新建河道對現狀防洪體系的影響分析及應對策略

解培強

（深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518001）

1 引言

隨著國家對環境保護的日趨嚴格,對于供水水庫,其入庫支流的水質優劣直接影響水庫供水安全。為減少流域污染對水庫水質的影響,對于一些特殊的依靠外來水源的供水水庫,通過采用新建河道,將一定標準下的流域洪水截排至水庫下游,以保障供水安全。與此同時,新建河道的防洪設計標準及對上下游河道、水庫的防洪影響,需通過詳細的水文計算分析進行反復試算,為工程方案的制定提供可靠依據。本文在對現狀防洪體系各邊界條件充分考慮后,通過新建調蓄庫、對下游河道的防洪治理、優化運行調度等工程措施和運行管理手段,減少了項目實施對已有防洪體系的影響,同時,通過對工程實施前后各邊界條件的水文計算分析,論證了工程目標能有效實現。

2 現狀防洪體系

本項目位于深圳觀瀾河流域,項目實施涉及木古河、鵝公嶺河、雁田水庫排洪渠三條河道和雁田水庫,其中木古河與鵝公嶺河位于深圳市境內,雁田水庫排洪渠和雁田水庫位于東莞市境內。木古河為雁田水庫的入庫河流,現狀木古河洪水通過河口位置前置庫泄洪到雁田水庫主庫區,雁田水庫通過溢洪道將洪水下泄到下游河道雁田水庫排洪渠,鵝公嶺河道位于水庫下游,其河口匯入到雁田水庫排洪渠,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圖1。

圖1 木古河現狀防洪體系

3 新建河道對已有防洪體系的影響

為保證供水水庫的入庫水質,通過市政府層面在制定技術路線及規模時,確定將水庫流域范圍內50 年一遇以下的的洪水截排至下游河道,不再入庫。50 年一遇以上的洪水,因水質已能滿足入庫水質要求,可直接流入水庫。

木古河河道現狀防洪標準為50 年一遇,其洪峰流量為110 m3/s,鵝公嶺河道現狀防洪標準為50 年一遇,其洪峰流量為88 m3/s。為保證入庫來水的水質,將木古河河道50 年一遇的洪峰流量通過新建河道進行截排至下游,其河道規模將會較大,且鵝公嶺河下游即為東莞市范圍,其轄區內現狀河道雁田水庫排洪渠防洪標準不足20 年一遇,將110 個流量洪水全部截排至下游對其防洪影響也是巨大的,雖同屬于一個流域范圍內,但其實施卻面臨兩個地級市之間的眾多協調事宜,因此,新建河道防洪規模、深圳市境內的河道用地、深圳市境內下游河道增加的防洪壓力、下游東莞市河道增加的防洪問題等亟需統籌解決,也便于后續設計方案的落地實施。

木古河集雨面積為7.2 km2,其下游雁田水庫集雨面積為18.9 km2,木古河流域面積占雁田水庫總集雨面積的38%。雁田水庫總庫容為1390萬m3,設計洪水標準為100 年一遇,校核洪水標準為2000 年一遇,因其承擔著往深圳及香港供水的重要任務,其工程等別為Ⅱ等,主要水工建筑物級別為2 級。將木古河流域50 年一遇以下的洪水通過新建河道截排至水庫下游河道,對于水庫的防洪將是有利的,雖會造成一定水量的流失,但截排的水量多為水質不能滿足水庫標準的,且雁田水庫為東深供水的重要渠道,其供水水量多為外來水,本地水只占其中的一小部分,因此截排的水量對于水庫的供水安全及防洪安全是有利的。

4 工程實施方案

為解決新建河道對于現狀防洪體系的影響分析,本項目主要從以下幾點考慮,制定工程設計方案,消除新建河道對現狀防洪的影響分析。

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

（2）在充分調研水庫現狀及周邊地形的前提下,雁田水庫庫尾與木古河河口之間存在一20 萬m2的前置庫,現狀庫容約10 萬m3,且該前置庫與主庫通過一溢流口進行聯通。為減少防洪對下游河道的影響,在現狀前置庫位置通過下挖,新建一處調蓄庫[1],在不滿足入庫的水質入庫之前,利用調蓄庫增大對上游來水的調蓄作用。

（3）本工程實施前,應下游東莞市三防部門要求,50 年一遇雁田水庫往下游下泄的最大流量不超過60 m3/s,本項目50 年一遇標準下,截排至下游河道的流量和雁田水庫的下泄流量之和不得大于60 m3/s。

（4）以木古河河口現狀50年一遇水位為調蓄庫的最高水位,假定新建河道的截排流量,通過水文調洪演算,計算得出,在不影響木古河防洪要求的前提下,前置庫調蓄規模應不小于100 萬m3,根據實際占地面積,其前置庫水深約5 m,技術上可行,同時,根據反復試算,50 年一遇標準下,雁田水庫下泄流量為10 m3/s,本項目新建河道下泄流量為50 m3/s。

（5）在規模確定以后,通過對水庫及下游河道的調洪演算,本項目50 年一遇洪水不再進入雁田水庫進行調蓄,在前置庫進行調蓄后進行下泄,因前置庫庫容與雁田水庫主庫擴容差距較大,增加了下游河道的防洪流量和防洪壓力。對于深圳市境內的鵝公嶺河道,結合現狀地形,對鵝公嶺河河道進行拓寬,以消除新建河道對鵝公嶺河的防洪壓力。

（6）根據東莞市片區防洪排澇規劃,下游河道雁田水庫排洪渠防洪整治標準為50 年一遇,但由于河道整治工程未實施,河道現狀標準不足20 年一遇。經計算,本工程新建河道對下游河道50 年一遇標準的防洪壓力幾乎沒有,但對現狀河道的水面線有所提升,為妥善解決東莞市河道規劃與現狀的矛盾,本項目在實現工程建設目標、保障入庫水質的前提下,工程建設完成后的實際運行調度分為近期調度和遠期調度[2]。當下游河道未達到50 年一遇的標準以前,本工程新建河道采取控制下泄10 m3/s進行調度,當下游河道實現50 年一遇防洪標準時,新建河道實行下泄50 m3/s的調度方案,通過運行調度方法,徹底解決了下游河道規劃與現狀的矛盾問題。

（7）綜上所述,本項目主要在各邊界條件的制約下,通過反復水文調洪演算,采用在木古河河口新建100 萬m3庫容調蓄池,拓寬鵝公嶺河道,對工程運行調度優化調整,合理的解決了新建河道對于現狀防洪體系的影響。因深圳境內的主要建設內容規模是在不影響現狀防洪體系的前置條件下進行計算確定的,以下主要通過洪水水文計算,在各建設內容的設計規模下,驗證本項目新建河道對下游防洪體系的影響分析。

5 水文計算對比分析

（1）模型基本原理

本次研究采用DHI公司的MIKE11水動力學模塊進行計算,MIKE11[3]采用一維明渠非恒定流Saint-Venant方程來解,包括連續方程（1）和動量方程（2）：

對于Saint-Venant方程的求解方法有許多種,MIKE11的HD模塊是采用六點中心隱式差分格式（AbbottScheme）求解Saint-Venant方程組,數值計算采用傳統的“追趕法”,即“雙掃”算法。

（2）模型求解

利用Abbott六點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個方程左邊有n個未知數,可以使用標準消元技術進行求解。而且,任意節點的變量Z（水位或流量）可以表達成為上下游水位節點的函數（3）：

（3）邊界條件

通常非恒定流數值計算采用的邊界條件為：水位過程、流量過程或水位流量關系三種形式。給定水位過程時,邊界點n+1時刻的水位已知；若邊界給定流量過程時,對圖所示區域建立的質量守恒方程,變成式（4）：

（4）計算范圍

為了兼顧水面線計算的準確性和連續性,模型上游邊界設立在雁田水庫泄洪通道排洪渠,中部充分考慮河流沿線水閘、橋梁等建筑物過流能力及其運行調度對水面線帶來的影響,根據實際情況將建筑物概化至模型中,下游邊界為東江,建立了整體性較強的石馬河流域一維數學模型。

（5）計算成果對比分析

1）近期調度工況

工程實施完成后,生態調蓄庫往控泄10 m3/s,鵝公嶺河拓寬后,行洪能力較現狀大大增強,同時雁田水庫下泄流量也比現狀要小,下游雁田水庫排洪渠對鵝公嶺河的水位頂托也會減弱。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,雁田水庫排洪渠比現狀平均下降0.05 m,雁田水鳳崗鎮河段比現狀平均下降0.04 m,雁田水塘廈鎮河段比現狀平均下降0.05 m,石馬河塘廈鎮河段比現狀平均下降0.04 m,清溪鎮河段比現狀平均下降0.04 m,樟木頭鎮河段比現狀平均下降0.04 m,常平謝崗鎮河段的水位比現狀平均下降0.02 m,橋頭鎮河段的水位與現狀持平,工程實施對現狀防洪體系有益。

2）遠期調度工況

由于雁田水庫和生態調蓄庫前期的預泄和后期的驟泄,對于遭遇20 年及以上洪水時,洪峰相較現狀減小,下游河道水面線較現狀更低,對于10 年一遇工況,調洪后基本與現狀一致。主要影響范圍同樣是雁田水庫排洪渠和雁田水河段。推薦遠期工況調度下,雁田水庫排洪渠上游最大下降0.13 m,雁田水最大下降0.10 m。

6 結論

（1）通過在木古河河口新建生態調蓄庫,對水庫上游洪水進行調蓄后再通過新建河道進行下泄,有效地減緩了對下游河道防洪的沖擊。

（2）針對下游東莞市現狀河道還未按排澇規劃實施完成河道整治,現狀防洪標準較低的情況,本工程通過實施近遠期運行調度方案,在確保工程目標的情況下,合理解決了兩市之間的防洪體系的差距,也為后續河道綜合整治爭取了時間。

（3）針對新建河道對防洪體系產生的影響,通過水文計算分析反算各工程措施實施條件及標準,通過對工程設施優化調整后,再對現狀防洪體系進行復核驗算,有效地減少了新建河道對片區防洪的影響。