深圳河流域防洪調(diào)度預(yù)演研究

冷玉波，劉訓(xùn)平，劉 川

(1.深圳市深圳河灣流域管理中心，廣東 深圳 518040；2.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518011)

深圳市地處廣東南部低緯度濱海臺風(fēng)頻繁影響地區(qū)，屬海岸山脈地貌帶，每年汛期受鋒面雨、臺風(fēng)雨影響，洪、澇、潮災(zāi)害頻發(fā)[1]。深圳河流經(jīng)深圳市羅湖區(qū)、福田區(qū)等城市中心區(qū)，區(qū)域內(nèi)人口密集、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值高，保障深圳水庫和深圳河的防汛安全至關(guān)重要。鑒于近期開展流域大型防洪工程建設(shè)的難度較大，周期較長，深圳水庫作為深圳河流域內(nèi)最大的防洪供水水庫，水庫總庫容達(dá)到4 496萬m3，充分挖掘深圳水庫應(yīng)對大暴雨時(shí)的削峰錯(cuò)潮潛力，實(shí)施深圳水庫與深圳河聯(lián)合調(diào)度成為近期保障深圳河流域防洪安全的有效手段。

預(yù)演作為“四預(yù)”的關(guān)鍵部分，基于預(yù)演目標(biāo)等約束條件，通過數(shù)字化場景、模擬仿真，演練控制斷面洪水過程、水庫水位過程等，為調(diào)度方案優(yōu)選，制定預(yù)案提供了科學(xué)依據(jù)。珠江水利委員會[2]探索構(gòu)建了數(shù)字孿生珠江全要素多尺度的洪水預(yù)演數(shù)字化場景，提高了流域防洪管理和工程調(diào)度水平?；春铀瘑T會[3]通過流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”演練，為提升流域防洪智慧化水平做出了探索。而水庫防洪調(diào)度是一個(gè)多階段的復(fù)雜決策過程，常規(guī)防洪調(diào)度一般利用半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，所指導(dǎo)的防洪調(diào)度并非最優(yōu)解[4]。為進(jìn)一步提高水庫的防洪效益，保證水庫和下游防洪安全，結(jié)合水庫防洪調(diào)度目標(biāo)和約束情況，基于數(shù)值模擬法進(jìn)行水庫防洪優(yōu)化調(diào)度研究是必要的[5]。吳海燕等[6]通過建立水庫防洪優(yōu)化調(diào)度模型，并利用非均勻離散動態(tài)規(guī)劃算法求解，充分發(fā)揮了有限防洪庫容的調(diào)節(jié)作用。郭愛軍等[7]采用K-means聚類法對洪水過程進(jìn)行分類，并應(yīng)用蒙特卡洛法對不同類型洪水過程進(jìn)行隨機(jī)模擬，獲取了考慮不確定性的大量水庫設(shè)計(jì)洪水過程，推求了安康水庫不同風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)下水庫防洪調(diào)度規(guī)則。

本文基于深圳市已建深圳河灣洪澇模型，針對深圳水庫和深圳河進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度演練，模擬分析不同雨潮遭遇工況下，水庫泄洪對河道水位的影響，充分發(fā)揮防洪減災(zāi)工程的能力，提升區(qū)域洪水抵御能力和風(fēng)險(xiǎn)管理決策水平，減輕洪災(zāi)損失。

1 區(qū)域概況

深圳河和深圳灣流域簡稱深圳河灣流域，流域總面積596 km2，香港側(cè)256 km2，深圳側(cè)340 km2。其中深圳河流域面積297 km2，深圳側(cè)172 km2，香港側(cè)125 km2。深圳河流域內(nèi)共有河道35條，河道水閘7座，中型水庫1座、小型水庫11座，蓄滯洪區(qū)3處。

近年來，隨著深圳河干流一至四期綜合整治工作完工，河道防洪能力較治理前的2至20年一遇有所提升。但因河道淤積、糙率增加、海平面上升等因素[8]影響導(dǎo)致中上游仍存在瓶頸段，其現(xiàn)狀防洪能力仍不足50年一遇，還遠(yuǎn)達(dá)不到200年一遇的規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)。

深圳水庫控制集雨面積為60.5 km2，占深圳河流域深圳側(cè)集雨面積的35%，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2 000年一遇，水庫最大泄洪流量為661 m3/s，調(diào)蓄總庫容為4 496.56萬m3，為滯洪調(diào)蓄和錯(cuò)潮調(diào)度提供了可行性。深圳河流域范圍見圖1。

圖1 深圳河流域示意

2 研究方法

2.1 模型構(gòu)建

以深圳河灣流域?yàn)榻ο?，模型所需的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)格式及精度見表1。河灣流域深圳側(cè)構(gòu)建“水文-河道-地表-管網(wǎng)”耦合模型，香港側(cè)則為“水文-河道”耦合模型[9]。共計(jì)考慮流域內(nèi)25條河道、18座水庫、24個(gè)閘門、2個(gè)滯洪區(qū)、14個(gè)泵站、2 179.4 km管網(wǎng)等相關(guān)水務(wù)設(shè)施。模型示意見圖2。

表1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)概況

a)水文+河道模型

b)管網(wǎng)模型

c)地表土地利用

d)局部地表模型

河灣洪澇模型中，一維河道模擬及二維地表模采用國家防汛抗旱總指揮部辦公室發(fā)布的《重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄》中推薦的“洪水分析系列軟件”；非建成區(qū)的產(chǎn)匯流計(jì)算采用“三水源新安江模型”；地下管網(wǎng)水動力計(jì)算則采用“SWMM模型”。各類模型的基本原理參見相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]。模型耦合方式概述如下。

a)河道模型與地表模型耦合。河道斷面水位超過堤頂高程或潰口底高程，則由堤頂或潰口處向地表漫溢；而地表水位超過堤頂高程時(shí)，也會流入河道。河道與地表之間的水量交換，與兩者的水位密切相關(guān)。河道一維模型中，河道被抽象為斷面點(diǎn)。地表二維模型中，河道堤防被概化成堤防型單元邊。因此，一維模型斷面點(diǎn)與地表二維模型的單元邊的連接關(guān)系，是一、二維模型耦合連接的基礎(chǔ)。一、二維模型耦合計(jì)算時(shí)，河道一維模型和地表二維模型，統(tǒng)一由耦合調(diào)度模型控制推進(jìn)，并根據(jù)河道和地表的實(shí)時(shí)水位計(jì)算河道與地表之間的水量交換。

b)河道模型與管網(wǎng)模型耦合。管網(wǎng)模型與河道模型在排水口處發(fā)生水量交換，如果河道水位低于出水口則管網(wǎng)正常向河內(nèi)排泄雨水，而當(dāng)河道水位高于管道內(nèi)壓力水頭時(shí)則河水向管網(wǎng)內(nèi)倒灌。因此，針對每個(gè)排水口，均須建立排水口與河道斷面之間的耦合關(guān)系。模型實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，將河道一維模型計(jì)算的斷面水位實(shí)時(shí)傳遞給管網(wǎng)模型，管網(wǎng)模型根據(jù)管道內(nèi)水頭與斷面水位，計(jì)算排水口的流量，并傳遞給河道一維模型。

c)地表模型與管網(wǎng)模型耦合。在管網(wǎng)建成區(qū)，根據(jù)每個(gè)檢查井劃分的區(qū)域，在規(guī)劃排水能力以內(nèi)的降雨產(chǎn)流直接進(jìn)入對應(yīng)的檢查井，超出部份在地面參與二維演進(jìn)計(jì)算。當(dāng)管道已經(jīng)充滿處于有壓狀態(tài)且水壓力高于地面水頭時(shí)，在檢查井處出現(xiàn)管道雨水的反灌。在沒有管網(wǎng)的非建成區(qū)或者無管網(wǎng)資料的地區(qū)，其雨水產(chǎn)流在規(guī)劃排水能力以內(nèi)的部份按照小流域的匯流關(guān)系進(jìn)入對應(yīng)的河道斷面，超出部份參與地表演進(jìn)。

2.2 模型校正與驗(yàn)證

洪澇模型的關(guān)鍵參數(shù)有糙率、下滲參數(shù)等。下滲參數(shù)及地表糙率根據(jù)地塊類型選取，河道糙率則依據(jù)深圳河相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告選擇，具體見表2。

表2 模型關(guān)鍵參數(shù)取值

以2020年6月7—8日的降雨條件、潮位過程作為模型計(jì)算邊界，水務(wù)設(shè)施則根據(jù)調(diào)度預(yù)案或?qū)嶋H情況進(jìn)行調(diào)控。采用當(dāng)日深圳河實(shí)測水位、片區(qū)內(nèi)實(shí)際積水情況對耦合模型進(jìn)行合理性分析。

河道模擬水位與實(shí)際情況對比見圖3，統(tǒng)計(jì)情況見表3。深圳河各典型斷面峰現(xiàn)時(shí)間誤差在30 min以內(nèi)，其中深圳河口誤差在5 min以內(nèi)，羅湖、鹿丹村提前15 min，三岔河口、平原河口提前25 min。洪峰水位模擬較好，各斷面水位絕對誤差在-0.13～0.15 m，相對誤差在-5.5%～6.2%。

a)平原河口斷面

此次降雨共產(chǎn)生2處積水點(diǎn)，模擬積水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)際對比見表3，模擬結(jié)果基本與實(shí)際情況吻合。綜上，所構(gòu)建模型總體較為合理，模擬結(jié)果較為可靠，可用于后續(xù)研究分析。

表3 河道水位計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)

表4 積水情況模擬與實(shí)際對比

2.3 邊界條件及工況設(shè)置

作為模型重要的輸入條件，邊界條件的全面性、合理性直接關(guān)系到整個(gè)預(yù)演結(jié)果的可靠性[13]。因此在演練前，應(yīng)綜合考慮影響模擬結(jié)果的各種因素設(shè)置演練條件。本文結(jié)合演練應(yīng)急響應(yīng)等級、歷史觀測數(shù)據(jù)、相關(guān)成果報(bào)告等，考慮最不利工況，選擇深圳水庫泄洪、流域洪水、天文大潮在深圳河鹿丹村瓶頸斷面遭遇，對各相關(guān)要素進(jìn)行綜合分析如下。

a)設(shè)計(jì)潮位。深圳河口附近的潮位站有爛角咀站和赤灣站，可以提供未來潮汐預(yù)報(bào)過程。通過對比分析無臺風(fēng)暴雨時(shí)爛角咀站、赤灣站實(shí)測與預(yù)報(bào)潮位過程與深圳河口實(shí)測水位過程，可知赤灣站的潮位過程與深圳河口的水位過程較為一致，見圖4。結(jié)合海洋局赤灣站預(yù)報(bào)潮位過程，根據(jù)最不利原則，選定2022年6月16日年度天文大潮作為本次演練的設(shè)計(jì)潮位邊界。

圖4 潮位過程與深圳河口水位過程比較

b)設(shè)計(jì)降雨。降雨是城市洪澇問題的關(guān)鍵，且高度建成區(qū)局部小氣候更易促發(fā)強(qiáng)降水事件，使城市防洪排澇壓力增大[14]。降雨量資料的可靠性、一致性以及代表性審查是推求設(shè)計(jì)暴雨的基礎(chǔ)，決定了設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的代表性和可靠性[15]。雨型作為描述暴雨過程的概念，表現(xiàn)了暴雨強(qiáng)度在時(shí)間尺度上的分配過程，其對于城市防洪排澇的影響不可忽視[16]。根據(jù)現(xiàn)有成果及相關(guān)分析計(jì)算理論，本研究選取深圳水庫設(shè)計(jì)暴雨成果[17]與珠江三角洲24 h雨型[18]。10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇24 h降雨量分別為289、344、418、472 mm，設(shè)計(jì)降雨過程見圖5。

圖5 設(shè)計(jì)降雨過程

c)雨潮遭遇。深圳河為感潮河段，無雨時(shí)水位受外海潮位影響，降雨時(shí)受河段洪水與潮位共同影響[19]。根據(jù)深圳河歷年水文觀測數(shù)據(jù)，2018年8月29日20:00至20:30，三岔河口、羅湖橋、梧桐河、鹿丹村4個(gè)典型站點(diǎn)水位值超過歷史最高水位。鹿丹村站最高水位達(dá)到3.94 m，超過搶險(xiǎn)水位3.9 m，最高水位距堤頂僅0.7 m，是上述特征斷面中風(fēng)險(xiǎn)最大位置。因此，選定鹿丹村斷面為本次演練中最不利雨潮遭遇斷面。此外，本文依據(jù)試算結(jié)果設(shè)置演練場景的降雨起始時(shí)間，使雨峰與最高潮位保持一定時(shí)差，以確保洪峰與最高潮位在鹿丹村瓶頸斷面遭遇，結(jié)果見圖6。

圖6 鹿丹村斷面雨潮遭遇示意

d)水庫水位及控泄流量。根據(jù)深圳水庫防洪調(diào)度預(yù)案[20]，流域內(nèi)無降雨時(shí)，控制水庫水位在防洪控制水位27.79 m以下；預(yù)報(bào)小雨—大暴雨(預(yù)報(bào)降雨量小于250 mm/d)時(shí)，控制水庫水位在防洪控制水位27.79 m以下，如需泄洪，泄流量不超過入庫流量，盡量維持水位穩(wěn)定；預(yù)報(bào)特大暴雨(預(yù)報(bào)降雨量達(dá)250 mm/24h及以上)時(shí)，提前通過供水調(diào)度或泄洪的方式，將水庫水位降至特大暴雨洪水調(diào)度水位27.19 m以下，若需泄洪，考慮下游河道排洪能力，最大控泄流量為270 m3/s，當(dāng)水庫水位持續(xù)上漲超過設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，完全開啟泄水建筑物進(jìn)行敞泄，直至水位降至特大暴雨洪水調(diào)度水位27.19 m，并恢復(fù)最大控泄流量270 m3/s。本次演練設(shè)定深圳水庫遭遇重現(xiàn)期20年一遇及以上的降雨，同時(shí)水庫水位不超設(shè)計(jì)洪水位29.42 m。深圳水庫遭遇20年一遇時(shí)的降雨量滿足水庫特大暴雨情境下的調(diào)度原則，故以深圳水庫特大暴雨洪水調(diào)度水位27.19 m作為演練的起調(diào)水位，設(shè)計(jì)洪水位29.42 m作為上限水位。

e)工況設(shè)置。依照演練要求，以深圳河不漫堤，同時(shí)深圳水庫不超設(shè)計(jì)水位作為水庫調(diào)度及工況設(shè)置的前提條件。根據(jù)試算結(jié)果，深圳河流域發(fā)生20年一遇降雨時(shí)，無論深圳水庫控泄與否，深圳河部分河段水位均超過堤頂；深圳河流域發(fā)生10年一遇降雨時(shí)，深圳河不漫堤。因此選定10年一遇降雨作為除深圳水庫之外的深圳河流域的降雨條件。此外，因深圳水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，故設(shè)定深圳水庫分別遭遇20年一遇降雨、50年一遇降雨、100年一遇降雨等。

綜上，演練工況即為：①深圳水庫之外的深圳河流域發(fā)生10年一遇降雨疊加深圳水庫20年一遇降雨；②深圳水庫之外的深圳河流域發(fā)生10年一遇降雨疊加深圳水庫50年一遇降雨；③深圳水庫之外的深圳河流域發(fā)生10年一遇降雨疊加深圳水庫100年一遇降雨。

3 結(jié)果與分析

考慮不同工況下深圳水庫水位及深圳河水位的變化情況，基于洪澇模型提出對應(yīng)情景下深圳水庫調(diào)度方案，以及對照調(diào)度方案。深圳水庫泄洪過程見圖7，深圳河水面線模擬結(jié)果見圖8，不同調(diào)度方案下河道關(guān)鍵斷面水位對比見表5。

a)水庫最高水位29.253 m

圖8 不同工況下深圳河沿程最高水面線模擬結(jié)果

表5 不同調(diào)度方案下河道關(guān)鍵斷面水位對比 單位：m

1)方案a。11—19時(shí)為落潮期，趁落潮期進(jìn)行水庫泄洪。11—13時(shí)控泄流量為150 m3/s，13—19時(shí)控泄200 m3/s。19—24時(shí)潮位逐漸增加，水庫下泄流量適度降低，維持150 m3/s。模擬結(jié)果表明，深圳水庫最高水位未超設(shè)計(jì)水位，于24時(shí)深圳水庫水位降至汛限水位以下，深圳河沿線不漫堤。

2) 方案b。5—11時(shí)為漲潮期，其中5—6時(shí)尚處低潮位，降雨量較少，水庫下泄流量適度加大，維持100 m3/s；6—7時(shí)，潮位、降雨量增加，水庫泄量降至50 m3/s；7—11時(shí)，雨峰與最高潮位相繼到達(dá)，風(fēng)險(xiǎn)較大，水庫不泄洪。11—19時(shí)潮位逐漸降低，水庫大流量泄洪，11—15時(shí)控泄270 m3/s，15—19時(shí)控泄200 m3/s。19—24時(shí)為漲潮期，其中19—22時(shí)降雨量較小，潮位較低，水庫繼續(xù)大流量泄洪，控泄200 m3/s；此后潮位逐漸增加，水庫泄量降低，22—23時(shí)控泄150 m3/s，23—24時(shí)控泄100 m3/s。模擬結(jié)果表明，深圳水庫最高水位未超設(shè)計(jì)水位，于24時(shí)水庫水位降至汛限水位以下，深圳河沿線不漫堤。

3) 方案c。5—11時(shí)為漲潮期，水庫維持小流量泄洪，控泄70 m3/s。11—19時(shí)潮位為落潮期，水庫大流量泄洪，11—17時(shí)控泄270 m3/s，17—19時(shí)控泄200 m3/s。19—24時(shí)為漲潮期，其中19—22時(shí)降雨量較小，潮位較低，水庫繼續(xù)大流量泄洪，19—22時(shí)控泄200 m3/s；此后潮位逐漸增加，水庫泄量降低，22—24控泄150 m3/s。模擬結(jié)果表明，深圳水庫最高水位未超設(shè)計(jì)水位，于24時(shí)深圳水庫水位降至汛限水位以下，深圳河沿線不漫堤。

4) 對照方案。根據(jù)深圳水庫防洪調(diào)度預(yù)案[20]，遭遇特大暴雨時(shí)，應(yīng)考慮下游河道排洪能力，水庫最大控泄流量不超270 m3/s。但在實(shí)際執(zhí)行過程中，常以經(jīng)驗(yàn)判斷為主，未充分考慮下游河道行洪能力，致使下游河道漫溢風(fēng)險(xiǎn)增加。本文以對照調(diào)度方案控泄200 m3/s，代表以經(jīng)驗(yàn)判斷制定的水庫泄洪方案。模擬結(jié)果結(jié)果表明，此時(shí)深圳河約有5.5 km河段的水位高于堤頂；若不泄洪或泄洪較小，水庫水位超過設(shè)計(jì)洪水位的風(fēng)險(xiǎn)較大。

由圖8、表5可知，水庫泄洪時(shí)河道水位相比水庫未泄洪時(shí)略有增加，但未高于堤頂。a、b、c三種調(diào)度方案下，通過錯(cuò)峰錯(cuò)潮調(diào)控手段，使不同情景下水庫下泄不增加深圳河洪峰流量，深圳河最高水位一致且不漫堤。對照調(diào)度方案下，河道水位抬升明顯，部分河段發(fā)生漫堤。綜上，本文基于洪澇模型提出的3種水庫調(diào)度方案，充分考慮下游河道的行洪能力，通過定量分析，可在一定程度上消除主觀性、經(jīng)驗(yàn)性判斷導(dǎo)致的不確定性，在保證深圳水庫水位不超設(shè)計(jì)水位的同時(shí)，降低下游河水出槽風(fēng)險(xiǎn)。

雖然在實(shí)際工作中受雨量、潮位、深圳水庫水位及泄量多因素的影響，實(shí)際情況與本次演練采用的工況會有差異，但運(yùn)用數(shù)字化、智慧化手段，強(qiáng)化水工程預(yù)報(bào)信息與調(diào)度運(yùn)行信息的集成耦合，根據(jù)雨水情預(yù)報(bào)情況，對水庫、河道、蓄滯洪區(qū)蓄泄情況進(jìn)行模擬預(yù)演，為工程調(diào)度提供科學(xué)決策支持的方法仍科學(xué)可行[3]，且本文提出的優(yōu)化調(diào)度方案也具備一定參考意義。

4 結(jié)論與展望

基于深圳河灣洪澇模型，通過深圳水庫泄洪演練，得出主要結(jié)論如下：①在近期難以興建大型工程的背景下，當(dāng)深圳河流域普降10年一遇降雨，深圳水庫局部降雨不超100年，同時(shí)遭遇天文大潮的不利情形時(shí)，通過水庫調(diào)蓄滯洪、錯(cuò)潮控泄等調(diào)度手段，可保障深圳水庫及深圳河的防洪安全；②結(jié)合水工程調(diào)度規(guī)則，通過深圳河灣洪澇模型在預(yù)演中的應(yīng)用，可以科學(xué)合理地實(shí)現(xiàn)深圳河和深圳水庫的聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮防洪減災(zāi)工程體系的作用，提升區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理和決策水平，減輕洪水災(zāi)害給城市造成的損失。

水利工程防洪調(diào)度是水旱災(zāi)害防御工作的重要途徑，而模型已成為新體制新形勢下，推進(jìn)“四預(yù)”工作的關(guān)鍵手段[21]。本研究模擬演練了深圳水庫泄洪調(diào)度的不同情景，建立了深圳河干流與深圳水庫泄洪聯(lián)合調(diào)度會商研判決策機(jī)制及流程。基于現(xiàn)有深圳河灣洪澇模型和預(yù)警調(diào)度系統(tǒng)可在后續(xù)工作中強(qiáng)化“四預(yù)”措施，實(shí)現(xiàn)流域聯(lián)合調(diào)度以及城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析，提高抵御洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力以及防汛處置工作的前瞻性和準(zhǔn)確性。