基于景觀考慮的防洪排澇工程多方案比選設(shè)計(jì)

林 波

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

開平市赤坎新區(qū)臨近南海，地處珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)，地勢低洼，歷史洪澇自然災(zāi)害頻繁。主要受南海海洋氣候、熱帶氣旋影響，常造成平原地區(qū)暴雨積水成災(zāi)，還受外江水位、潮汐影響，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。潭江上游為山區(qū)，屬于暴雨高值區(qū)，中游有多條支流匯入，下游進(jìn)入珠三角網(wǎng)河區(qū)，合山水閘以下為感潮河段，受洪水影響又受潮水頂托。多數(shù)支流沒有閉口水閘，當(dāng)遇到暴雨、漲潮或臺(tái)風(fēng)暴潮時(shí)，易引起支流河口以上兩岸發(fā)生澇災(zāi)，而有閉口閘的支流，則圍內(nèi)澇水難以及時(shí)排出。

開平市赤坎新區(qū)中央水軸及景觀體系工程的建設(shè)，既能改善赤坎新區(qū)濱水環(huán)境，滿足居民日?；顒?dòng)需求，對(duì)城市形象面貌和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有積極作用，還將極大改善區(qū)域環(huán)境形象，提升場地觀感，并滿足周邊地塊未來發(fā)展所需。在各水系統(tǒng)間的相互關(guān)系中，實(shí)現(xiàn)水資源、水生態(tài)、水景觀等方面的相互協(xié)同，并與國土空間規(guī)劃有機(jī)融合，充分體現(xiàn)水系統(tǒng)規(guī)劃中生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新時(shí)代要求[1]。通過在傳統(tǒng)規(guī)劃中的的景觀設(shè)計(jì)運(yùn)用，結(jié)合綠化美化及其他景觀工程的建設(shè)，在美化城市環(huán)境、提升城市品味、豐富人民群眾精神文化生活等方面起到了非常重要的作用[2]。

1 概述

1.1 研究區(qū)域概況

開平市位于廣東省中南偏西，珠江三角洲西南部，江門市西南方。北與新興縣、鶴山市交界，東與新會(huì)區(qū)、臺(tái)山市相鄰，西與恩平市接壤，南靠臺(tái)山市。地圖形似蘑菇云狀，南北縱長75.6km，東西橫寬北部最寬處約59.5km，中部最窄處約8km。赤坎鎮(zhèn)位于開平市中部的潭江之濱，毗鄰市區(qū)三埠，距開平中心城區(qū)12公里，上接恩平、陽江，下通江門、廣州，北連鶴山、高明、新興，南往臺(tái)山，面積61.4hm2。

赤坎鎮(zhèn)地勢西、北、南高，中、東低，地勢開闊平坦，鎮(zhèn)域山95%地域?qū)偬督瓫_積平原，小部分是山地丘陵。百合鎮(zhèn)地貌以潭江沖積平原為主，丘陵山地次之，鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)地勢西北高，東南低。西北為低丘臺(tái)地，一般海拔高程30～60m，東南為沖積平原，高程10～20m。赤坎鎮(zhèn)和百合鎮(zhèn)位于北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受海洋季風(fēng)的影響，氣候溫和，雨量充沛。山、水、林、田、丘、崗等地形地貌要素十分豐富。

在保護(hù)潭江、大沙河、池塘、風(fēng)水塘、溝渠等現(xiàn)有水系的基礎(chǔ)上，對(duì)局部水系進(jìn)行改造連通，形成“一帶多點(diǎn)”水網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中，一帶：擴(kuò)寬大沙河，沿原河流形成一條貫穿規(guī)劃區(qū)東西的景觀水帶；多點(diǎn)：主要是指大小風(fēng)水塘及池塘。赤坎南部新區(qū)以南干渠為中央水軸，串連周邊大小風(fēng)水塘、池塘，打通水系，活化水網(wǎng)，打造一條南部新區(qū)的中央水軸景觀帶。

本工程位于赤坎南部新區(qū)范圍內(nèi)，工程景觀水利研究范圍面積包括水體以及周邊的綠化空間，工程區(qū)域面積180hm2，其中景觀綠化面積1156畝及水體面積301畝[3]。

1.2 匯水分區(qū)

潭江干流以北的赤坎南部新區(qū)及周邊區(qū)域地面高程總體呈西邊高、東邊低分布特征，大部分地面高程分布在7m(國家1985高程系，以下均同)以下，0.6m以上[4]，如圖1所示。

圖1 赤坎南部新區(qū)周邊水系及高程分布圖

從地面高程可判斷圍內(nèi)河渠的基本水流流向如下：

(1)南干渠：自西北向東南，為大沙河灌區(qū)上游山洪的排泄通道，高水高排，匯入潭江。

(2)赤坎支渠：總體上自西向東，兼灌溉與排水作用。

(3)坎蝦涌及其支流：自西向東收集雨水，穿越赤坎古鎮(zhèn)，于赤坎大橋下游約2.3km通過菓沖水閘匯入潭江的分汊河道，在新區(qū)范圍內(nèi)主要為坎蝦涌的支流發(fā)揮雨水收集作用。

(4)其他規(guī)模較小的渠道為灌溉渠道，起到水系連通作用。

根據(jù)水系走向及相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)[5]，南部新區(qū)附近水系及內(nèi)部匯水分布情況如圖2所示。

圖2 南部新區(qū)內(nèi)部匯水分區(qū)分布示意圖

結(jié)合圖2，通過分析赤坎南部新區(qū)周邊水系及高程分布，可確定赤坎南部新區(qū)、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間、百梓里支渠區(qū)間、中央水系向南干渠匯水分區(qū)及中央水系向赤坎支渠匯水分區(qū)，共6個(gè)匯水分區(qū)，其具體分布如圖3(a)所示，各匯水分區(qū)集雨面積見表1。

表1 各匯水分區(qū)集雨面積

1.3 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)表1所示，由于本工程各匯水分區(qū)集雨面積均小于10km2，因此采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量。其公式如下[6]：

QP=Cp×H24P×F0.84

(1)

式中，Qp—某頻率的洪峰流量，m3/s；Cp—隨頻率而異的系數(shù)，見表2；H24P—24h設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm，本區(qū)域位于珠江三角洲分區(qū)潭江亞區(qū)，24h設(shè)計(jì)暴雨應(yīng)采用珠江三角洲雨型、暴雨高區(qū)暴雨定點(diǎn)定面關(guān)系、珠江三角洲24h暴雨時(shí)程分配[7-8]；F—集雨面積，km2。

表2 不同頻率Cp值

2 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)方案

(1)方案1：南干渠兼顧防洪排澇、景觀功能

南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、赤坎南部新區(qū)洪水、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水，全部匯入南干渠。改建述成水閘、新建述成泵站。

(2)方案2：考慮景觀功能，新建排洪渠道分擔(dān)防洪排澇功能

根據(jù)赤坎新區(qū)規(guī)劃，赤坎新區(qū)將新建赤坎大道，本方案將沿著赤坎大道新建排洪渠道，通過連通渠對(duì)南干渠進(jìn)行引水分洪，分擔(dān)原南干渠主要防洪排澇功能。其中南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水、原渠道-赤坎大道區(qū)間洪水，均匯入新建排洪渠道；赤坎南部新區(qū)洪水匯入南干渠。改建述成水閘、新建赤坎大道水閘、述成泵站。

(3)方案3：考慮景觀功能，黃烈河分擔(dān)防洪排澇功能

本方案將在南干渠距離潭江1.55km處和黃烈排澇河距離潭江1.33km處新建連通渠，通過連通渠將南干渠洪水引到黃烈河中，分擔(dān)原南干渠主要防洪排澇功能。其中南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水、黃烈河區(qū)間洪水，均匯入黃烈河；原渠道-赤坎大道區(qū)間洪水、赤坎南部新區(qū)洪水匯入南干渠。改建述成水閘、新建黃烈水閘、述成泵站。

赤坎南部新區(qū)、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間、百梓里支渠區(qū)間、中央水系向南干渠匯水分區(qū)及中央水系向赤坎支渠匯水分區(qū)，共6個(gè)匯水分區(qū)，在不同設(shè)計(jì)方案中的匯水分布，如圖3(b)、(c)、(d)所示。

2.2 水閘規(guī)模

出口水閘按搶排(外江水位低于內(nèi)河水位)或外江水位較低時(shí)確定其排澇規(guī)模，考慮到上游調(diào)蓄容積很小，水閘設(shè)計(jì)流量取與澇區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量一致[9-11]。

自排閘排水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)洪水，按最大流量計(jì)算排水所需凈寬。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水位差可采用0.1～0.3m[12-13]。

本次工程所有水閘均采用平底閘型式，當(dāng)為堰流時(shí)，閘孔總凈寬按照如下公式計(jì)算：

(2)

(3)

式中，B0—閘孔總凈寬度，m；Q—過閘流量，m3/s；H0—計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；g—重力加速度，可采用9.81m/s2；m—堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ—堰流淹沒系數(shù)；hs—由堰頂算起下游的水深，m。

為了最大限度地?fù)屌艥乘?，在承泄區(qū)水位退落到略低于閘上(閘內(nèi))水位時(shí)開閘，以抓住承泄區(qū)水位短暫回落的有利時(shí)機(jī)排水，一般以0.1～0.3m的排水落差計(jì)算搶排流量。當(dāng)水閘堰頂高程確定后，閘孔凈寬決定于上、下游水位及設(shè)計(jì)過閘流量。本次規(guī)劃水閘均為平底閘，根據(jù)來水流量及水閘尺寸進(jìn)行分析，水閘上、下水位差取0.1～0.3m。

根據(jù)干支流洪水遭遇分析結(jié)果，以黃烈河、新建排洪渠(赤坎大道排洪渠)、南干渠等支流洪水為主，遭遇潭江干流5年一遇水位。結(jié)合潭江干流設(shè)計(jì)水位成果[14-15]，本次工程擬建水閘的閘下水位均采用潭江5年一遇設(shè)計(jì)洪水位，為4.05m。經(jīng)計(jì)算，各水閘的閘上水位、閘下水位及總凈寬計(jì)算成果見表3。

2.3 泵站規(guī)模

2.3.1排澇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)定，一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)常住人口小于20萬人，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為10年一遇[16-17]。由于南干渠所處的赤坎南部新區(qū)將作為旅游景觀區(qū)，人口密集，遭受洪災(zāi)后損失嚴(yán)重及影響較大，其設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期可適當(dāng)提高，因此本次工程的赤坎南部新區(qū)、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間、百梓里支渠區(qū)間、中央水系向南干渠匯水分區(qū)的排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均按澇區(qū)20年一遇24h暴雨所產(chǎn)生的徑流量1d排干設(shè)計(jì)。

黃烈河區(qū)間的排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按澇區(qū)20年一遇24小時(shí)暴雨所產(chǎn)生的徑流量：城鎮(zhèn)及菜地按1d排干設(shè)計(jì)，稻田按2d排干設(shè)計(jì)。

2.3.2排澇流量

赤坎南部新區(qū)、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間、百梓里支渠區(qū)間、中央水系向南干渠匯水分區(qū)的排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均按澇區(qū)20年一遇24小時(shí)暴雨所產(chǎn)生的徑流量1d排干設(shè)計(jì)。

區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)排水流量采用排澇期平均排除法計(jì)算[18]。具體公式如下：

V=1000∑Fiαi(Hp-Hi)

(4)

Q=V/T

(5)

式中，V—產(chǎn)水量,m3；Fi—各地類面積；αi—各種地類的徑流系數(shù)，河涌、魚塘、水田取1.0，經(jīng)濟(jì)作物取0.7，村莊、道路取0.8，不透水地面取0.95；Hp—設(shè)計(jì)暴雨量，為24h設(shè)計(jì)暴雨值，mm；Hi—允許暫存水量，魚塘取50mm，河涌取100mm，水田取40mm；Q—設(shè)計(jì)排水流量，m3/s；T—排水時(shí)間，s，按1d開機(jī)22h計(jì)算。

根據(jù)排澇區(qū)劃分范圍，結(jié)合現(xiàn)狀地類、衛(wèi)星影像等資料，得到排澇分區(qū)下墊面地類分布，主要有水田、魚塘、河涌、經(jīng)濟(jì)作物、村莊、道路、不透水地面等，停車場全部按不透水地面產(chǎn)水類型計(jì)算，詳見表4。

表4 排澇分區(qū)地類分布 單位：km2

經(jīng)計(jì)算，各排澇區(qū)的排澇流量見表5所示。

表5 各區(qū)間的排澇流量計(jì)算成果

(1)方案1：南干渠兼顧防洪排澇、景觀功能

當(dāng)外江(潭江)水位高于南干渠內(nèi)河水位時(shí)，通過新建述成泵站將南干渠內(nèi)河澇水排出到外江(潭江)。述成泵站設(shè)計(jì)排澇流量為：

Qp(方案1：述成泵站排澇流量)=Qp(南干渠設(shè)計(jì)流量)+

Qp(5%百梓里支渠區(qū)間排澇流量)+Qp(5%中央水系向南干渠匯水分區(qū)排澇流量)

+Qp(5%原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間排澇流量)+Qp(5%赤坎南部新區(qū)排澇流量)

=17.6+1.65+3.80+2.19+3.50=28.74m3/s。

(6)

(2)方案2：考慮景觀功能，新建排洪渠道分擔(dān)防洪排澇功能

當(dāng)外江(潭江)水位高于南干渠內(nèi)河水位時(shí)，通過新建述成泵站將南干渠內(nèi)河澇水排出到外江(潭江)。述成泵站設(shè)計(jì)排澇流量為：

Qp(方案2：述成泵站排澇流量)=Qp(5%赤坎南部新區(qū)排澇流量)

=2.19m3/s。

(7)

(3)方案3：考慮景觀功能，黃烈河分擔(dān)防洪排澇功能

當(dāng)外江(潭江)水位高于南干渠內(nèi)河水位時(shí)，通過新建述成泵站將南干渠內(nèi)河澇水排出到外江(潭江)。述成泵站設(shè)計(jì)排澇流量為：

Qp(方案3：述成泵站排澇流量)=Qp(5%赤坎南部新區(qū)排澇流量)+

Qp(5%原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間排澇流量)

=3.50+2.19=5.69m3/s。

(8)

3 不同方案比選結(jié)果

3.1 方案1：南干渠兼顧防洪排澇、景觀功能

南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、赤坎南部新區(qū)洪水、原排洪渠道-赤坎大道區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水，全部匯入南干渠。

該設(shè)計(jì)方案主要擴(kuò)建南干渠，由現(xiàn)狀14m擴(kuò)寬到28m；潭江出水口處改建述成水閘1座，設(shè)計(jì)流量為56.03m3/s；新建述成泵站1座，設(shè)計(jì)排澇流量為28.74m3/s。

3.2 方案2：考慮景觀功能，新建排洪渠道分擔(dān)防洪排澇功能

根據(jù)赤坎新區(qū)規(guī)劃，赤坎新區(qū)將新建赤坎大道，本方案將沿著赤坎大道新建排洪渠道，通過連通渠對(duì)南干渠進(jìn)行引水分洪，分擔(dān)原南干渠主要防洪排澇功能。其中南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水、原渠道-赤坎大道區(qū)間洪水，均匯入新建排洪渠道；赤坎南部新區(qū)洪水匯入南干渠。

該設(shè)計(jì)方案主要新建寬10m的排洪渠道及其連通渠；潭江出水口處改建述成水閘1座，設(shè)計(jì)流量為14.59m3/s，新建赤坎大道水閘1座，設(shè)計(jì)流量為45.55m3/s；新建述成泵站1座，設(shè)計(jì)排澇流量為2.19m3/s。

3.3 方案3：考慮景觀功能，黃烈河分擔(dān)防洪排澇功能

本方案將在南干渠距離潭江1.55km處和黃烈排澇河距離潭江1.33km處新建連通渠，通過連通渠將南干渠洪水引到黃烈河中，分擔(dān)原南干渠主要防洪排澇功能。其中南干渠渠首流量、百梓里支渠區(qū)間洪水、中央水系向南干渠匯水分區(qū)洪水、黃烈河區(qū)間洪水，均匯入黃烈河；原渠道-赤坎大道區(qū)間洪水、赤坎南部新區(qū)洪水匯入南干渠。

該設(shè)計(jì)方案主要擴(kuò)建黃烈河，由現(xiàn)狀擴(kuò)寬到20m，并新建連通渠；潭江出水口處進(jìn)行改建水閘2座，述成水閘的設(shè)計(jì)流量為21.85m3/s，黃烈水閘1座，設(shè)計(jì)流量為75.22m3/s；新建述成泵站1座，設(shè)計(jì)排澇流量為6.69m3/s。

3.4 方案比選

(1)在方案1中，經(jīng)河道過流能力的計(jì)算復(fù)核，按照南干渠現(xiàn)狀河底高程，排泄20年一遇的設(shè)計(jì)洪水，需要28m寬的矩形渠道。根據(jù)南干渠目前的用地控規(guī)要求[5]，南干渠不能擴(kuò)寬至28m，無法達(dá)到要求。

(2)在方案2中，為了排泄20年一遇的設(shè)計(jì)洪水，南干渠可保持現(xiàn)狀14m寬，需在赤坎大道旁新建10m寬的排洪渠，新增占地為開發(fā)用地。

(3)在方案3中，黃烈河現(xiàn)狀平均寬10m，經(jīng)過流能力復(fù)核計(jì)算，需擴(kuò)寬10m[3]，擴(kuò)寬占用土地為水利設(shè)施范圍內(nèi)的土地。為了分擔(dān)赤坎南部新區(qū)的防洪排澇功能，將重建黃烈水閘。經(jīng)實(shí)地現(xiàn)場調(diào)查和赤坎鎮(zhèn)政府、赤坎鎮(zhèn)水利所等相關(guān)人員反饋，黃烈河在均和里村處與另一條河連通并設(shè)有分水閘，遭遇大于20年一遇暴雨時(shí)，黃烈河上游匯水通過水閘進(jìn)行高水高排調(diào)節(jié)，向南邊河流分洪。

因此方案3中的河道連通并擴(kuò)寬等水利措施，在不影響黃烈河原有防洪排澇功能基礎(chǔ)上，還能分擔(dān)排泄赤坎新區(qū)內(nèi)的洪水、澇水，充分體現(xiàn)了本方案的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本工程主要通過3個(gè)方案進(jìn)行改造，經(jīng)多方案比選，本次開平市赤坎新區(qū)中央水軸及景觀體系防洪排澇工程推薦使用設(shè)計(jì)方案3。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們對(duì)水利工程的其他功能需求在不斷提高，要求河流兩岸景觀能夠給人們提供休閑、娛樂的空間。本工程基于景觀考慮，充分研究河流具體特點(diǎn)，在滿足行洪、排澇、改善河道環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合河道景觀要求，通過多方案比選，選用與河流特點(diǎn)相匹配的防洪排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)，可全面提升周邊地區(qū)城市面貌水平，有效改善區(qū)域?yàn)I水環(huán)境，促進(jìn)該地區(qū)住宅、商業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展，營建良好宜居環(huán)境，形成經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的良好局面。