新建河道對(duì)現(xiàn)狀防洪體系的影響分析及應(yīng)對(duì)策略

解培強(qiáng)

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518001）

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日趨嚴(yán)格,對(duì)于供水水庫(kù),其入庫(kù)支流的水質(zhì)優(yōu)劣直接影響水庫(kù)供水安全。為減少流域污染對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響,對(duì)于一些特殊的依靠外來(lái)水源的供水水庫(kù),通過(guò)采用新建河道,將一定標(biāo)準(zhǔn)下的流域洪水截排至水庫(kù)下游,以保障供水安全。與此同時(shí),新建河道的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)上下游河道、水庫(kù)的防洪影響,需通過(guò)詳細(xì)的水文計(jì)算分析進(jìn)行反復(fù)試算,為工程方案的制定提供可靠依據(jù)。本文在對(duì)現(xiàn)狀防洪體系各邊界條件充分考慮后,通過(guò)新建調(diào)蓄庫(kù)、對(duì)下游河道的防洪治理、優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度等工程措施和運(yùn)行管理手段,減少了項(xiàng)目實(shí)施對(duì)已有防洪體系的影響,同時(shí),通過(guò)對(duì)工程實(shí)施前后各邊界條件的水文計(jì)算分析,論證了工程目標(biāo)能有效實(shí)現(xiàn)。

2 現(xiàn)狀防洪體系

本項(xiàng)目位于深圳觀瀾河流域,項(xiàng)目實(shí)施涉及木古河、鵝公嶺河、雁田水庫(kù)排洪渠三條河道和雁田水庫(kù),其中木古河與鵝公嶺河位于深圳市境內(nèi),雁田水庫(kù)排洪渠和雁田水庫(kù)位于東莞市境內(nèi)。木古河為雁田水庫(kù)的入庫(kù)河流,現(xiàn)狀木古河洪水通過(guò)河口位置前置庫(kù)泄洪到雁田水庫(kù)主庫(kù)區(qū),雁田水庫(kù)通過(guò)溢洪道將洪水下泄到下游河道雁田水庫(kù)排洪渠,鵝公嶺河道位于水庫(kù)下游,其河口匯入到雁田水庫(kù)排洪渠,且匯入位置處于深莞交匯位置,其流域水系分布平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 木古河現(xiàn)狀防洪體系

3 新建河道對(duì)已有防洪體系的影響

為保證供水水庫(kù)的入庫(kù)水質(zhì),通過(guò)市政府層面在制定技術(shù)路線及規(guī)模時(shí),確定將水庫(kù)流域范圍內(nèi)50 年一遇以下的的洪水截排至下游河道,不再入庫(kù)。50 年一遇以上的洪水,因水質(zhì)已能滿足入庫(kù)水質(zhì)要求,可直接流入水庫(kù)。

木古河河道現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,其洪峰流量為110 m3/s,鵝公嶺河道現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,其洪峰流量為88 m3/s。為保證入庫(kù)來(lái)水的水質(zhì),將木古河河道50 年一遇的洪峰流量通過(guò)新建河道進(jìn)行截排至下游,其河道規(guī)模將會(huì)較大,且鵝公嶺河下游即為東莞市范圍,其轄區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀河道雁田水庫(kù)排洪渠防洪標(biāo)準(zhǔn)不足20 年一遇,將110 個(gè)流量洪水全部截排至下游對(duì)其防洪影響也是巨大的,雖同屬于一個(gè)流域范圍內(nèi),但其實(shí)施卻面臨兩個(gè)地級(jí)市之間的眾多協(xié)調(diào)事宜,因此,新建河道防洪規(guī)模、深圳市境內(nèi)的河道用地、深圳市境內(nèi)下游河道增加的防洪壓力、下游東莞市河道增加的防洪問(wèn)題等亟需統(tǒng)籌解決,也便于后續(xù)設(shè)計(jì)方案的落地實(shí)施。

木古河集雨面積為7.2 km2,其下游雁田水庫(kù)集雨面積為18.9 km2,木古河流域面積占雁田水庫(kù)總集雨面積的38%。雁田水庫(kù)總庫(kù)容為1390萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇,因其承擔(dān)著往深圳及香港供水的重要任務(wù),其工程等別為Ⅱ等,主要水工建筑物級(jí)別為2 級(jí)。將木古河流域50 年一遇以下的洪水通過(guò)新建河道截排至水庫(kù)下游河道,對(duì)于水庫(kù)的防洪將是有利的,雖會(huì)造成一定水量的流失,但截排的水量多為水質(zhì)不能滿足水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)的,且雁田水庫(kù)為東深供水的重要渠道,其供水水量多為外來(lái)水,本地水只占其中的一小部分,因此截排的水量對(duì)于水庫(kù)的供水安全及防洪安全是有利的。

4 工程實(shí)施方案

為解決新建河道對(duì)于現(xiàn)狀防洪體系的影響分析,本項(xiàng)目主要從以下幾點(diǎn)考慮,制定工程設(shè)計(jì)方案,消除新建河道對(duì)現(xiàn)狀防洪的影響分析。

（1）水利工程應(yīng)充分利用水庫(kù)防洪調(diào)蓄的功能,解決防洪體系中的問(wèn)題。本項(xiàng)目新建河道將木古河流域不滿足入庫(kù)水質(zhì)要求的洪水截排至水庫(kù)下游河道,對(duì)于水庫(kù)防洪是有利的,對(duì)于水庫(kù)下游河道防洪是不利的,根本原因在于減少了水庫(kù)對(duì)于洪水的調(diào)蓄,減少了水庫(kù)對(duì)于洪峰流量的削峰作用。

（2）在充分調(diào)研水庫(kù)現(xiàn)狀及周邊地形的前提下,雁田水庫(kù)庫(kù)尾與木古河河口之間存在一20 萬(wàn)m2的前置庫(kù),現(xiàn)狀庫(kù)容約10 萬(wàn)m3,且該前置庫(kù)與主庫(kù)通過(guò)一溢流口進(jìn)行聯(lián)通。為減少防洪對(duì)下游河道的影響,在現(xiàn)狀前置庫(kù)位置通過(guò)下挖,新建一處調(diào)蓄庫(kù)[1],在不滿足入庫(kù)的水質(zhì)入庫(kù)之前,利用調(diào)蓄庫(kù)增大對(duì)上游來(lái)水的調(diào)蓄作用。

（3）本工程實(shí)施前,應(yīng)下游東莞市三防部門(mén)要求,50 年一遇雁田水庫(kù)往下游下泄的最大流量不超過(guò)60 m3/s,本項(xiàng)目50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)下,截排至下游河道的流量和雁田水庫(kù)的下泄流量之和不得大于60 m3/s。

（4）以木古河河口現(xiàn)狀50年一遇水位為調(diào)蓄庫(kù)的最高水位,假定新建河道的截排流量,通過(guò)水文調(diào)洪演算,計(jì)算得出,在不影響木古河防洪要求的前提下,前置庫(kù)調(diào)蓄規(guī)模應(yīng)不小于100 萬(wàn)m3,根據(jù)實(shí)際占地面積,其前置庫(kù)水深約5 m,技術(shù)上可行,同時(shí),根據(jù)反復(fù)試算,50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)下,雁田水庫(kù)下泄流量為10 m3/s,本項(xiàng)目新建河道下泄流量為50 m3/s。

（5）在規(guī)模確定以后,通過(guò)對(duì)水庫(kù)及下游河道的調(diào)洪演算,本項(xiàng)目50 年一遇洪水不再進(jìn)入雁田水庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄,在前置庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄后進(jìn)行下泄,因前置庫(kù)庫(kù)容與雁田水庫(kù)主庫(kù)擴(kuò)容差距較大,增加了下游河道的防洪流量和防洪壓力。對(duì)于深圳市境內(nèi)的鵝公嶺河道,結(jié)合現(xiàn)狀地形,對(duì)鵝公嶺河河道進(jìn)行拓寬,以消除新建河道對(duì)鵝公嶺河的防洪壓力。

（6）根據(jù)東莞市片區(qū)防洪排澇規(guī)劃,下游河道雁田水庫(kù)排洪渠防洪整治標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,但由于河道整治工程未實(shí)施,河道現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)不足20 年一遇。經(jīng)計(jì)算,本工程新建河道對(duì)下游河道50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)的防洪壓力幾乎沒(méi)有,但對(duì)現(xiàn)狀河道的水面線有所提升,為妥善解決東莞市河道規(guī)劃與現(xiàn)狀的矛盾,本項(xiàng)目在實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)目標(biāo)、保障入庫(kù)水質(zhì)的前提下,工程建設(shè)完成后的實(shí)際運(yùn)行調(diào)度分為近期調(diào)度和遠(yuǎn)期調(diào)度[2]。當(dāng)下游河道未達(dá)到50 年一遇的標(biāo)準(zhǔn)以前,本工程新建河道采取控制下泄10 m3/s進(jìn)行調(diào)度,當(dāng)下游河道實(shí)現(xiàn)50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí),新建河道實(shí)行下泄50 m3/s的調(diào)度方案,通過(guò)運(yùn)行調(diào)度方法,徹底解決了下游河道規(guī)劃與現(xiàn)狀的矛盾問(wèn)題。

（7）綜上所述,本項(xiàng)目主要在各邊界條件的制約下,通過(guò)反復(fù)水文調(diào)洪演算,采用在木古河河口新建100 萬(wàn)m3庫(kù)容調(diào)蓄池,拓寬鵝公嶺河道,對(duì)工程運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化調(diào)整,合理的解決了新建河道對(duì)于現(xiàn)狀防洪體系的影響。因深圳境內(nèi)的主要建設(shè)內(nèi)容規(guī)模是在不影響現(xiàn)狀防洪體系的前置條件下進(jìn)行計(jì)算確定的,以下主要通過(guò)洪水水文計(jì)算,在各建設(shè)內(nèi)容的設(shè)計(jì)規(guī)模下,驗(yàn)證本項(xiàng)目新建河道對(duì)下游防洪體系的影響分析。

5 水文計(jì)算對(duì)比分析

（1）模型基本原理

本次研究采用DHI公司的MIKE11水動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行計(jì)算,MIKE11[3]采用一維明渠非恒定流Saint-Venant方程來(lái)解,包括連續(xù)方程（1）和動(dòng)量方程（2）：

對(duì)于Saint-Venant方程的求解方法有許多種,MIKE11的HD模塊是采用六點(diǎn)中心隱式差分格式（AbbottScheme）求解Saint-Venant方程組,數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的“追趕法”,即“雙掃”算法。

（2）模型求解

利用Abbott六點(diǎn)中心格式明渠非恒定流模型方程,只要知道上下游水位Hus、Hds,這樣n個(gè)方程左邊有n個(gè)未知數(shù),可以使用標(biāo)準(zhǔn)消元技術(shù)進(jìn)行求解。而且,任意節(jié)點(diǎn)的變量Z（水位或流量）可以表達(dá)成為上下游水位節(jié)點(diǎn)的函數(shù)（3）：

（3）邊界條件

通常非恒定流數(shù)值計(jì)算采用的邊界條件為：水位過(guò)程、流量過(guò)程或水位流量關(guān)系三種形式。給定水位過(guò)程時(shí),邊界點(diǎn)n+1時(shí)刻的水位已知；若邊界給定流量過(guò)程時(shí),對(duì)圖所示區(qū)域建立的質(zhì)量守恒方程,變成式（4）：

（4）計(jì)算范圍

為了兼顧水面線計(jì)算的準(zhǔn)確性和連續(xù)性,模型上游邊界設(shè)立在雁田水庫(kù)泄洪通道排洪渠,中部充分考慮河流沿線水閘、橋梁等建筑物過(guò)流能力及其運(yùn)行調(diào)度對(duì)水面線帶來(lái)的影響,根據(jù)實(shí)際情況將建筑物概化至模型中,下游邊界為東江,建立了整體性較強(qiáng)的石馬河流域一維數(shù)學(xué)模型。

（5）計(jì)算成果對(duì)比分析

1）近期調(diào)度工況

工程實(shí)施完成后,生態(tài)調(diào)蓄庫(kù)往控泄10 m3/s,鵝公嶺河拓寬后,行洪能力較現(xiàn)狀大大增強(qiáng),同時(shí)雁田水庫(kù)下泄流量也比現(xiàn)狀要小,下游雁田水庫(kù)排洪渠對(duì)鵝公嶺河的水位頂托也會(huì)減弱。遭遇50 年一遇洪水條件下鵝公嶺河匯入斷面水位下降0.06 m,圍嶺支流匯入斷面水位下降0.06 m,雁田水庫(kù)排洪渠比現(xiàn)狀平均下降0.05 m,雁田水鳳崗鎮(zhèn)河段比現(xiàn)狀平均下降0.04 m,雁田水塘廈鎮(zhèn)河段比現(xiàn)狀平均下降0.05 m,石馬河塘廈鎮(zhèn)河段比現(xiàn)狀平均下降0.04 m,清溪鎮(zhèn)河段比現(xiàn)狀平均下降0.04 m,樟木頭鎮(zhèn)河段比現(xiàn)狀平均下降0.04 m,常平謝崗鎮(zhèn)河段的水位比現(xiàn)狀平均下降0.02 m,橋頭鎮(zhèn)河段的水位與現(xiàn)狀持平,工程實(shí)施對(duì)現(xiàn)狀防洪體系有益。

2）遠(yuǎn)期調(diào)度工況

由于雁田水庫(kù)和生態(tài)調(diào)蓄庫(kù)前期的預(yù)泄和后期的驟泄,對(duì)于遭遇20 年及以上洪水時(shí),洪峰相較現(xiàn)狀減小,下游河道水面線較現(xiàn)狀更低,對(duì)于10 年一遇工況,調(diào)洪后基本與現(xiàn)狀一致。主要影響范圍同樣是雁田水庫(kù)排洪渠和雁田水河段。推薦遠(yuǎn)期工況調(diào)度下,雁田水庫(kù)排洪渠上游最大下降0.13 m,雁田水最大下降0.10 m。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)在木古河河口新建生態(tài)調(diào)蓄庫(kù),對(duì)水庫(kù)上游洪水進(jìn)行調(diào)蓄后再通過(guò)新建河道進(jìn)行下泄,有效地減緩了對(duì)下游河道防洪的沖擊。

（2）針對(duì)下游東莞市現(xiàn)狀河道還未按排澇規(guī)劃實(shí)施完成河道整治,現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的情況,本工程通過(guò)實(shí)施近遠(yuǎn)期運(yùn)行調(diào)度方案,在確保工程目標(biāo)的情況下,合理解決了兩市之間的防洪體系的差距,也為后續(xù)河道綜合整治爭(zhēng)取了時(shí)間。

（3）針對(duì)新建河道對(duì)防洪體系產(chǎn)生的影響,通過(guò)水文計(jì)算分析反算各工程措施實(shí)施條件及標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)對(duì)工程設(shè)施優(yōu)化調(diào)整后,再對(duì)現(xiàn)狀防洪體系進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算,有效地減少了新建河道對(duì)片區(qū)防洪的影響。