沙灣河截排工程對沙灣河與深圳水庫防洪排澇的影響研究

陳麗貴，李天曉

(1.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000;2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

習(xí)近平總書記提出的生態(tài)文明新戰(zhàn)略，是把生態(tài)文明建設(shè)融入經(jīng)濟建設(shè)，用綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展理念構(gòu)建生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展新模式。為加強飲用水源地環(huán)境保護，妥善解決水源保護區(qū)歷史遺留問題，進一步提升飲用水源安全保障水平，深圳市創(chuàng)新性提出了都市型飲用水源地水質(zhì)保障工程。沙灣河截排工程是確保深港兩地重要的水源地[1]，是深圳水庫水質(zhì)保障的重要性工程，即通過物理隔離工程將不滿足入庫水質(zhì)標準的河道匯水，旁路繞流出深圳水庫，當(dāng)滿足入庫水質(zhì)后可直接進入水庫，從而既實現(xiàn)水庫水質(zhì)保障又充分利用本地水資源的目的。

但由于城市快速發(fā)展，加之氣候變化異常，極端天氣多發(fā)，導(dǎo)致當(dāng)前城市洪澇問題日益突出，“汛期看?！爆F(xiàn)象頻繁發(fā)生[2]。因此，在水質(zhì)保障工程規(guī)劃階段，需要合理確定工程規(guī)模和工程方案，以實現(xiàn)本地水資源的最大化最優(yōu)化利用，又充分考慮不加大或零影響水庫上下游的防洪排澇壓力。

近年來，隨著城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)精度提升、水文氣象統(tǒng)計資料積累，基于城市水文學(xué)、水動力學(xué)原理的城市洪澇模擬技術(shù)得到較快發(fā)展[3]，城市洪澇模型成果在水文預(yù)報、水工程調(diào)度、排澇決策等方面成果顯著[4]，為城市的洪澇風(fēng)險預(yù)測、調(diào)度等業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐[5]。其中中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的城市洪澇模擬系統(tǒng)，分為基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(地理信息、雨水情、遙感影像等)、城市外洪內(nèi)澇耦合模型(水文模型、水動力模型)和面對用戶的展示應(yīng)用3個方面[6-8]。本文基于中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的城市洪澇模擬系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)值分析模型，將沙灣河流域洪澇精細模型與水工程調(diào)度模型耦合分析，研究了沙灣河截排工程對沙灣河流域洪澇排除效益、沙灣水閘與深圳水庫調(diào)洪的影響，從而分析得出河流截排工程對城市流域防洪排澇的優(yōu)化作用，為工程建設(shè)科學(xué)決策提供技術(shù)支撐[9]。

1 研究區(qū)及模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概括

深圳河是深圳市的母親河，發(fā)源于梧桐山牛尾嶺，由東北向西南流入深圳灣，流域面積312.5 km2，河長37.6 km，河道比降1.1‰[10-11]。其中沙灣河位于深圳水庫上游，位于深圳水庫二級水源保護區(qū)，也是深圳河的一級支流，流經(jīng)深圳市龍崗區(qū)南灣街道與平湖街道，最后經(jīng)沙灣水閘匯入深圳水庫，流域面積26.10 km2，占深圳水庫集雨面積的43.14%，占深圳河集雨面積的8.35%，其河道長度10.5 km，河道比降4.6‰。此外，深圳市地處中國東南沿海臺風(fēng)頻繁登陸地區(qū)，持續(xù)降雨和突然暴雨較多，雨季污染負荷進入沙灣河，導(dǎo)致沙灣河流域內(nèi)澇嚴重。為緩解沙灣河兩岸內(nèi)澇，需開閘泄洪排入深圳水庫，然而受限于深圳水庫流域污水截排隧洞容量，開閘泄洪對深圳水庫水質(zhì)造成一定程度的影響，威脅深圳水庫的水質(zhì)安全[12]，因而研究沙灣河截排工程對沙灣河與深圳水庫防洪排澇的影響、為工程規(guī)模和方案決策有一定指導(dǎo)作用。

1.2 模型構(gòu)建

構(gòu)建沙灣河流域洪澇精細模型(包括地表產(chǎn)匯流、水體零維、河道一維水力學(xué)、地下管網(wǎng)匯流等模型)和深圳河流域河道水動力與水工程調(diào)度模型(包括河道一維水力學(xué)、水工程調(diào)度等模型)，通過模型耦合開展沙灣河截排工程涉深圳河流域防洪排澇研究，其模型結(jié)構(gòu)見圖1[13]。

圖1 城市洪澇模擬模型結(jié)構(gòu)

1.2.1地表產(chǎn)匯流模型

地表產(chǎn)匯流模型包括地表水文水動力和地表產(chǎn)匯流水文模型2種，其中地表水文水動力模型采用經(jīng)驗水文算法計算降雨產(chǎn)流過程。傳統(tǒng)水文方法中僅將降雨作為下滲水源，從降雨中扣除下滲損失得到凈雨疊加到模型中，然而當(dāng)?shù)乇頉]有降雨但存在積水淹沒時，下滲過程依然存在且不可忽略，因此，本文使用初損后損法計算地表產(chǎn)流更為精準[14]。同時，鑒于城市地表較為平坦，地表水動力學(xué)模型采用二維圣維南方程組的擴散波公式計算凈雨的地表坡面運動。

地表產(chǎn)匯流水文計算方法采用分布式三水源新安江模型[15]，由蒸散發(fā)、產(chǎn)流、分水源和匯流4個模塊構(gòu)成，其匯流過程包括坡地匯流、河網(wǎng)匯流和河道匯流3部分。此中，坡地匯流是指水體在不考慮地面徑流坡地匯流時間時直接進入河網(wǎng)，壤中流和地下徑流的坡面匯集過程，其采用線性水庫方法計算[16]。

此外，河網(wǎng)匯流是指單元面積內(nèi)部水流從坡面進入河槽后沿河網(wǎng)的匯集到出口的過程。在河網(wǎng)匯流階段，由于匯流特性受制于河槽水力學(xué)條件，各種水源是一致的，采用滯后演算法，計算見式(1)、(2)[17-18]。

Q(t)=CS×Q(t-1)+(1-CS)×QT(t-L)

(1)

QT(t)=QS(t)+QI(t)+QG(t)

(2)

式中Q(t)——t時刻的單元面積河網(wǎng)匯流；QT(t)——t時刻的單元面積河網(wǎng)總?cè)肓?；QI(t)——單元面積壤中總?cè)肓?；QG(t)——單元面積地下總?cè)肓鳎籺——河網(wǎng)匯流時間；L——滯后時間；CS——河網(wǎng)水流的消退系數(shù)。

河道匯流是指出口流量通過河道匯流演算至流域出口的過程，計算采用1962年趙人俊教授[19]提出的馬斯京根分段連續(xù)演算法。

1.2.2水體零維模型

水體零維模型用以模擬水庫、湖泊和蓄滯洪區(qū)等調(diào)蓄水體的洪水蓄排調(diào)度過程。水庫、湖泊等水體的洪水波運動為明渠漸變不恒定流，水體的洪水調(diào)度計算時，對水體水面采取水平面近似處理計算蓄水量，忽略庫區(qū)回水水面的不規(guī)則動態(tài)變化[20]。

1.2.3其他模型

河道一維水力學(xué)模型基于描述具有自由表面的淺水非恒定流的圣維南方程組研制而成。此外，結(jié)合Preissmann虛擬窄縫法與圣維南方程組，建立對管網(wǎng)自由表面水流和有壓水流精確計算的地下管網(wǎng)匯流模型[21-22]。

1.3 截排工程方案

沙灣河截排工程通過流域內(nèi)新建分散雨洪調(diào)蓄湖調(diào)蓄削峰，初雨棄流轉(zhuǎn)輸?shù)人|(zhì)改善措施，借助截排隧洞系統(tǒng)，實現(xiàn)入庫水質(zhì)達標、對下游河道防洪排澇零影響和對下游河道水質(zhì)零影響。選取2種截排工程方案進行對比分析：方案一是流域內(nèi)分洪和地下調(diào)蓄湖相結(jié)合，方案二是源頭調(diào)蓄和復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合。其中，方案二擬在沙灣河沿線新建雨洪調(diào)蓄湖4座，其調(diào)蓄湖特征見表1。兩方案的詳細信息見表2，布置見圖2。

表1 方案二調(diào)蓄池特征

表2 截排工程方案詳細信息

a)方案一

2 截排工程對沙灣河流域洪澇排除效益的影響

2.1 地表內(nèi)澇排除效益分析

2.1.1基于最大積水深度的地表內(nèi)澇排除效益分析

沙灣河流域遭遇50年一遇暴雨時，沙灣河流域地表淹沒范圍分級統(tǒng)計見表3?？梢钥闯?，沙灣截排方案實施后，最大積水深度大于5 cm的范圍均較現(xiàn)狀呈現(xiàn)一定程度的縮小，當(dāng)積水深度在0.05～0.15 m和0.15～0.27 m時，方案一、二相較于現(xiàn)狀條件下的淹沒范圍的面積最小，同時方案二淹沒范圍的面積較大，累計達到3 992 199 m2；當(dāng)積水深度大于0.27 m時，方案一、二相較于現(xiàn)狀條件下的淹沒范圍的面積最大，同時方案二淹沒范圍的面積較小，累計達到1 292 721 m2?？傮w而言，方案二的總體淹沒面積比方案一少4 334 m2，并且積水深度較大時，淹沒面積較方案一較小。

表3 沙灣截排方案下沙灣河流域淹沒范圍分級統(tǒng)計

2.1.2基于內(nèi)澇點定義的地表內(nèi)澇排除效益分析

在沙灣河流域遭遇50年一遇暴雨時，對沙灣河流域積水時間超過30 min且積水深度超過0.15 m的區(qū)域進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表4?？梢钥闯?，方案一、二相較于現(xiàn)狀條件，其內(nèi)澇范圍均呈現(xiàn)一定程度的縮小，同時方案二的內(nèi)澇面積比方案一小7 847 m2，平均最大淹沒水深比方案一低2 mm。

表4 沙灣截排方案下沙灣河流域內(nèi)澇統(tǒng)計

2.2 管網(wǎng)排水效益分析

從排水管網(wǎng)滿管、檢查井或雨水口兩方面分析沙灣河流域50年一遇降雨條件下的管網(wǎng)排水效益，排水管網(wǎng)滿管及檢查井溢流信息見表5?？梢钥闯觯桨敢?、二的滿管段數(shù)相較于現(xiàn)狀情況分別少18、147個，溢流檢查井或雨水口相較于現(xiàn)狀情況分別少32、118個，其次方案二的管段滿管和溢流檢查井?dāng)?shù)量于方案一較少，即管網(wǎng)排水壓力和因排水管網(wǎng)溢流導(dǎo)致的地表積水情況相對最小，對現(xiàn)狀管網(wǎng)排水壓力減緩作用較好。

表5 各沙灣截排方案排水管網(wǎng)滿管及溢流檢查井(或雨水口)信息 單位：個

3 截排工程對沙灣水閘調(diào)洪影響分析

3.1 現(xiàn)狀工程

沙灣河遭遇100年一遇洪水時，沙灣水閘現(xiàn)狀工況下泄流過程采用沙灣河沙灣水閘上游設(shè)計洪水，其沙灣水閘泄洪與深圳水庫來洪過程對照見圖3，深圳水庫來洪總量3 321萬m3，洪峰流量801 m3/s；沙灣水閘總泄洪量1 375萬m3，洪峰流量386 m3/s。

圖3 沙灣水閘泄洪與深圳水庫來洪過程線

3.2 規(guī)劃工況

針對規(guī)劃工況，沙灣河流域內(nèi)調(diào)度采用沙灣河截排方案二進行研究。當(dāng)沙灣水閘上游水位達到29.31 m后，開啟泄洪閘，且規(guī)劃深圳水庫調(diào)度方式為：①洪水流量較小時，來多少泄多少，水位維持在防洪控制水位；②當(dāng)洪水逐漸增大，水位上升，未達到水庫設(shè)計洪水位29.416 m時，控制泄流量不超過150 m3/s；③當(dāng)深圳水庫水位超過29.416 m時，閘門全開敞泄，直至水位降至起調(diào)水位，恢復(fù)最大控泄流量150 m3/s。根據(jù)《深圳水庫調(diào)度規(guī)程》，無降雨、預(yù)報小雨—大暴雨、預(yù)報特大暴雨(或氣象臺暴雨紅色預(yù)警)3種條件下深圳水庫的汛限水位分別為27.6、27.2、26.6 m，換算為1956年黃海高程系，其分別為28.186、27.786、27.186 m。

沙灣河遭遇100年一遇洪水時，深圳水庫不同起調(diào)水位條件下沙灣水閘的具體信息見表6，調(diào)度過程見圖4。對比現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況調(diào)洪計算結(jié)果，可以看出沙灣河遭遇100年一遇洪水時，沙灣水閘現(xiàn)狀工況下泄流為100年一遇設(shè)計洪水過程，沙灣水閘規(guī)劃工況下泄洪的洪水總量、洪峰流量隨著深圳水庫起調(diào)水位的降低呈現(xiàn)增加趨勢。

表6 沙灣水閘不同起調(diào)水位條件下調(diào)洪情況

a) 起調(diào)水位28.186 m

4 截排工程對深圳水庫調(diào)洪影響分析

4.1 現(xiàn)狀工況

針對深圳水庫集水流域遭遇50年一遇洪水時，分別采用28.186、27.786、27.186 m為防洪控制水位對現(xiàn)狀工況下深圳水庫調(diào)洪過程展開分析。水庫調(diào)度采用《深圳水庫調(diào)度規(guī)程》：①洪水流量較小時，來多少泄多少，水位維持在防洪控制水位；②當(dāng)洪水逐漸增大，水位上升，未達到水庫設(shè)計洪水位29.416 m時，控制泄流量不超過270 m3/s；③當(dāng)深圳水庫水位超過29.416 m時，閘門全開敞泄，直至水位降至起調(diào)水位，并恢復(fù)最大控泄流量270 m3/s[23-24]。現(xiàn)狀工況下，深圳水庫不同起調(diào)水位計算過程見圖5。

a)起調(diào)水位28.186 m

根據(jù)結(jié)果分析可得，當(dāng)深圳水庫遭遇50年一遇洪水，深圳水庫起調(diào)水位28.186 m時，調(diào)洪演算最高水位為29.464 m，超過設(shè)計洪水位(P=1%)0.048 m；深圳水庫起調(diào)水位27.786 m時，調(diào)洪演算最高水位為29.416 m，與設(shè)計洪水位一致；深圳水庫起調(diào)水位27.186 m時，調(diào)洪演算最高水位為28.896 m，低于設(shè)計洪水位0.52 m。

4.2 規(guī)劃工況

針對深圳水庫集水流域遭遇100年一遇洪水，分別采用28.186、27.786、27.186 m為防洪控制水位，研究沙灣截排方案二對深圳水庫的調(diào)洪影響，其不同起調(diào)水位下的調(diào)洪過程見圖6，詳細信息見表7。

a)起調(diào)水位28.186 m

表7 深圳水庫不同起調(diào)水位條件下調(diào)洪信息

對比現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況調(diào)洪計算結(jié)果，可以看出，深圳水庫集水流域遭遇100年一遇洪水時，由于規(guī)劃工況下沙灣河進入深圳水庫的洪水減少，3種起調(diào)水位下規(guī)劃工況調(diào)洪演算最高水位普遍較現(xiàn)狀偏低，深圳水庫起調(diào)水位28.186 m時，規(guī)劃工況調(diào)洪演算最高水位較現(xiàn)狀工況降低0.23 m；深圳水庫起調(diào)水位27.786 m時，規(guī)劃工況調(diào)洪演算最高水位較現(xiàn)狀工況降低0.11 m；深圳水庫起調(diào)水位27.186 m時，規(guī)劃工況調(diào)洪演算最高水位較現(xiàn)狀工況降低0.33 m?？傮w上講，沙灣截排工程實施后，由于沙灣河流域排入深圳水庫洪量減少，深圳水庫調(diào)洪演算的最高水位也普遍較現(xiàn)狀偏低，深圳水庫調(diào)洪壓力得到一定程度緩解。

5 結(jié)論

基于沙灣河流域洪澇精細模型和深圳河流域河道水動力與水工程調(diào)度模型耦合，選取源頭調(diào)蓄及復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合的方案和流域內(nèi)分洪及地下調(diào)蓄湖相結(jié)合的方案對比分析，定量評價了截排工程實施后對沙灣河流域洪澇排除效益。成果表明，在一定程度上，截排工程對于流域的防洪排澇是有正向有利作用，主要結(jié)論如下。

a)分析截排工程對沙灣河流域洪澇排除效益的影響可以看出：無論是基于最大積水深度，還是依據(jù)內(nèi)澇點定義的統(tǒng)計結(jié)果，2種方案均呈現(xiàn)不同程度的地表內(nèi)澇排除效益，源頭調(diào)蓄和復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合的方案地表內(nèi)澇排除效益較優(yōu)；無論是基于排水管網(wǎng)滿管，還是檢查井(或雨水口)溢流的統(tǒng)計結(jié)果，2種截排方案均呈現(xiàn)不同程度的管網(wǎng)排水效益，其中源頭調(diào)蓄和復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合的方案對現(xiàn)狀管網(wǎng)排水壓力減緩作用最大。

b)對比現(xiàn)狀工況與規(guī)劃工況下沙灣河水閘調(diào)洪計算結(jié)果表明：沙灣河遭遇100年一遇洪水時，沙灣水閘現(xiàn)狀工況下泄流為100年一遇設(shè)計洪水過程，源頭調(diào)蓄和復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合的截排工程下泄洪洪水總量、洪峰流量隨著深圳水庫起調(diào)水位的降低呈現(xiàn)增加趨勢，對流域防洪排澇作用較明顯。

c)在源頭調(diào)蓄和復(fù)合型雨洪調(diào)蓄湖相結(jié)合的沙灣截排工程方案中，100年一遇洪水情況下，由于沙灣河流域排入深圳水庫洪量減少，深圳水庫調(diào)洪演算的最高水位也普遍較現(xiàn)狀偏低，深圳水庫調(diào)洪壓力得到一定程度緩解。