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市河涌洪潮河道污染和淤積問題愈發(fā)嚴重，嚴重限制了城市河涌洪潮河道防洪排澇作用的發(fā)揮。傳統(tǒng)整治方法為集中清淤，提升河道泄水效果，但此種整治措施的局限性比較大，難以從根本上解決洪澇災害，而采取“上蓄、中疏、下排”的方法，能夠從根本上解決這一問題，最大限度提升城市河涌洪潮河道防洪排澇能力，解決城市洪澇災害。基于此，開展城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治措施的分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

本次整治工程范圍內(nèi)河涌密布，明渠、暗涵交錯，經(jīng)多次現(xiàn)場勘查及梳理，基本理清了河涌水系情況。該水系屬于東江水系，總體呈從北向南分布，流域面積約44.6 km2。水系上游分三支，由西向東依次為細陂河、埔安河和鳳凰水，三條支流于沙村附近匯合為水南涌(東西走向，渠化，寬度約20～30 m)。而后，溫涌水系向南分為左右兩條河涌匯入東江北干流，其中，東汊為溫涌干流，已基本渠化，長約2.5 km，寬度約為25～30 m；西汊為水南支涌(下游黃埔段又稱為“金紫涌”)，長約3.8 km，寬度約為15～20 m。上游三支流中，埔安河發(fā)源于劉村大山，終點為增城區(qū)新塘鎮(zhèn)新塘大道，匯入水南涌，總長約11.4 km，流域面積為12.9 km2；細陂河發(fā)源于黃埔區(qū)長坑，終點在新塘大道西匯入水南涌干流處，總長約11.0 km，流域面積為13.9 km2；鳳凰水主涌起點為鳳凰城，終點為新塘大道，總長約11.2 km，流域面積為10.7 km2。鳳凰水上游又分為三支，分別為陳家林涌和鳳凰水西支流、鳳凰小東支流,具體的河流水系分布如圖1所示。

圖1 河流水系分布圖

本次物理模型試驗主要研究水系中下游部分，即陳家林涌、鳳凰水西支流、鳳凰水東支流、細陂河和浦安河5個上游邊界入口(給定流量或流量過程)，具體模型范圍及布置見圖2，經(jīng)統(tǒng)計，模擬水道總長度約為8.5 km。同時，為模擬河流漫溢及預留新建工程方案空間，模擬范圍由河岸向兩側(cè)適當擴展。模型包括進水量水堰、進水渠、前池，出水控制尾門、量水堰及回水渠等，經(jīng)換算本模型占地面積約為5 000 m2。

圖2 物理模型范圍示意圖

2 目前存在的主要問題

城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治具有很強的綜合性和技術(shù)性，為更好地開展整治工作，必須深入現(xiàn)場進行全面調(diào)研。調(diào)研結(jié)果顯示，案例河道在防洪排澇方面存在很多問題，具體的現(xiàn)狀調(diào)研實體圖見圖3。

從現(xiàn)場調(diào)研的結(jié)果上來看，案例河道在防洪排澇方面存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 流域內(nèi)水利設施標準偏低，不適應城市發(fā)展需要。本河道防洪防潮的主要基礎設施有兩個，一個是河道堤防，另一個河口水閘，按照20年一遇的標準進行規(guī)劃。但從目前實際應用的角度來看，防洪排澇遠遠沒有達到設計規(guī)劃的標準。其中部分堤段尚未達標，且下游出水口南閘和石瀝口水閘經(jīng)過多年的運行，風化沖蝕嚴重，存在關(guān)鍵時刻無法正常使用的風險[1]。

2) 該河道上游開發(fā)程度比較高，原有的一些小水庫、山塘等，侵占嚴重。比如，鳳凰水約1.8×104m2的水域、埔安河上游約7×104m2的山塘因城市規(guī)劃所需被填筑，致使該河道上游調(diào)蓄能力比較弱，滯蓄能力嚴重不足。再加上下墊面硬化嚴重，致使流域匯流速度比較快，徑流系數(shù)比較大，使得洪水量比較大，大大增加了中下游防洪的壓力。

3) 案例河道的內(nèi)河河涌復雜，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)四通八達，有多條市政道路、鐵路跨越河道，形成了多個過流卡口[2]，尤其是鳳凰水中游的問題尤為突出。廣園快速路、廣深鐵路、廣深高速、107國道等跨河建筑物使河道的過流能力大幅度降低，而且河道中還存在著大量違法建筑，使河道斷面被近一步縮減，嚴重影響了洪水的過流能力，致使洪澇災害一直威脅著城市的安全。

3 城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治措施

3.1 綜合整治的總體方案

就案例河道而言，為提升防洪排澇效果，在具體整治中需要嚴格遵循“以流域為體系，排澇分區(qū)為單元，蓄排結(jié)合，系統(tǒng)治理”的原則，統(tǒng)籌防洪排澇綜合治理，蓄、排、疏等多方案并舉的措施，以更好地解決河道防洪排澇問題。針對目前該河道的現(xiàn)狀，僅憑河道清淤的整治措施難以滿足對防洪排澇的需求，只能采取“上蓄、中疏、下排”相互結(jié)合的綜合整治措施。具體包括：水庫挖潛改造，調(diào)蓄區(qū)和濕地建設，打通河道過流瓶頸，河道擴寬清淤，泵站建設等。通過多措并舉，有效解決了河道的洪澇問題，使得該河道能夠應對30年一遇的暴雨侵襲[3]。

3.2 上 蓄

針對案例河道上游山塘被侵占、被回填導致蓄洪能力下降的問題，需要在鳳凰水上游、埔安河上游合理布設調(diào)蓄區(qū)域，同時挖掘埔安河上游現(xiàn)有水庫的調(diào)蓄能力，提升洪水蓄滯效果，以減輕中下游防洪排澇的壓力。具體做法如下：從東支流匯口至匯入水南涌處計，鳳凰水河道長度約2.5 km，本河段最大的卡口為廣深鐵路橋涵洞，其上下游水位差達1.38 m，占全河段首尾水位差(1.99 m)的69%，阻水效應十分顯著。水流在該處出現(xiàn)明顯的跌流現(xiàn)象，并在下游形成水躍，上下游水流緩急變化十分明顯[4]。并且，此河段另外一個卡口布設在西支流入口位置。此位置鳳凰水河涌寬度突然變窄，寬度不足4 m，而上下游基本都在8 m左右，減少了近50%。再加上西支流入?yún)R水流直沖頂托效應，使得上游水流無法順利流過，卡口上下游水位之間的差距最大達到0.26 m。西支流匯入口處流態(tài)(P=20%)具體模型如圖4所示。

圖4 西支流匯入口處流態(tài)圖(P=20%)

從圖4可以看出，此位置上下游水路緩急界限分明，其水流的平均流速在0.5～1.8 m/s之間。而廣深鐵路橋以下鳳凰水南北向段水面線比較平緩(平均比降約為0.3‰)，盡管有多座跨河橋涵，但并未出現(xiàn)明顯的壅水情況，一般都在10 cm以下，阻水效應相對較弱。如京港澳高速橋下涵洞上下游水位差為8 cm，107國道橋上下游水位差為6 cm。該段水流流態(tài)見圖5。

圖5 鳳凰水南北向段流態(tài)圖(P=20%)

當閘門全部打開時，水閘過流形態(tài)為平底寬頂堰堰流，處于高淹沒度(hs/H0≥0.9)，按照《水閘設計規(guī)范》中的規(guī)定[5]，閘孔總凈寬計算公式為：

(1)

(2)

式中:Q表示過閘的流量,m3/s；B0表示閘孔總凈寬,m；g表示重力加速度,m/s2；H0表示計入行近流速水頭的堰上水深，對于閘前水面較寬的水閘，不應計入行近流速,m;hs表示有圍堰頂部算起的下游水深,m；μ0表示淹沒圍堰流的綜合流量系數(shù)。

按照式(1)和式(2)計算可知，設計閘孔凈寬采用12 m即可滿足要求。

案例工程按照從東支流匯口至匯入水南涌處計，鳳凰水河道長度約2.5 km，其水面線情況如圖6所示。

圖6 鳳凰水水面線(P=20%)

從圖6可以清楚看出，本河段(也是研究范圍內(nèi)全部河涌)最大的卡口為廣深鐵路橋涵洞，其上下游水位差達1.38 m，占全河段首尾水位差(1.99 m)的69%，阻水效應十分顯著。水流在該處出現(xiàn)明顯的跌流現(xiàn)象，并在下游形成水躍，上下游水流緩急變化十分明顯。

3.3 中 疏

案例河道流域過流瓶頸比較多，而且多個河段存在水流不夠通暢的問題。通過對河道沿線和關(guān)鍵瓶頸卡口進行有效疏通處理，并對鳳凰水跨廣園路、廣深鐵路、廣深高速、107國道的箱涵進行拓寬處理，在鐵路和公路沿線布設管涵和排水溝，以提升排水效果[6]。此外，還綜合整治鳳凰水、水南涌、水南支涌、溫涌等，從而達到全面改善排水水流流態(tài)的效果[7]具體做法如下：

中疏措施,包括河道疏浚拓寬、新增過流通道以及卡口改造等，主中疏的位置主要集中在河道的上游和下游。在整治過程中，“上蓄、中疏、下排”措施在具體實施中，相互之間必然存在一定的影響，為提升整治效果，先實施措施A，觀測A引起的水位變化a；再增加措施B，觀測B引起的水位變化b,得出A+B條件下引起的水位變化a+b；依次類推，然后再分析此種中疏措施防洪排澇的效果，最后結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出整改措施，形成完善的整治方案。與現(xiàn)狀試驗相同，效果論證試驗也采用5年一遇組次，峰峰相碰，即上邊界為5年一遇洪峰流量，具體數(shù)值見表1;下邊界為百年一遇高潮位，溫涌涌口2.71 m,水南支涌區(qū)界處2.9 m。

表1 中疏措施效果驗證試驗邊界控制條件表

從表1中可以清楚看出，水南涌、溫涌和水南支涌的整治措施對鳳凰水上游水位造成的影響比較明顯，鐵路以北河涌水位降低主要是通過鳳凰水廣深鐵路附件的幾個卡口的疏通和擴寬達到的[8]。本工程東側(cè)管涵及排水渠擴建后水位變化情況(P=20%)如圖7所示。

圖7 東側(cè)管涵及排水渠擴建后水位變化情況(P=20%)

設計方案中，排水渠出口轉(zhuǎn)角接近90°，其出流與現(xiàn)狀箱涵出流頂沖、擠壓，流態(tài)較差。根據(jù)試驗觀測，建議出口改為圓角(半徑為9 m)順接下游河道，修改后排水渠出流導向河涌左側(cè)，而現(xiàn)狀箱涵出流則基本在右側(cè)，相互之間影響減弱，流態(tài)有所改善，洪水下泄更為順暢。

3.4 下 排

針對無強排設施、存在水浸低點等問題，在溫涌、水南支涌設閘(泵)站，增加排水能力。本次試驗模擬范圍為流域中下游，主要針對“中疏”和“下排”的措施進行研究，鳳凰水以5年一遇洪水為研究組次，可選擇“0+0”“80+80”“110+110”和“130+130”四種泵站工況組合(即下排的強排措施，表示各相同泵站的組合，其中0，80，110，130分別表示水泵每秒的流量(m3/s)，因為上游為一個水系，到下游分成兩個出口，所以需要2個泵站)。試驗結(jié)果表明，隨著泵站規(guī)模的增加，埔安河匯口下游和鳳凰水末端處的最高洪水位隨之下降，在“110+110”組合下已分別下降1.06 m和1.10 m，效果比較明顯；若泵站規(guī)模繼續(xù)增大“130+130”，下降值則分別為1.30 m和1.44 m。

針對30年一遇洪水，試驗了“0+0”“80+80”“110+110”“130+130”“160+160”“180+180”和“220+220”七種泵站規(guī)模組合。當泵站規(guī)模增加至“110+110”時，埔安河匯口下游和鳳凰水末端處的水位降幅仍然較小，分別下降0.31 m和0.19 m；泵站規(guī)模繼續(xù)增加，水位降幅開始明顯增加，至“180+180”時，兩位置水位分別下降1.54 m和1.45 m；泵站規(guī)模進一步增加，水位降幅又趨于平緩[9]?？梢?，在兩泵站規(guī)模相同的情況下，“180+180”的泵站組合對于30年一遇洪水是一個合適的臨界組合，單獨實施鳳凰水疏通措施會一定程度上增加下游的洪澇災害程度，因此必須同時在下游采用相應措施形成完整防洪排澇體系。鳳凰水疏通措施實施后下游水位變化示意圖(P=20%)如圖8所示。

圖8 鳳凰水疏通措施實施后下游水位變化示意圖(P=20%)

最高洪水位隨著泵站流量增大有所減小，但需要泵站流量大于60 m3/s(泵站為60 m3/s時其對降低最高洪水位的作用較小)，其最高洪水位才會低于現(xiàn)狀閘排工況，且泵站流量越大，其效果越明顯。從計算結(jié)果來看，當兩個泵站流量均達到80 m3/s時，溫涌、水南涌的最高洪水位有較明顯的下降，其中水南涌中部的最高水位較純閘門工況低1.0 m左右。溫涌口最高洪水位較純閘門工況低0.68 m左右；當兩個泵站流量均達到120 m3/s時，溫涌、水南涌的最高洪水位下降效果最明顯，如水南涌中部的最高水位較純閘門工況低1.63 m，溫涌口最高洪水位較純閘門工況低3.61 m左右。在高架橋下新建箱涵出口位置，同樣由于兩股水流匯合相互頂沖、擠壓，流態(tài)較差。為此，將新建箱涵右側(cè)岸線后撤(最大后撤距離6 m)，同時在兩出口之間修建9 m長的隔墻，將兩股水流分別導向下游河道的兩側(cè)，減少相互影響，改善下泄流態(tài)。具體的高架橋下新建箱涵出口附近工程優(yōu)化建議如圖9所示。

圖9 高架橋下新建箱涵出口附近工程優(yōu)化建議圖

4 施工效果分析

結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀水系、既有水利工程設施分布情況，按照“上蓄、中疏、下排”的工程布局，進行水庫挖潛改造，調(diào)蓄區(qū)和濕地建設，打通河道過流瓶頸，河道擴寬清淤，閘站建設等。通過本工程的建設，緩解了流域內(nèi)澇問題，使整個流域能夠有效應對30年一遇暴雨，施工效果顯著。本工程的實施，有助于區(qū)域的防洪排澇，極大改善兩岸及周邊的生態(tài)環(huán)境，景觀節(jié)點的構(gòu)建又將提升周邊群眾的生活質(zhì)量，促進當?shù)氐穆糜伟l(fā)展，對區(qū)域的社會發(fā)展和人居環(huán)境建設有較大促進，社會效益及環(huán)境效益顯著，值得類似工程參考借鑒。

5 結(jié) 語

綜上所述，結(jié)合工程實例，分析了城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治措施。結(jié)果表明,在城市河涌洪潮河道防洪排澇綜合整治中，采用“上蓄、中疏、下排”相互結(jié)合的方法，可大幅度提升河道防洪排澇的效果?！?0+80”規(guī)模組合對于5年一遇洪水效果較好，可將水南涌最高洪水位降低0.5 m左右，但對30年一遇洪水的最高洪水位防洪排澇效果較小，僅可起到預騰涌容、縮短淹沒時間、降低洪水過程平均水位的作用。