韓江分洪方案研究

黃家文，陳丕翔，陳佩琪

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635)

1 概述

流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水往往對(duì)中下游平原地區(qū)造成毀滅性災(zāi)害[1]，而河南“21·7”特大暴雨水災(zāi)造成的嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，突顯出大城市遭受極端暴雨后洪澇災(zāi)害“連鎖性、突變性和傳遞性”的新特點(diǎn)[2]，因此必須高度重視城市人口密集、基礎(chǔ)設(shè)施密集、資產(chǎn)密集、淹不得、淹不起等因素，做好重點(diǎn)地區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御的總體安排和各項(xiàng)準(zhǔn)備措施，以有效應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害領(lǐng)域“黑天鵝”事件。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，越來越多地區(qū)變得“淹不起”，人們對(duì)美好生活的向往加大了水庫(kù)超蓄和河道強(qiáng)迫行洪的期望值[3]。但面對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，必要時(shí)得有所放棄，才可能更好地保住重點(diǎn)[4]。蓄滯洪區(qū)運(yùn)用或破堤分洪是防御流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的“底牌”，必須予以重視，充分準(zhǔn)備。

韓江下游三角洲人口稠密，一旦成災(zāi)，損失嚴(yán)重，防洪壓力巨大。早在1994年，《潮州市城市總體規(guī)劃(1993—2015)》[5]提出意東分洪的設(shè)想。2000年，作為應(yīng)對(duì)韓江流域超準(zhǔn)洪水的非工程措施，《韓江下游及三角洲河段綜合整治開發(fā)規(guī)劃報(bào)告》正式提出意東分洪方案[6- 7]。雖然后續(xù)編制的相關(guān)規(guī)劃、預(yù)案一直沿用此方案[8- 11]，但其可行性和運(yùn)用效果至今仍未經(jīng)充分論證。

目前對(duì)于韓江流域洪水的研究，主要集中在暴雨洪水的時(shí)空分布特征[12- 13]、可能最大暴雨洪水[14]、干支流洪水遭遇[15]、重點(diǎn)防洪保護(hù)區(qū)潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬[16]等方面，而對(duì)于韓江流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的應(yīng)對(duì)措施研究尚顯不足。因此，本研究擬從韓江流域重點(diǎn)防洪保護(hù)對(duì)象出發(fā)，系統(tǒng)梳理可能的破堤分洪方案，并通過構(gòu)建一二維耦合的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算運(yùn)用效果，進(jìn)而評(píng)估運(yùn)用成本，比選提出推薦方案，為韓江流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對(duì)提供科學(xué)決策支撐。

2 流域概況

韓江流域涉及廣東、福建、江西3省的8個(gè)地級(jí)市24個(gè)縣(市、區(qū))，中上游地區(qū)人口密度較疏，下游及三角洲人口稠密[11]。潮州市和汕頭市城區(qū)是韓江中下游和三角洲的重點(diǎn)防洪保護(hù)對(duì)象，為保護(hù)這2個(gè)城區(qū)的安全，須確保韓江南北堤和汕頭大圍堤防安全[17]。汀江已建的棉花灘水庫(kù)可減輕中下游的防洪壓力，具有調(diào)蓄流域性大洪水的高陂水利樞紐在2021年正式下閘蓄水，堤庫(kù)結(jié)合的防洪工程體系已基本形成，韓江南北堤和汕頭大圍保護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)從50年一遇提高至100年一遇。

3 分洪方案

韓江南北堤北起竹竿山，韓江中游三河壩至竹竿山兩岸多丘陵，沒有足夠規(guī)模的洪水調(diào)蓄空間和分洪地理?xiàng)l件。根據(jù)韓江1911年歷史大洪水奔瀉路線、淹沒區(qū)域等經(jīng)驗(yàn)，要在重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象上游分蓄超額洪水，在韓江下游竹竿山至潮州供水樞紐左岸的意東堤或東廂堤分洪是可能的方案。《韓江下游及三角洲河段綜合整治開發(fā)規(guī)劃報(bào)告》[6]提出在意東堤置設(shè)分洪口，洪水經(jīng)意東、秋北、蘇北等堤圍區(qū)入海的分洪方案。除此之外，韓江三角洲北部東廂圍具有一定的洪水調(diào)蓄空間，韓江干流洪水可直接從潮州供水樞紐上游左岸東廂堤分洪進(jìn)入東廂圍，也可從意東堤分洪匯入北溪后進(jìn)入東廂圍，分洪洪水在東廂圍內(nèi)滯蓄后經(jīng)義豐溪入海。因此，在已有規(guī)劃提出的意東分洪(意東-秋北-蘇北)方案的基礎(chǔ)上，新增意東分洪(意東-東廂)方案和東廂分洪方案進(jìn)行比選，如圖1所示。

圖1 韓江分洪方案示意圖

韓江分洪方案的啟用標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)100年一遇，分洪流量大，分洪控制工程均采用臨時(shí)扒口的型式。

(1)意東分洪(意東-秋北-蘇北)方案

韓江超額洪水經(jīng)意東圍、秋北-蘇北圍分流入海。意東堤整體上與韓江洪水主流方向垂直，堤后多有建筑物阻擋，唯有橡埔村堤段和宋厝嶺堤段具備分洪條件。為提高分洪效果，意東堤設(shè)置2處分洪口，扒口按最大長(zhǎng)度考慮，橡埔村堤段400m，宋厝嶺堤段500m。分洪洪水在意東圍內(nèi)自北向南漫流至北溪左岸，通過桂坑水六畝閘以及北溪左岸堤防自動(dòng)漫溢匯入北溪。由于受秋溪山與頭呵山坳口阻擋，北溪洪水只能在山坳口以南、官塘橋閘上游左岸秋北堤分洪進(jìn)入秋北-蘇北圍，分洪口設(shè)置在分洪水流條件較好的巷頭村堤段，長(zhǎng)440m。

(2)意東分洪(意東-東廂)方案

韓江超額洪水經(jīng)意東圍、東廂圍匯入南溪、義豐溪入海。意東分洪(意東-東廂)方案與意東分洪(意東-秋北-蘇北)方案在意東圍的分洪口和分洪路徑相同。分洪洪水從北溪左岸匯入北溪后，從對(duì)岸東廂堤分洪進(jìn)入東廂圍。分洪口位置避開磷溪鎮(zhèn)區(qū)，選擇在溪口村堤段。由于潮州東大道上穿分洪堤段，分洪口被橋墩和路基部分阻擋，若不能及時(shí)將韓江分洪洪水導(dǎo)入東廂圍，將造成北溪官塘橋閘上游兩岸堤防潰決，扒口按最大長(zhǎng)度980m考慮。東廂圍現(xiàn)狀5座穿堤排水涵閘設(shè)計(jì)流量合計(jì)126m3/s，排干圍內(nèi)洪水量需要約17.5d。考慮待外江洪水消退后，在東廂圍南部低洼地，南溪左岸隆都圍關(guān)腳村堤段臨時(shí)扒口70m退水，可在3d內(nèi)排干。

(3)東廂分洪方案

韓江超額洪水經(jīng)東廂圍匯入南溪、北溪、義豐溪入海。考慮分洪水流條件和分洪口附近建筑物阻擋，分洪口位置選擇在韓江左岸東廂堤埔涵村堤段，扒口按最大長(zhǎng)度350m考慮。分洪洪水自東廂圍北部經(jīng)金沙溪漫流至南部。由于東廂圍洪水調(diào)蓄容積遠(yuǎn)小于分洪量，只能起調(diào)節(jié)作用，分洪過程、退水過程應(yīng)與東廂圍調(diào)蓄容積以及下游退水河道過流能力相匹配。為充分利用下游河道的行洪能力，分別考慮在南溪左岸隆都圍關(guān)腳村堤段和北溪右岸隆都圍東山村堤段臨時(shí)扒口退水，隨外江洪水消退排干。此2處退洪口均位于東廂圍南部低洼地，附近少有阻擋。南溪退洪口退水方向與河道主流方向一致，且對(duì)岸有大片灘地，可避免退水水流沖擊對(duì)岸蘇溪圍。北溪退洪口堤外有大片灘地，退水水流擴(kuò)散，減輕對(duì)對(duì)岸蘇北圍的沖擊。在滿足分洪洪水不漫溢的前提下，為減輕下游河道行洪壓力，退洪口規(guī)模應(yīng)盡量小。退洪口規(guī)模視潮安站預(yù)報(bào)的洪水頻率而定，經(jīng)試算，見表1。

表1 東廂分洪進(jìn)退洪口規(guī)模匯總表

4 數(shù)據(jù)與方法

4.1 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

采用MIKE FLOOD軟件構(gòu)建一二維耦合的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。一維模型的模擬范圍為竹竿山以下韓江三角洲河網(wǎng)，采用2020年實(shí)測(cè)橫斷面數(shù)據(jù)，斷面間隔約1000m，河道形態(tài)顯著變化的河段適當(dāng)加密。二維模型的模擬范圍為韓江分洪可能淹沒的堤圍區(qū)，包括意東圍、東廂圍、秋北-蘇北圍、蘇溪圍等，采用2014年1∶10000地形圖生成的5m×5m DEM。數(shù)學(xué)模型模擬范圍如圖2所示。一維模型的河道糙率率定和驗(yàn)證采用近年來潮安站發(fā)生的2場(chǎng)較大洪水(2017、2019年)進(jìn)行，潮安站、潮州供水樞紐東溪以及西溪閘下模擬水位值與實(shí)測(cè)值之間相差均在10cm以內(nèi)，基本滿足精度要求[18]。二維模型的陸域糙率根據(jù)不同下墊面類型進(jìn)行選取。

4.2 計(jì)算方案

計(jì)算的邊界條件采用韓江潮安站發(fā)生200年、300年、500年一遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水過程遭遇外海多年平均年最高潮位過程。計(jì)算以上3個(gè)重現(xiàn)期洪水條件下，不啟用分洪和分別啟用3個(gè)分洪方案的12種工況?？紤]到與重點(diǎn)堤防工程的設(shè)計(jì)特征值銜接，分洪方案的啟用條件確定為潮安站遭遇超100年一遇洪水，即流量超過16000m3/s，或水位超過15.60m。

4.3 損失評(píng)估

韓江分洪方案的運(yùn)用成本，即分洪造成的淹沒損失，采用洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)的洪水影響和損失評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。洪水淹沒特征指標(biāo)采用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算結(jié)果，社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)資料及空間地圖信息資料均采用2020年數(shù)據(jù)[19]。

5 方案比選

意東分洪的2個(gè)分洪路徑方案在200年—500年一遇洪水條件下的分洪流量與分洪量基本相同(對(duì)比詳見表2)，可將潮安站200年一遇洪水削減為100年一遇，而意東-東廂分洪路徑方案造成的淹沒面積、受影響人口及GDP、經(jīng)濟(jì)損失均較意東-秋北-蘇北分洪路徑方案小(對(duì)比詳見表3)。因此，意東分洪推薦意東-東廂分洪路徑方案。

表2 最大分洪流量及分洪量對(duì)比表

圖2 淹沒范圍示意圖

表3 分洪影響對(duì)比表

東廂分洪方案的分洪角度約40°，洪水主流通道較為暢通，而意東分洪方案的分洪角度接近90°，分洪洪水受意溪鎮(zhèn)區(qū)密集建筑物阻擋。因此，東廂分洪方案的分洪條件優(yōu)于意東分洪方案。從表2—3可見，東廂分洪方案比意東分洪方案在200年—500年一遇洪水條件下的分洪流量和分洪量均更大，可將潮州供水樞紐500年一遇洪水削減為約100年一遇，且總體上淹沒范圍、受影響人口和GDP、經(jīng)濟(jì)損失更小。從表4可見，東廂分洪方案對(duì)于潮安站以下的最高洪水位下降效果明顯優(yōu)于意東分洪方案，但由于東廂分洪口位于潮安站下游，東廂分洪方案對(duì)于潮安站以上的最高洪水位下降效果不如意東分洪方案。東廂分洪方案與意東分洪方案對(duì)潮安站的最高洪水位下降效果基本相同，對(duì)潮州北堤終點(diǎn)的最高洪水位下降值，意東分洪方案比東廂分洪方案大了約20cm，主要涉及韓江南北堤的潮州北堤段。韓江南北堤從潮州市湘橋區(qū)的竹竿山腳起，至汕頭市金平區(qū)岐山的梅溪橋閘止，總長(zhǎng)度42.9km。其中，潮州北堤段位于最上游，長(zhǎng)2.3km，僅占全長(zhǎng)的5%，且堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，高于城堤段以下的其他段(50年一遇)。另一方面，由于河床下切，與2004年洪潮水面線相比，潮安站100年一遇洪水位下降2.81m，而下游河口段下切較小甚至有一定淤積，洪水位變化較小[18]。綜上所述，韓江南北堤潮州北堤段洪水風(fēng)險(xiǎn)較其他段低，基于運(yùn)用效果和運(yùn)用成本的比較，推薦東廂分洪方案。具體調(diào)度規(guī)則如下：①當(dāng)韓江干支流大型水庫(kù)群調(diào)度后，預(yù)報(bào)潮安站流量將超過16000m3/s(或水位超過15.60m)且韓江南北堤、汕頭大圍出現(xiàn)重大險(xiǎn)情時(shí)，視情適時(shí)啟用東廂堤埔涵村堤段分洪；②當(dāng)圍內(nèi)水位高于外江水位，啟用隆都圍關(guān)腳村堤段、東山村堤段退水。

表4 分洪降低洪水位對(duì)比表

6 結(jié)論

(1)為保障潮州市和汕頭市城區(qū)的防洪安全，當(dāng)韓江流域遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水且韓江南北堤、汕頭大圍出現(xiàn)重大險(xiǎn)情時(shí)，破堤分洪是為保全大局而不得不犧牲局部利益的整體考慮。根據(jù)韓江流域?qū)嶋H，在已有規(guī)劃提出的意東分洪(意東-秋北-蘇北)方案的基礎(chǔ)上，提出了意東分洪(意東-東廂)和東廂分洪等2個(gè)新的可能方案。

(2)在200年—500年一遇洪水條件下，意東分洪的2個(gè)分洪路徑方案運(yùn)用效果基本相同，最大分洪流量1872～2275m3/s，而意東-東廂分洪路徑方案的運(yùn)用成本更低，分洪造成的經(jīng)濟(jì)損失為33.27億～45.56億元。因此，意東分洪推薦意東-東廂分洪路徑方案。東廂分洪方案最大分洪流量3076～3746m3/s，分洪造成的經(jīng)濟(jì)損失為29.17億～30.72億元?？傮w上，東廂分洪方案的運(yùn)用效果最好，且運(yùn)用成本最低，比選為推薦方案。

(3)當(dāng)韓江遭遇200年一遇洪水，南北堤一旦潰決，造成的經(jīng)濟(jì)損失約為273億～332億元(按2013年地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平計(jì)算)[20]。東廂分洪方案可成為防御韓江流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的“底牌”，在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮決定性作用，避免重要城市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)成果遭受巨大損失。