流域水系的防洪排澇智慧管控規(guī)劃體系建設(shè)研究
——以茅洲河為例

李維燕

(深圳市水務(wù)局審計處，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

茅洲河流域面積266.83 km2，河流總長195.16 km，干流1條，一級支流23條，二、三級支流25條?，F(xiàn)有排澇泵站83座，總裝機(jī)40 227 kW，設(shè)計抽排流量615 m3/s。

茅洲河流域列入規(guī)劃范圍內(nèi)的河流共18條，河道總長為126.61 km，規(guī)劃治理河道長度65.11 km。茅洲河干流從石巖河水庫以下至坊下涌防洪標(biāo)準(zhǔn)已滿足100 a一遇：塘下涌至河口(界河段)防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)已滿足200 a一遇。排澇河等7條河道已達(dá)到50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。上寮河等12條河道整治基本完成。流域內(nèi)規(guī)劃治澇工程涉及沙浦北片區(qū)、塘下涌片區(qū)、新橋片區(qū)、李松萌片區(qū)、下村片區(qū)5個區(qū)域。規(guī)劃外在寶安區(qū)山門社區(qū)第三工業(yè)區(qū)、燕羅片區(qū)、公明辦事處松白工業(yè)園等區(qū)域新建、改建、擴(kuò)建一批泵站[1]。

2 流域現(xiàn)狀分析

2.1 外部因素

(1)極端氣候，海平面上升等環(huán)境變化。廣東省各潮位站的最高洪(湖)水位有逐年升高的趨勢，平均每年抬高約7.5 mm。

(2)城市高速發(fā)展使防洪潮面臨更大壓力。未來高密度城市開發(fā)建設(shè)將使不透水面積擴(kuò)大，導(dǎo)致徑流量、匯流時間縮短、洪峰流量加大，一定程度上將加劇暴雨洪水對城市的影響。

(3)用地空間緊張加大制約防洪潮排澇設(shè)施落地。至2030年，深圳的建成區(qū)面積將達(dá)到可建設(shè)面積的95%，剩余的用地空間較少。大型的雨水管渠和深層利用系統(tǒng)難以找到布設(shè)的空間。

2.2 內(nèi)部因素

(1)防洪潮排澇工程體系已基本形成，但應(yīng)對極端天氣仍存在短板。經(jīng)過多年的防潮排澇體系建設(shè)，五大流域四大水系基本建成具有防御一定洪澇水能力的防洪減災(zāi)體系，但深圳作為超大城市，其內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃為100 a一遇，內(nèi)澇防治水平仍需進(jìn)一步提高。同時局部河道還存在瓶頸，部分支流河道防洪標(biāo)準(zhǔn)僅20～50 a一遇[2]。

(2)城市空間規(guī)劃與防洪潮排澇規(guī)劃銜接不足，城市空間布局規(guī)劃未能充分考慮水的重要性，重地上、輕地下，與水務(wù)規(guī)劃銜接不足。

(3)現(xiàn)有的規(guī)劃邊界條件發(fā)生改變。城市版圖逐步擴(kuò)大，已經(jīng)建設(shè)區(qū)域的防洪、排澇工程體系的邊界條件發(fā)生改變，城區(qū)集水面積增加，致使排水管渠延長、坡度放緩，受潮位頂托，造成原陸域片區(qū)排水能力急劇下降，形成易澇區(qū)，對現(xiàn)狀防洪、排澇工程體系造成一定的影響[2]。

茅洲河干流已按100 a一遇進(jìn)行達(dá)標(biāo)建設(shè)，200 a一遇洪水條件下，中游白沙坑水至107國道5.2 km河段堤防欠高，欠高堤段總長9.6 km，最大欠高0.8 m。其堤頂和200 a一遇洪水面對比如圖1所示。

3 主要規(guī)劃布局

區(qū)域內(nèi)主要分布有光明新城城市副中心，松崗、沙井組團(tuán)中心，重點(diǎn)區(qū)域有光明科學(xué)城、光明鳳凰城，以及規(guī)劃大空港新城區(qū)，預(yù)計到2035年，當(dāng)量經(jīng)濟(jì)規(guī)模(萬人)超過300。該分區(qū)主要是防御茅洲河流域茅洲河干流洪水及珠江口海湖二項洪災(zāi)因子，目前，茅洲河干流已修建堤防，但茅洲河中游存在局部卡口，是本防洪分區(qū)洪災(zāi)發(fā)生的高風(fēng)險區(qū)。因此，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的人口及城市發(fā)展定位，確定該防洪分區(qū)2035年的城市防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，茅洲河干流防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇[3]。實(shí)現(xiàn)水量可削峰、內(nèi)澇積水診斷、生態(tài)補(bǔ)水等多種綜合效益。強(qiáng)化洪澇調(diào)度等非工程措施，多部門共同協(xié)作的“洪澇安全、聯(lián)防聯(lián)控提高監(jiān)測預(yù)警預(yù)報，建立仿真調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)洪澇精細(xì)化管理，增強(qiáng)風(fēng)險防控能力。

3.1 流域防洪體系布局

茅洲河流域受山地丘陵地貌及海洋氣流的影響，汛期易發(fā)生暴雨或特大暴雨，洪澇災(zāi)害頻繁，通過多年的防洪工程建設(shè)，流域內(nèi)已基本形成了由水庫、堤防組成的“上、下排”防洪體系[3]。

(1)流域調(diào)蓄水庫布局。流城內(nèi)共有水庫19座，總集雨面積67.64 km2，總庫容2.09億m3，其中，大型水庫1座即公明水庫，鵝頸、羅田等中型水庫2座，石狗公、老虎坑等小(1)型水庫9座，后底坑、橫坑、紅均等小(2)型水庫7宗。

(2)河道防洪擋潮堤防布局。通過堤防、防洪(擋湖)閘的建設(shè)，共同發(fā)揮防潮作用。茅洲河干流已建堤防21.51 km，從石巖河水庫以下至塘下涌(深圳境內(nèi)河段)，綜合治理工程正在實(shí)施，2015年主體工程基本完成，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。塘下涌至河口(界段)綜合治理工程已進(jìn)入實(shí)施階段，設(shè)計洪(潮)水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。茅洲河流域規(guī)模以上防洪、擋潮閘共23座，主要分布于中下游區(qū)域。

(3)河道智慧生態(tài)碧道建設(shè)布局。工程措施：茅洲河干流碧道建設(shè)。茅洲河碧道總體定位為“灣區(qū)東岸綠脈，深圳西部門戶”，打造“一河引領(lǐng)，六段生輝”碧道藍(lán)圖。其中，茅洲河干流寶安段(白沙坑水-塘下涌)6.1 km作為省級試點(diǎn)，以生態(tài)休閑、創(chuàng)新服務(wù)、濱水居住為主要功能，打造山水交匯的生態(tài)人文科技小鎮(zhèn)。茅洲河干流光明段(樓村水-白沙坑水)6.8 km，通過優(yōu)化濱水生態(tài)以提升宜居性，打造產(chǎn)業(yè)高端化的健康活力走廊和服務(wù)升級的生態(tài)活力城區(qū)。順暢的行洪通道是碧道建設(shè)的基礎(chǔ)，是碧道建設(shè)的安全保障。規(guī)劃結(jié)合碧道工程建設(shè)，對中游白沙坑水至G107間5.2 km不達(dá)標(biāo)河段(兩岸欠高堤段總長9.6 km)進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固[4]。 非工程措施：建立智慧化茅洲河流域。依托茅洲河流域管理中心籌備組，以“數(shù)字化、智能化和智慧化”三步走方式，深化物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)在茅洲河流域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水務(wù)基礎(chǔ)信息的全收集、全共享，水務(wù)數(shù)據(jù)的全覆蓋、全連接，開展流域的智慧化模型調(diào)度研究，建立數(shù)字化流域的數(shù)據(jù)中心和智慧指揮平臺，打造智能高效、開放共享的茅洲河智慧流域[4]。

3.2 流域排澇體系布局

茅洲河流域排澇分區(qū)布局。(1)主要為茅洲河干流的一級支流：鵝頸水區(qū)域、玉田河區(qū)域、東坑水區(qū)域、木墩河區(qū)域、樓村水區(qū)域、新陂頭河區(qū)域、上下村區(qū)域、西田水區(qū)域、白沙坑區(qū)域、羅田水區(qū)域、龜嶺東區(qū)域、老虎坑區(qū)域、塘下涌區(qū)域、公明排洪渠區(qū)域、沙浦區(qū)域、沙井河區(qū)域、排澇河區(qū)域共，17個區(qū)域。(2)茅洲河二級支流：石巖河區(qū)域、松崗河區(qū)域、新陂頭北區(qū)域、新橋河區(qū)域、上素河區(qū)域5個區(qū)域。茅洲河流域排澇河區(qū)域：規(guī)劃整治潭頭河、新陂頭水北支2條河流，總長度1.61 km。

茅洲河流域規(guī)劃改建泵站5座，新建泵站1座，總流量193.03 m3/s。沙井河區(qū)域沙井泵站擴(kuò)建泵站機(jī)組升級改造，增加抽排流量11.05 m3/s。馬田排洪渠區(qū)域擴(kuò)建河口馬田泵站，增加排澇流量12.38 m3/s。白沙坑區(qū)域在白沙坑水河口新建排澇泵站1座，設(shè)計排澇流量53.00 m3/s。龜嶺東區(qū)域下游段擴(kuò)建燕山泵站，增加排澇流量5.90 m3/s。

茅洲河流域排澇河區(qū)域新建深層隧洞工程，長度7.2 km，直徑8.5 m，出口泵站規(guī)模205 m3/s，排澇河可滿足100 a一遇超高大于0.5 m的要求，潭頭河、新橋河、上泰河、萬豐河等支流全線均可滿足100 a一遇不漫溢的要求。

茅洲河流域片區(qū)排水布局。規(guī)劃布局26處調(diào)蓄設(shè)施，總調(diào)蓄容積565.02萬m3，新建雨水泵站20座，總設(shè)計流量為589.1 m3/s，新建雨水行泄通道總長度為23.17 km，總設(shè)計流量為632.77 m3/s。

3.3 流域排澇工程規(guī)劃

3.3.1 流域防洪總體策略

結(jié)合茅洲河流域區(qū)位特點(diǎn)及干流防洪存在的問題，提出兩項待選策略：

(1)從直接解決中游段堤防欠高角度，考慮結(jié)合碧道建設(shè)，對中游段兩岸堤防加高。

(2)從降低茅洲河干流中游水位角度，考慮對右岸支流上游馬鞍山山脈進(jìn)行高水截排，包括白沙坑水、羅田水、龜嶺東水、老虎坑水和塘下涌。通過截洪渠、排洪隧洞等工程措施，將山地坡水排至下游[5]。

3.3.2 流域整治規(guī)劃措施

流域整治規(guī)劃措施主要涉及高水截排和河道整治兩方面。

高水截排旨在結(jié)合現(xiàn)狀地貌和城市總體規(guī)劃，在規(guī)劃建成區(qū)邊界以外，自白沙坑水上游流域邊界線開始，沿坡腳50 m等高線，新建截洪溝6.2 km，寬5～25 m，深1～3 m。在6.2 km截洪溝基礎(chǔ)上，繼續(xù)沿北側(cè)山體建設(shè)截洪溝2.1 km，寬25～30 m，深3 m，往西接入塘下涌。該方案除羅田、老虎坑兩座水庫下泄洪水外，區(qū)間截洪部分集雨面積4.82 km，200 a一遇條件下共截排流量192 m3/s，將該段洪峰流量削減至100 a一遇以下。

河道整治旨在將塘下涌全線進(jìn)行擴(kuò)寬，上游3+000～3+998段擴(kuò)寬15 m，中下游0+000～3+000段擴(kuò)寬28 m。拓寬后，截排洪水經(jīng)塘下涌排入茅洲河下游。但因塘下涌河口及下游洪峰仍維持200 a一遇不變，故對上游段還存在頂托，其中，左岸仍有0.90 km堤防欠高，最大欠高0.09 m：右岸仍有3.40 km堤防欠高，最大欠高0.50 m，故需結(jié)合碧道建設(shè)加高兩岸堤防4.30 km。

3.3.3 工程治澇策略

排澇河區(qū)域的排澇工程體系中，中上游主要問題是排澇河本身過流能力不足，特別是崗頭調(diào)蓄池下游共和大道以上1.5 km河段，寬度較其下游河段小約20 m，直接影響上游潭頭河、新橋河、上寮河等區(qū)域的排澇，下游主要問題是沿岸高程低于排澇河水位導(dǎo)致沿岸各片區(qū)排水不暢，此外，排澇河下游兩岸地勢低洼，現(xiàn)狀設(shè)計水面線已高過兩岸部分地面，局部片區(qū)的雨水難以自排進(jìn)入排澇河。此外，支流同時存在局部調(diào)蓄能力、過流能力不足等薄弱環(huán)節(jié)，潭頭河由于承泄原潭頭渠、五指把水庫部分澇水導(dǎo)致排澇壓力增大，萬豐河低水區(qū)、上素河下游段由于暗涵過流不足導(dǎo)致中上游水位偏高[6]。

由于排澇河區(qū)域地勢較平，城市化程度較高，下游沿岸的源頭調(diào)蓄措施對排澇河作用有限，上游及支流沿岸可供洪水調(diào)蓄空間較少，上索河下游出口暗涵段上方為城市主干道(寶安大道)，暗涵揭蓋對城市交通影響過大[6]。此外，由于水系結(jié)構(gòu)不同，河道沿岸情況不一致，排澇河、沙井河原規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)不一致，由潭頭水閘隔開，分高低水排向茅洲河，本規(guī)劃將兩個流域內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)均提高到100 a一遇，因此，解決排澇河及上游區(qū)域洪澇問題，整個立體防洪排澇體系以降低承泄區(qū)水位為導(dǎo)向，上層主要采用水庫挖潛模塊措施削減下泄洪峰，中、低層則通過優(yōu)選下游河道整治、水系連通、新辟深層排水通道等策略予以解決[7]。

4 智慧調(diào)度系統(tǒng)

4.1 智慧調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)

依托茅洲河流域管理中心，開展茅洲河流域的智慧化模型調(diào)度研究，構(gòu)建“一張網(wǎng)、一張圖、一平臺”的綜合管理系統(tǒng)，一平臺為流域指揮調(diào)度平臺，一張圖是綜合GIS、傾斜攝影、三維建模、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，對河道進(jìn)行可視化，一張網(wǎng)是通過通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合，建立起覆蓋茅洲河流域的有線、無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的一張網(wǎng)，同時，利用視頻、水位、PLC等各類傳感器實(shí)時獲得茅洲河流域工控信息，實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)全感知，一圖知全局、一云助決策”的建設(shè)目標(biāo)。融合峰雨量、河道水位、積水點(diǎn)情況、泵站運(yùn)行情況，接入實(shí)時水情，構(gòu)建水情監(jiān)測與分析模型和泵站群聯(lián)合調(diào)度模型，科學(xué)的調(diào)度泵站和閘門，為防汛調(diào)度提供支撐，將茅洲河打造成深圳市“智慧河道”、“智慧城市水務(wù)行業(yè)”示范、智能高效、開放共享的智慧流域[8]。

4.2 調(diào)度方案結(jié)果模擬

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中可能面臨的各類應(yīng)急情況，選取3種應(yīng)急調(diào)度場景進(jìn)行系統(tǒng)模擬測試，場景一：下游污水廠部分停水檢修。場景二：上游部分區(qū)域夜間水量過小。場景三：上游降雨造成部分區(qū)域管網(wǎng)存在冒溢風(fēng)險。應(yīng)急調(diào)度方案模擬結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)急調(diào)度方案模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果來看，各預(yù)處理站水量均不超過預(yù)處理站設(shè)計上下限，且分配水量與各預(yù)處理站處理能力相匹配；調(diào)度方案的進(jìn)水小時流量 24 h 保持穩(wěn)定，且不超過設(shè)計流量上限，該穩(wěn)定進(jìn)水方式與實(shí)際運(yùn)行要求一致，智慧調(diào)度系統(tǒng)有效可行。

4.3 調(diào)度體系工程分析評價

工程的建設(shè)將產(chǎn)生巨大效益，包括排澇效益、環(huán)境效益和社會效益等。其中，大部分效益屬社會公益性質(zhì)，難以量化，僅對其中可給區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來潛在影響的防洪效益進(jìn)行計算。排澇效益實(shí)質(zhì)為治澇減災(zāi)效益，其效益體現(xiàn)由河涌和排澇泵站工程建設(shè)共同組成，根據(jù)兩部分組成情況分析，確定各部分分?jǐn)?0%。10 a社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度按照 10%進(jìn)行估算，由此計算10 a內(nèi)工程所產(chǎn)生的效益約為2.92億元。

采用上述費(fèi)用與效益計算經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比。評價指標(biāo)：國民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)為 16.21%，大于社會折現(xiàn)率8%；國民經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(ENPV)為 12.76 億元，說明建設(shè)本工程除可得到滿足社會折現(xiàn)率的社會盈余外，還可得到超額社會盈余；國民經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(EBCR)為 2.65>1。根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)，工程在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

5 結(jié) 論

本文以茅洲河防洪排澇智慧體系規(guī)劃與建設(shè)為研究背景，在流域現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出茅洲河流域防洪排澇體系總體布局與工程治理措施，進(jìn)而提出并論證適用于流域水系調(diào)度的智慧系統(tǒng)，得到主要結(jié)論為：

(1)茅洲河流域防洪排澇體系是以水庫調(diào)蓄、堤防擋潮和河道生態(tài)建設(shè)為主的聯(lián)防聯(lián)控整體骨架。通過流域水庫與滯洪區(qū)聯(lián)合運(yùn)用，茅洲河防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50 a一遇。

(2)基于茅洲河智慧水調(diào)度系統(tǒng)選取3種應(yīng)急調(diào)度場景進(jìn)行模擬測試，分配水量與各預(yù)處理站處理能力相匹配，且不超過設(shè)計流量上限，智慧調(diào)度系統(tǒng)有效可行。

(3)工程建設(shè)具有排澇、環(huán)境和社會綜合效益，根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)評價，工程經(jīng)濟(jì)上可行。