基于MIKE11模型的南方感潮區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)澇整治方案研究與應(yīng)用

馮斯安

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510610）

我國東南沿海經(jīng)濟發(fā)達，區(qū)域開發(fā)建設(shè)程度較高，人口密度大，內(nèi)澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟財產(chǎn)損失和人員傷亡十分嚴重[1-2]。隨著城市發(fā)展建設(shè)，城市水文特性發(fā)生相應(yīng)改變，湖泊、河涌等調(diào)蓄水體遭受侵占，綠地、農(nóng)田等透水地面被覆蓋，使得下滲量減少，地表徑流量增加，匯流速度增大，加之短歷時暴雨、外江高潮頂托等極端氣候頻發(fā)[3]，當前排澇壓力增大。基于上述城鎮(zhèn)區(qū)位的重要性及內(nèi)澇成因的復(fù)雜性，對南方感潮區(qū)城鎮(zhèn)的內(nèi)澇整治方案進行系統(tǒng)研究十分必要。

當前針對內(nèi)澇整治有較多相關(guān)研究，趙蕾[4]對比分析MIKE11模型與“平湖法”在平原區(qū)調(diào)蓄演算中的應(yīng)用，為工程設(shè)計及內(nèi)澇整治方案提供指導(dǎo)；漢京超[5]等以溫州市為例，針對溫州市中心城區(qū)排水格局，分析當前市政排水與水利排澇各自存在問題及其標準不銜接現(xiàn)狀，系統(tǒng)提出應(yīng)對措施；唐造造[6]等構(gòu)建廣州市荔灣區(qū)一維水動力模型，研究不同的河涌整治方案對排澇整治能力的提升效果；邴建平[7]等針對平原感潮區(qū)復(fù)雜排澇問題，研究閘泵聯(lián)調(diào)的排澇分析步驟，同時將改進的平湖法運用于蓄排澇計算中；侯燕[8]等基于MIKE、GIS軟件耦合河網(wǎng)、排水管網(wǎng)及地表匯流，模擬開封市內(nèi)澇積水點，為內(nèi)澇風險預(yù)測及防治提供支撐。本文選取廣州市深涌流域為研究對象，構(gòu)建MIKE11一維河網(wǎng)水動力模型，分析深涌流域現(xiàn)狀排澇能力，針對不同內(nèi)澇點分析原因，研究河涌整治、水系連通、泵站建設(shè)等方案對排澇整治的效果分析，以期為南方感潮區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)澇整治研究提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

深涌流域位于廣州市天河區(qū)東部，集雨面積18.85km2。深涌流域北部為山丘，南臨珠江前航道，屬平原感潮區(qū)，受上游洪水沖擊及下游潮水頂托影響明顯。深涌流域地勢北高南低，廣九鐵路橫穿深涌流域，鐵路以北為低丘陵臺地，地面高程2.5—94m之間，鐵路以南為沖積平原地帶，地面高程在1.8—3.5m之間，水系自北向南匯入珠江，流域內(nèi)有骨干水系11條，總長18.9km，深涌主涌及南支涌建有防潮閘共2座，總凈寬33m，涌口現(xiàn)狀無強排泵站，深涌流域水系及地形圖見圖1、圖2。

圖1 深涌流域水系圖

圖2 深涌流域地形圖

深涌流域現(xiàn)在存在內(nèi)澇問題，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，2019年現(xiàn)狀存在7處內(nèi)澇點，1處市區(qū)級內(nèi)澇布防點，4處街道內(nèi)澇布防點，內(nèi)澇分布點見圖3。內(nèi)澇點主要分布在廣九鐵路南北兩側(cè)及上游牛奶廠片區(qū)，內(nèi)澇點較為嚴重為車天車地和吉山幼兒園，近年在2016年5月10日、6月8日、2017年5月7日、2018年6月8日、2021年5月31日皆有發(fā)生積水現(xiàn)象。

圖3 深涌流域內(nèi)澇點分布圖

2 模型構(gòu)建

深涌流域水系復(fù)雜，河涌水面線受圍內(nèi)徑流、外江潮位及涌口水閘共同控制，本次采用MIKE11構(gòu)建一維水動力模型，通過構(gòu)建深涌流域網(wǎng)河模型及現(xiàn)場調(diào)研綜合分析內(nèi)澇成因，從全流域綜合考慮提出排澇整治方案。

2.1 模型原理

構(gòu)建深涌流域一維水動力網(wǎng)河模型，核心方程式為一維非恒定圣維南方程組[8，9，10]，圣維南方程組由連續(xù)性方程及動量方程組成，連續(xù)性方程反映河道水量平衡，動量方程反映水體運動規(guī)律。

2.2 模型計算范圍

本次模型概化深涌流域11條骨干水系，涌口水閘為寬頂堰式水閘，結(jié)合相關(guān)工程報告設(shè)置水閘尺寸及調(diào)度參數(shù)，本次共收集河道斷面313個，模型河網(wǎng)及河道斷面概化圖見圖4。暴雨排澇工況閘站調(diào)度為：當外江潮位低于內(nèi)河涌水位時，開閘排水，后期排澇整治方案規(guī)劃在涌口建泵，當外江潮位高于內(nèi)河涌警戒水位時，關(guān)閘開泵強排。

圖4 水動力模型河網(wǎng)及斷面概化圖

2.3 邊界條件

模型邊界需設(shè)置上游匯流流量邊界及下游水位邊界。流量邊界設(shè)置：深涌流域鐵路以北為山丘臺地，以南為沖積平原，結(jié)合區(qū)域地形水系及管網(wǎng)分布，將深涌流域分為15個子匯水區(qū)，鐵路以北入流流量采用綜合單位法計算，鐵路以南平原區(qū)地勢低平，且建設(shè)密度較大，采用徑流系數(shù)法進行計算，各匯水分區(qū)流量邊界做點源或沿程分布匯流邊界。水位邊界設(shè)置：深涌流域位于天河區(qū)東部，處于中大水文站和黃埔潮位站之間，河涌與外江交匯口取中大站及黃埔站潮位過程內(nèi)插值，本次共收集中大站和黃埔站約50年的潮位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)雨洪遭遇分析，深涌流域內(nèi)洪水與外江洪水遭遇具有隨機性，模型水位外邊界采用河涌涌口5年及50年一遇外江典型潮位過程，見圖5。

圖5 珠江前航道水位站分布及深涌涌口典型潮位過程

3 河涌現(xiàn)狀過流能力分析

當深涌流域發(fā)生暴雨，澇水自北向南排入珠江，構(gòu)建一維水動力模型進行計算，深涌流域50年一遇設(shè)計洪水位成果見圖6。深涌流域內(nèi)河涌總長18.9km，根據(jù)計算成果，深涌流域現(xiàn)狀共有8.1km河段滿足50年一遇排澇標準，主要分布在深涌流域南部，河道較寬，5.9km河段過流能力嚴重不足，主要分布在深涌流域中部鐵路沿線及北部，見圖7。

圖6 深涌流域各河涌現(xiàn)狀洪水位

圖7 深涌流域河道過流能力示意圖

根據(jù)深涌流域現(xiàn)狀過流能力計算，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研進行分析深涌主要內(nèi)澇點成因：①黃村內(nèi)澇點成因主要為三丫涌河道過流能力不足，平均河寬為6m，無法承接上游2.91km2山丘區(qū)域及周邊0.86km2城鎮(zhèn)區(qū)域澇水，加之河涌左岸區(qū)域地勢低洼，加劇內(nèi)澇風險；②車天車地內(nèi)澇點成因為地勢低洼，周邊區(qū)域澇水匯集于此，同時現(xiàn)狀管網(wǎng)存在淤積現(xiàn)象；③珠村內(nèi)澇點成因與黃村相似，中支涌局部河段僅寬3m，周邊珠村局部地勢在1.7—2.4m，低于或接近外江多年平均高潮位，易受洪潮水位頂托澇水難以自排；④吉山幼兒園內(nèi)澇成因主要為左支涌過鐵路渠箱縮窄至6m，過流能力嚴重不足，造成上游水位壅高；⑤華潤天河內(nèi)澇點主要成因為地塊開發(fā)，土地硬質(zhì)化地表徑流增加，雨水管網(wǎng)不滿足過流要求。深涌流域主要內(nèi)澇點成因見表1。綜上所述，深涌流域內(nèi)澇成因有兩點：①鐵路南北兩側(cè)河道、渠箱等過流能力不足壅高水位；②鐵路以南黃村及珠村等局部區(qū)域地勢較低，易受外江洪潮水位頂托，導(dǎo)致排水不暢。

表1 深涌流域主要內(nèi)澇點成因統(tǒng)計表

4 排澇整治方案研究

針對行泄通道過流能力不足問題，本文提出河道整治方案（河道拓寬、水系連通），針對局部地勢低洼易受頂托問題，本文提出泵站建設(shè)的整治方案，并綜合分析水系連通的必要性及泵站規(guī)模。

4.1 河道整治方案

深涌流域現(xiàn)狀三丫涌、中支涌珠村段、寶山排洪渠及左支涌過鐵路河段河道過流能力不足，右支涌、中支涌中下游段河道較寬，行洪能力充足，據(jù)此本文提出兩種河道整治方案，見圖8。方案1對三丫涌、寶山排洪渠、左支涌及中支涌等過流能力不足河涌共6.8km河段進行河道拓寬，方案2對三丫涌、寶山排洪渠、左支涌及中支涌共4.3km河段進行河道拓寬，并在鐵路以北綠地范圍內(nèi)新建2.4km水系，連通左右支涌，并綜合分析兩種方案的優(yōu)缺點，見表2。方案一需拓寬河道長度較大，如三丫涌兩岸為居民住宅，拓寬難度較大，沒有充分右支涌行洪能力，但不涉及新建水系，投資較小；方案二新建連通水系能夠有效緩解廣園路以北內(nèi)澇問題，縮短匯流路徑，同時可分流左支涌29m3/s及三丫涌上游40m3/s流量至右支涌，降低寶山排洪渠及左支涌35cm設(shè)計洪水位，減輕左支涌下游排澇壓力，右支涌設(shè)計洪水位上升5—40cm，仍能滿足排澇要求。

表2 深涌河道整治方案對比分析表

綜合分析：方案一需拓寬河道長度較長，且河道兩岸多為建成區(qū)，拓寬難度較大，方案二于鐵路以北綠地內(nèi)新建水系，具有可實施性，同時右支涌河道較寬，行洪能力充足，新建水系將左支涌澇水分流至右支涌，實現(xiàn)流域內(nèi)洪澇風險分擔，增強流域內(nèi)河涌間的調(diào)控，效果更優(yōu)。

4.2 泵站建設(shè)方案

深涌流域鐵路以南70%區(qū)域面積低于3.0m，局部20%區(qū)域面積低于2.0m，當發(fā)生50年一遇以潮為主設(shè)計工況：流域內(nèi)5年一遇設(shè)計洪水遭遇外江50年一遇設(shè)計高潮位時，鐵路以南70%區(qū)域?qū)⒃庥龊闈筹L險，在發(fā)生50年一遇以洪為主設(shè)計工況：流域內(nèi)50年一遇設(shè)計洪水遭遇外江5年一遇設(shè)計高潮位時，鐵路以南20%局部地勢低洼區(qū)域內(nèi)澇嚴重，綜上分析，涌口建強排泵站十分必要。

本文提出兩種泵站建設(shè)方案：方案一在涌口建超大泵站解決以洪、以潮為主內(nèi)澇問題；②方案二在涌口建設(shè)規(guī)模較小泵站，用于解決以潮為主工況外江高潮位頂托導(dǎo)致鐵路以南大部分區(qū)域水浸問題，針對以洪為主工況地勢低洼處易水浸問題，采用建設(shè)雨水泵站解決。

結(jié)合構(gòu)建深涌一維水動力模型，綜合分析兩種泵站建設(shè)方案優(yōu)缺點，見表3。方案一深涌涌口建設(shè)超大泵站解決以洪、以潮為主，需在涌口泵站規(guī)模需達到190m3/s，才能有效降低鐵路以南區(qū)域設(shè)計洪水位至1.8m，在泵站規(guī)模減小至170m3/s時，內(nèi)河涌設(shè)計洪水位與開閘自排接近水面線降低效果較低，且涌口泵站占地較大，對于上游局部地勢低洼地難以保證地面澇水較快排入河涌；方案二深涌涌口建設(shè)泵站解決以潮為主工況外江高潮位頂托問題，涌口泵站規(guī)模較小，泵站占地面積小，可實施性強，但上游建設(shè)多座雨水泵站，難以管理。綜合分析深涌流域泵站建設(shè)方案二優(yōu)于方案一。

表3 深涌泵站建設(shè)方案對比分析表

根據(jù)構(gòu)建深涌模型，計算方案二涌口泵站規(guī)模，分別計算以潮為主工況涌口泵站70m3/s、60m3/s、55m3/s、50m3/s 4種不同泵站規(guī)模深涌右支涌設(shè)計洪水位，見圖9，根據(jù)計算成果，在涌口泵站70m3/s時，鐵路以南最高設(shè)計洪水位在2.3m以下，較現(xiàn)狀工況設(shè)計洪水位低0.6m，結(jié)合地勢低洼地建設(shè)雨水泵站，可有效解決洪潮水位頂托澇水難以自排問題。

圖9 涌口泵站不同規(guī)模深涌右支涌設(shè)計水面線

5 結(jié)論

本文針對南方感潮城鎮(zhèn)區(qū)的內(nèi)澇問題，以廣州市天河區(qū)深涌流域為例，通過構(gòu)建一維河網(wǎng)水動力模型模擬計算深涌流域設(shè)計洪水位，分析深涌流域現(xiàn)狀存在問題，并進行排澇整治方案研究：

（1）分析深涌流域排澇現(xiàn)狀，深涌流域現(xiàn)狀共有8.1km河段滿足50年一遇排澇標準，主要分布在深涌流域南部，5.9km河段過流能力嚴重不足，主要分布在深涌流域中部鐵路沿線及北部。深涌流域內(nèi)澇主要成因為：①廣九鐵路切斷南北流向水系，同時受兩岸房屋侵占及城市開發(fā)建設(shè)影響，過路橋涵及河道束窄嚴重，過流能力嚴重不足；②局部地勢低洼，易受外江潮位及內(nèi)河洪澇水位頂托。

（2）本文提出包含河道拓寬及水系連通的河道整治方案，水系連通能夠充分充分利用右支涌的行洪能力，將左支涌及寶山排洪渠分流29m3/s至右支涌，減輕其下游排澇壓力，實現(xiàn)流域內(nèi)不同河涌間的洪澇風險分擔，增強調(diào)控，同時減少建成區(qū)河道拓寬長度，具有可實施性。

（3）本文提出涌口泵站建設(shè)方案，以解決外江高潮位頂托局部地勢低洼內(nèi)澇問題，并綜合對比分析，深涌流域涌口泵站規(guī)模達到70m3/s，可解決外江高潮位頂托問題，在以潮為主工況鐵路以南河道設(shè)計洪水位由3.0m降低至2.3m，再結(jié)合雨水泵站解決局部地勢低洼區(qū)域澇水難以自排問題?！?/p>