筍崗滯洪區(qū)及下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度研究

梁巧茵

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

洪水是困擾人類(lèi)的主要自然災(zāi)害之一，在我國(guó)洪澇損失居各種自然災(zāi)害的首位[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，洪水災(zāi)害產(chǎn)生的損失在城市地區(qū)更為嚴(yán)重。人們一直在探索有效的途徑抵御洪水災(zāi)害，從消極躲避到修建防洪工程，再到防洪工程措施與非工程措施相結(jié)合[2]。在智慧城市發(fā)展的背景下，信息技術(shù)手段日新月異，防洪調(diào)度技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單、粗放的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度到復(fù)雜的聯(lián)合調(diào)度的演化過(guò)程[3]。現(xiàn)階段，防洪調(diào)度研究對(duì)成果的可操作性與實(shí)用性的要求越來(lái)越高[4]。

作為深圳市快速城市化過(guò)程的一個(gè)典型流域，布吉河河道穿越城區(qū)，流域內(nèi)下墊面的硬化減小了下滲，增加了地表徑流的比例，同時(shí)縮短了坡面匯流的時(shí)間。布吉河流域內(nèi)暴雨頻發(fā)，洪水災(zāi)害頻繁，城市化的發(fā)展導(dǎo)致布吉河干支流的地表河道趨于減少，河道趨于順直，河床趨于硬化，河道行洪任務(wù)重，防洪壓力大[5]。滯洪區(qū)作為流域防洪減災(zāi)體系中的重要組成部分，在防御流域大洪水、保障下游重要防洪地區(qū)的安全方面，發(fā)揮著不可替代的作用[6]。作為布吉河中下游防洪體系的重要組成部分，筍崗滯洪區(qū)可以在防汛應(yīng)急中發(fā)揮削峰及蓄滯洪水的作用，是布吉河中下游防洪調(diào)度的重要措施。隨著城市化的發(fā)展，對(duì)筍崗滯洪區(qū)調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化，減少洪水災(zāi)害損失，更大限度提高流域的防洪效益，具有十分重要的意義。

筍崗滯洪區(qū)由于近年來(lái)城市化發(fā)展及市政交通建設(shè)侵占了部分庫(kù)容，加上泥沙淤積，滯洪區(qū)庫(kù)容日趨減少，影響了滯洪區(qū)防洪功能的發(fā)揮。筍崗滯洪區(qū)所在的布吉河流域，其防洪標(biāo)準(zhǔn)已從50年一遇提高至100年一遇，相應(yīng)地對(duì)滯洪區(qū)的滯洪提出了更高的要求。滯洪區(qū)庫(kù)容的減少與流域防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高形成了突出矛盾，筍崗滯洪區(qū)能否按照現(xiàn)狀調(diào)度方案保障自身及下游的防洪安全，需要進(jìn)一步研究；在城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、極端天氣頻發(fā)、流域防洪壓力明顯增大的背景下，需要評(píng)估滯洪區(qū)及其下游河段的整體防洪能力，以此提出防洪優(yōu)化調(diào)度方案，為滯洪區(qū)及布吉河安全度汛提供保障。

1 研究區(qū)域概況

布吉河為深圳河的一級(jí)支流，上游由水徑水、塘徑水支流在牛嶺嚇匯合成干流，自北向南于漁民村附近匯入深圳河，流域面積63.41km2，其中筍崗滯洪區(qū)控制流域面積42.9km2。筍崗滯洪區(qū)以下為布吉河下游段，長(zhǎng)度約2.7km。

筍崗滯洪區(qū)又稱(chēng)洪湖公園，非洪水期主要為市民提供休閑活動(dòng)，洪水期主要用于滯洪以保護(hù)布吉河下游，是布吉河流域內(nèi)唯一的蓄滯洪區(qū)。筍崗滯洪區(qū)在西南角設(shè)置1座泄洪閘(筍崗閘)與布吉河下游段相連接。筍崗閘是1座設(shè)有胸墻的潛孔水閘，汛期攔蓄洪水，控制洪水下泄流量，枯水期擋水成湖。閘底板高程為3.9m(56黃海高程，下同)，胸墻底高程7.3m，共4孔，每孔凈寬7m、高3.4m。筍崗滯洪區(qū)面積約0.61km2，正常蓄水位7m，正常庫(kù)容27萬(wàn)m3。滯洪區(qū)地形北高南低，高程介于3.9～15m之間，大部分高程在13m以下。筍崗滯洪區(qū)的防洪調(diào)度類(lèi)似于水庫(kù)調(diào)度，原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)洪水位11.30m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，校核洪水位12.15m。布吉河流域地形及水系如圖1所示。

圖1 布吉河流域地形及水系圖

2 滯洪區(qū)現(xiàn)狀調(diào)度方案

2.1 現(xiàn)狀調(diào)度方案運(yùn)行原則

現(xiàn)狀調(diào)度方案下，筍崗滯洪區(qū)運(yùn)行原則如下：

(1)當(dāng)上游來(lái)水小于下游河道安全流量420m3/s時(shí)，來(lái)水多少，泄多少。

(2)當(dāng)上游來(lái)水大于下游河道安全流量420m3/s而小于等于100年一遇洪水時(shí)，控制下泄流量為420m3/s。

(3)當(dāng)上游來(lái)水大于100年一遇洪水時(shí)，原則上以保壩為主，水庫(kù)下泄流量不受下游河道安全泄量限制，可結(jié)合上下游具體水情適當(dāng)掌握。

2.2 現(xiàn)狀調(diào)度方案閘門(mén)開(kāi)啟度控制

現(xiàn)狀調(diào)度方案下，實(shí)際操作時(shí)為兼顧下游兩岸的安全和滯洪區(qū)主壩的安全，相應(yīng)筍崗閘閘門(mén)開(kāi)啟度的要求為：

(1)當(dāng)庫(kù)水位Z<起調(diào)水位7.0m時(shí)，四孔閘門(mén)全開(kāi)。

(2)當(dāng)庫(kù)水位7.0m≤Z<11.3m時(shí)，四孔閘門(mén)開(kāi)啟度為2.05m，控制下泄流量最大為420m3/s。

(3)當(dāng)庫(kù)水位Z≥11.3m，四孔閘門(mén)全開(kāi)，滯洪區(qū)下泄流量不受下游安全流量限制。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)度方案與最新實(shí)測(cè)筍崗滯洪區(qū)地形圖得到的水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn)，基于水量平衡原理對(duì)滯洪區(qū)遭遇各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水(采用廣東省綜合單位線(xiàn)法計(jì)算成果)進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由于筍崗滯洪區(qū)庫(kù)容的減少，現(xiàn)狀調(diào)度方案遭遇50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，滯洪區(qū)最高水位已達(dá)到11.77m，超過(guò)滯洪區(qū)50年一遇原設(shè)計(jì)水位11.30m，對(duì)于滯洪區(qū)自身來(lái)說(shuō)處于防洪不安全工況。

表1 基于現(xiàn)狀調(diào)度方案的筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

3 滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案及下游河道行洪能力復(fù)核

3.1 滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案

布吉河下游段經(jīng)過(guò)整治，防洪標(biāo)準(zhǔn)已提高至100年一遇。從流域統(tǒng)籌角度考慮，筍崗滯洪區(qū)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高至100年一遇。遭遇100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，在確保滯洪區(qū)自身安全的前提下，通過(guò)筍崗閘控制滯洪區(qū)的下泄流量，使布吉河下游安全度汛。

3.1.1優(yōu)化調(diào)度方案運(yùn)行原則

優(yōu)化調(diào)度方案下，筍崗滯洪區(qū)運(yùn)行原則如下：

(1)當(dāng)上游來(lái)水流量小于446m3/s(對(duì)應(yīng)的筍崗閘閘上水位不高于8.70m)時(shí)，來(lái)水多少，下泄多少。

(2)當(dāng)筍崗閘閘上水位達(dá)到8.70m時(shí)，則控制筍崗閘下泄流量為446m3/s，其閘門(mén)開(kāi)啟按閘上水位-閘門(mén)開(kāi)啟度-泄流曲線(xiàn)控制。

(3)當(dāng)筍崗閘閘上水位達(dá)到11.30m時(shí)，原則上以保壩為主，筍崗閘下泄流量不受下游河道安全泄量限制，可結(jié)合上下游具體水情，適當(dāng)掌握。

3.1.2優(yōu)化調(diào)度方案閘門(mén)開(kāi)啟度控制

優(yōu)化調(diào)度方案下，相應(yīng)筍崗閘閘門(mén)開(kāi)啟度的要求為：

(1)當(dāng)上游來(lái)水流量小于446m3/s(對(duì)應(yīng)的筍崗閘閘上水位小于8.70m)時(shí)，四孔閘門(mén)全開(kāi)，來(lái)水多少，泄多少。

(2)當(dāng)滯洪區(qū)水位8.70m≤Z≤11.30m時(shí)，按閘上水位-閘門(mén)開(kāi)啟度-泄流關(guān)系曲線(xiàn)控制，控制下泄流量最大為446m3/s。

(3)當(dāng)滯洪區(qū)水位Z>11.30m，四孔閘門(mén)全開(kāi)，筍崗閘下泄流量不受下游河道安全流量限制。

筍崗閘閘上水位-閘門(mén)開(kāi)啟度-泄流關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。基于優(yōu)化調(diào)度方案，筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計(jì)算成果見(jiàn)表2。當(dāng)遭遇100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，筍崗滯洪區(qū)設(shè)計(jì)水位為11.30m，對(duì)于滯洪區(qū)來(lái)說(shuō)處于防洪安全工況。

圖2 筍崗閘閘上水位-閘門(mén)開(kāi)啟度-泄流關(guān)系曲線(xiàn)圖

表2 基于優(yōu)化調(diào)度方案的筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

3.2 下游河道行洪能力復(fù)核

3.2.1模型構(gòu)建及參數(shù)選取

河道行洪與上游流量、下游潮位以及沿線(xiàn)水利工程運(yùn)行關(guān)系密切，采用非恒定流計(jì)算河道水面線(xiàn)能較好反映河道行洪實(shí)際情況[7]。筍崗滯洪區(qū)下游河道行洪能力采用MIKE 11水動(dòng)力模型進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算，其原理為采用Abbott六點(diǎn)隱式差分法對(duì)一維Saint-Venant方程組進(jìn)行離散，并采用追趕法求解[8]。本文選取筍崗閘至布吉河河口約2.7km長(zhǎng)的河道作為水動(dòng)力模型的計(jì)算范圍。依據(jù)布吉河河道中心線(xiàn)構(gòu)建一維水動(dòng)力模型河網(wǎng)文件，河道斷面設(shè)計(jì)資料及實(shí)測(cè)成果設(shè)置斷面文件[9]，斷面間距平均為100m，共設(shè)置27個(gè)河道斷面。

一維水動(dòng)力模型上邊界為筍崗閘下泄流量，下邊界為布吉河口的(潮)水位過(guò)程。模擬時(shí)間步長(zhǎng)取2s。糙率系數(shù)反映了河床、河岸及地形對(duì)水流阻力的綜合影響，是水力計(jì)算的重要靈敏參數(shù)，也是水動(dòng)力模型中最重要的參數(shù)[10]。布吉河下游段穿越城區(qū)，無(wú)實(shí)測(cè)水位流量資料，但經(jīng)過(guò)水環(huán)境綜合整治，河床及沿岸無(wú)明顯的起伏變化，根據(jù)河道斷面材質(zhì)，并參照水環(huán)境綜合整治工程的參數(shù)，確定一維模型的河道糙率n為0.028。

3.2.2河道水面線(xiàn)結(jié)果分析

基于筍崗滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案，遭遇100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，布吉河下游段水面線(xiàn)計(jì)算成果如圖3所示。

圖3 布吉河下游段100年一遇設(shè)計(jì)水面線(xiàn)

當(dāng)考慮河道的防浪墻時(shí)，布吉河下游段兩岸安全超高最小值為0.55m(距離布吉河口約400m處)大于0.5m，滿(mǎn)足100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。若布吉河口水位抬升或者筍崗滯洪區(qū)下泄流量增加，則布吉河下游段不能滿(mǎn)足100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4 滯洪區(qū)及下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度方案

根據(jù)布吉河下游段水面線(xiàn)計(jì)算成果，當(dāng)布吉河流域發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，若布吉河河口水位在3.50m以下時(shí)，筍崗閘可不實(shí)施限制泄流，布吉河下游段河道仍處于安全狀態(tài)。

利用MIKE水動(dòng)力模型通過(guò)多方案組合，使布吉河口起推水位盡量達(dá)到最高，筍崗滯洪區(qū)下泄流量達(dá)到最大，而布吉河下游河道仍處于安全狀態(tài)。通過(guò)試算，當(dāng)布吉河流域發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，若布吉河口水位為4.20m，筍崗閘控制下泄流量為410m3/s，布吉河下游段河道仍處于安全狀態(tài)(兩岸無(wú)安全超高)。

對(duì)筍崗滯洪區(qū)及下游河道進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度，即筍崗閘下泄流量遭遇布吉河口潮(水)位，如果布吉河下游段控制斷面的水位未超過(guò)安全水位，則可加大下泄流量；否則減少下泄流量[11]。當(dāng)遭遇100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，根據(jù)布吉河下游段水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果，河道水面線(xiàn)考慮0.5m的安全超高，利用MIKE水動(dòng)力模型通過(guò)多方案組合與試算，得到布吉河口水位與筍崗閘安全泄量關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 布吉河口水位與筍崗閘安全泄量關(guān)系

由表3可知，遭遇100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，當(dāng)布吉河河口水位在3.50m以下時(shí)，筍崗閘可不調(diào)度；當(dāng)布吉河河口水位在3.50～3.79m(正常運(yùn)用工況)時(shí)，筍崗閘按照優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，布吉河下游段與滯洪區(qū)均處于安全狀態(tài)；當(dāng)布吉河河口水位在3.80～4.20m(非常運(yùn)用工況)時(shí)，滯洪區(qū)的最高水位為12.13m，低于校核水位12.15m，布吉河下游河段安全超高不足，滯洪區(qū)與下游河道處于安全的極限狀態(tài)；當(dāng)布吉河河口水位超過(guò)4.20m時(shí)，筍崗閘調(diào)度無(wú)法同時(shí)保證滯洪區(qū)及下游河道的安全，布吉河流域?qū)l(fā)生洪澇災(zāi)害。

5 結(jié)語(yǔ)

依照現(xiàn)狀調(diào)度方案，遭遇50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)筍崗滯洪區(qū)已處于防洪不安全工況；優(yōu)化調(diào)度方案可使筍崗滯洪區(qū)自身及布吉河下游段達(dá)到100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)；在此基礎(chǔ)上實(shí)施筍崗滯洪區(qū)及下游河道的聯(lián)合防洪調(diào)度，能更好兼顧滯洪區(qū)及下游河道的防洪安全。研究成果具有可操作性與實(shí)用性，可為筍崗滯洪區(qū)及布吉河下游段的防洪調(diào)度提供參考。

為了更好論證筍崗滯洪區(qū)與下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度，盡快開(kāi)展布吉河下游段防洪瓶頸的水位變化規(guī)律研究工作，建立深圳河灣水位與布吉河防洪瓶頸段水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)下游低水位時(shí)盡快泄洪，下游高水位時(shí)錯(cuò)峰泄洪的聯(lián)合防洪調(diào)度體系，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。