建城河流域分散式多點澇區防洪治澇體系分析

鄧淯宸,黃兆瑋,陳紅梅

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

沿江濱湖等地區常常因其地勢低洼，當圍內遭遇大雨又受外江水位的頂托時極易因排水不暢發生內澇[1-2]，因此要提高圍內的防洪排澇能力。在建設水閘抵御外江洪水的基礎上，配套建設適宜規模的排澇泵站是十分必要的。但要解決圍內多個受災區的內澇問題，如何合理布局泵站位置和規模則需要進行多方案論證分析[3-4]。

建城河流域屬山區河流，靠近外江側地勢較為低平，而遠離外江側多為丘陵、山區。受其地形阻隔，建城河流域內河受災區主要體現為澇區空間位置分散、數量多且靠近下游的特點。本文將以建城河流域為例，圍繞建城河流域分散式多點澇區的特點，從整體排澇效果出發，將排澇泵站納入整體防洪排澇系統中進行系統分析，通過計算不同排澇方案圍內最高水位，選擇符合本地實際情況且經濟最優的防洪排澇建設方案。

1 澇區治理現狀及存在的問題

建城河地處郁南縣西北部，為西江一級支流，位于西江中游右岸，流經郁南縣通門、建城、羅旁三鎮，從羅旁水閘注入西江。建城河流域集雨面積為606 km2，地勢南高北低，在北部與西江交匯。主要河流有建城河、桂河和寶珠河。建城河流域上游山高林密，河床比降大；中游河道彎曲、淺窄；下游沿岸為沖積地帶多屬砂泥，田面較寬闊，地勢低洼。建城河流域每年7—9月常有大雨和暴雨，每年6—9月是西江洪水期[5]，西江洪水頂托時導致各鎮澇災頻繁，對當地人民正常生活生產造成巨大影響。

目前，建城河上游建成的向陽水庫在流域中發揮調洪、滯洪作用，可一定程度減輕下游防洪負擔，但中游部分堤防設計標準較低，局部河道過洪能力不足，現狀支流桂河和寶珠河防洪能力不足5年一遇，沿岸的村莊和農田常遭受洪澇災害。匯河口建有羅旁水閘，其主要任務是西江洪水期關閘隔斷外江洪水倒灌。根據現場調查，近幾年流域內受災較嚴重的地點為建城河右岸的梅花營村以及桂河右岸的羅子村(流域水系及受澇點位置見圖1)。

圖1 建城河流域主要防洪排澇工程示意

梅花營村前也即建城河右岸,現狀沒有建設堤防，地面高程約為15～16 m，羅子村現狀堤防堤頂高程為17 m，建城河河口未設排澇設施，羅旁內堤頂高程為19 m。羅旁閘前、梅花營村、羅子村3個易澇點地理位置較為分散，本次研究方案將著重關注此3處的控制水位。

2 治理策略與防洪排澇方案

基于流域自然地理條件和已建成的水利工程，建城河流域規劃形成“蓄、泄兼顧”、“堤庫結合”的防洪工程布局，即上游水庫蓄洪，中游建城河內堤防洪，外圍由建城鎮西江大堤聯合羅旁水閘抵御西江洪水。本次研究排澇體系則分別考慮“下排”和“分排”計算方案，根據流域實際情況均按20年一遇防洪標準、10年一遇24 h暴雨1 d排干的排澇標準設計進行考慮[6]。

上蓄：上游蓄水工程主要指向陽水庫。當水庫水位達到正常蓄水位小于防洪高水位時，打開溢洪道閘門泄洪，最大下泄流量不超過120 m3/s，當水庫水位超過防洪高水位時，即水庫上游來水超過20年一遇標準時，為確保大壩安全，閘門全開，不控泄。

中防：鑒于羅旁、建城等鎮農田地區低洼，已有羅旁建城內堤防洪標準偏低，堤身單薄，按20年一遇洪水水位加安全超高1.2 m設防。

外擋：建城鎮西江大堤聯合羅旁水閘共同構成抵御西江洪水侵襲的外擋防線。目前建城鎮西江大堤經過達標加固，已達到20年一遇防洪能力，羅旁水閘初步設計報告已通過主管部門審查，防洪標準為外江50年一遇、內洪20年一遇。

匯排方案：建城河下游僅有羅旁水閘無電排站，外江水頂托時極易發生內澇成災，為此擬在羅旁水閘處建設一電排站，與羅旁水閘聯排，通過控制常年受災黑點區域水位，計算滿足排澇要求的泵站規模，整個流域形成“上蓄、中防、下排、外擋”的防洪治澇體系。

分排方案：常年受災的梅花營、羅子村兩片澇區分別采取防護措施，自獨立建設堤防、竇閘及泵站等防洪排澇設施，整個流域形成“上蓄、中防、分排、外擋”的防洪治澇體系。

3 方案計算

3.1 模型構建

本次研究采用MIKE 11水動力學模型[7-10]探討分析建城河流域“下排”方案泵站建設規模,在分析現狀基本情況、防洪排澇體系總體布局的基礎上，根據建城河流域水系特征，將向陽水庫、建城河、桂圩河、寶珠河、三基塘蓄滯區[11]、羅旁水閘外的西江及擬建泵站作為一個完整的系統，建立建城河流域一維水動力數學模型進行模擬計算(一維計算域見圖2所示)。

圖2 建城河流域一維計算域示意

模型的上游邊界采用向陽水庫調洪計算各頻率的流量過程。建城河流域無水文站，設計洪水通過暴雨途徑推求。本次暴雨參數是以建城河羅旁水閘以上、向陽水庫以下流域為暴雨中心，依據《廣東省暴雨參數等值線圖》(2003年)選定暴雨參數。下游邊界為對應西江各頻率的水位過程，外江水位過程采用羅旁水閘歷年實測水位數據，選擇峰高量大、對工程防洪運行較為不利的大洪水作為典型洪水過程。下游羅旁水閘及泵站按出流內邊界處理。桂河下游三基塘蓄滯區在模型中概化為調蓄水庫處理。

3.2 率定驗證

模型率定采用建城河防洪規劃成果及調查當地的歷史洪痕[12]，并暫不考慮三基塘以及建城河流域旁側農田的蓄澇能力。建城河流域3條河流為天然河道，河道糙率參數依據河床組成及床面特性并參考《水力學計算手冊》，查閱后糙率范圍為0.03～0.035。

模型水面線率定采用建城河流域防洪規劃20年一遇水面線成果，即建城河流域發生20年一遇洪水遭遇多年平均西江高水位，并暫不考慮三基塘以及建城河流域旁側農田的蓄澇能力。本次模型率定后水面線與規劃成果差異見圖3，可以看出模型計算的水面線與報告成果整體契合較好，水位誤差在±0.1 m之間，說明采用的糙率較為合理。

a 寶珠河

b 桂河

c 建城河圖3 建城河流域一維計算域示意

模型驗證依據郁南縣歷史山洪災害調查記錄，選取歷史洪痕點記錄相對較多的2008年6月發生的洪水做進一步驗證。由于2008年建城河流域尚未完成羅旁水閘重建工程，因此，本次與洪痕點對比驗證采用原羅旁水閘尺寸(閘寬為24 m)進行計算。根據羅旁閘前實測水位數據，2008年閘前水位最大值為20.05 m，接近20年一遇洪水標準時閘前最大值，因此,率定工況圍內采用5%頻率設計洪水計算(歷史山洪災害調查洪痕與計算水位對比見表1)?？梢娝挥嬎阏`差在0.21 m以內，與2008年洪水記錄水位的誤差最大為1%，誤差較小。

表1 歷史山洪災害調查洪痕與計算水位對比 m

通過以上率定與驗證充分表明：模擬水位與防洪規劃報告水面線整體吻合較好，模型模擬整體結果可信，模型可應用于進一步分析研究建城河流域羅旁泵站建設方案。

3.3 計算方案

3.3.1干支流遭遇

建城河流域內洪與西江遭遇情況分析建城鎮雨量站、德慶水位站1962—2018年共57 d最大1 d、最大3 d降雨量與德慶站西江洪水位作遭遇分析得到。根據實測資料分析，西江發生較大洪水時，流域內降雨較?。划斄饔騼劝l生較大降雨時，西江水位較低；流域發生同頻率雨洪遭遇概率較低。

根據《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準》，本次計算內外雨洪遭遇如下，泵站規模采用兩種工況的大值綜合確定：① 建城河流域發生超過2年一遇及以上洪水遭遇西江2年一遇洪水位；② 西江發生2年一遇及以上洪水遭遇建城河2年一遇洪水。

3.3.2運行調度

1) 羅旁水閘

一維模型中羅旁水閘是依據內外水位進行調度。當外江發生洪水，水位漲至19.0 m時，閘門關閉；當外江洪水位回至19.0 m以下且內河具備自排條件時，開閘排澇。

2) 擬建羅旁泵站

擬建羅旁泵站于郁南都城大堤下游羅旁水閘堤上，其排澇原則是：① 閘前水位低于起排水位或低于閘底高程時，羅旁水閘關閘擋水；② 羅旁閘前水位高于起排水位且具有自排條件時泵關，羅旁閘開閘自排；③ 羅旁閘前水位高于起排水位但無自排條件時，泵站開啟抽排。

3) 起調水位

根據建城河河底高程、河涌安全和景觀要求等因素綜合考慮，確定建城河可承受的最低水位，即調蓄演算的起排水位為15.00 m。根據河涌兩岸堤頂高程，確定建城河流域可承受的最高水位，即內河最高控制水位為21.00 m。

3.3.3計算方案

建城河流域防洪標準為20年一遇，排澇標準為10年一遇。根據“下排”防洪排澇體系布局，以羅旁閘前、梅花營、羅子村定為本次研究范圍內的控制點，在確定的雨洪遭遇組合條件下，擬建泵站規模的計算方案具體計算方案見表2。設計防洪標準下現狀和設計方案：① 設計防洪標準下的組合工況，比較分析有閘無泵和不同排澇方案情況下各控制點水位；② 內洪為主遭遇外江低水位方案：按照“內洪20%遭遇外江50%洪水”，以各控制點的水位與無泵情況下“內5%遭遇外江50%洪水”時水位為控制，通過試算，分析不同泵站規模對內洪大、外洪小時降低水位的作用；③ 內洪為主遭遇外江常遇頻率洪水方案：圍內發生20%遭遇外江50%常遇水位時，試算匯排方案所需要的泵站規模。

表2 羅旁泵站規模計算方案

4 結果分析

4.1 泵站作用

方案1為設計頻率下無泵站的2種工況。內洪5%遭遇外江50%洪水，通過水閘自排羅旁閘前最高水位為17.5 m，梅花營村水位為17.8 m，羅子村水位為17.6 m；內洪50%遭遇外江5%時，由于外江水位高，水閘僅外江水位上漲前期能自排，下游水位頂托導致內洪蓄積在圍內，羅旁閘前、梅花營村、羅子村最高水位均為19.6 m。圍內防洪設計水位采用兩種工況的大值，即各控制點的水位為19.6 m。

方案2為設計頻率下泵站的擬設75 m3/s的羅旁泵站兩種工況。內洪5%遭遇外江50%洪水時各控制點水位與方案1無泵時工況1基本保持一致，泵站作用甚微；內洪50%遭遇外江5%時，可將方案1無泵時各控制點19.6 m的水位降為17.6 m。

方案3則將泵站規模進一步加大至155 m3/s。內洪5%遭遇外江50%洪水時各控制點水位基本無變化，泵站增大1倍圍內水位不變，增大羅旁泵站的規模收效甚微。當遭遇內洪50%對外江5%時，主要為泵站發揮排澇作用，可將各控制點的水位降低到控制水位以下。

方案1～3計算各澇區的水位成果可以充分表明，在圍內發生常遇頻率洪水遭遇外江高水位情況時，泵站在整個體系中起主導作用，河口排澇泵站規模從0增加到155 m3/s可有效降低澇區各控制點水位。但決定排澇效果的則是圍內發生設計頻率洪水遭遇外江常遇水位工況，此時水閘有條件排洪并且在整個過程中占主要排洪任務。與水閘排水能力相比，泵站排水能力有限，增大泵站規模對于地理位置較為分散的澇區不能發揮有效的排澇效果。

為了進一步分析雨洪遭遇對泵站規模的影響，方案4～6計算以內洪為主遭遇外江常遇水位工況。“內洪20%遭遇外江50%洪水時”，當泵的規模增加到200 m3/s，各控制點水位與無泵可自排時基本保持一致，泵的規模增加到480 m3/s接近5年一遇洪峰流量時，才能將各控制點水位降低到16.3 m。但無限加大泵站規模阻礙了水閘的自排，無端增加工程建設規模和運行成本，大流量泵站規模方案顯然不可取(見表3)。

表3 各方案控制點計算水位成果

4.2 方案分析

在河口建設匯排泵站的方案下，需要解決建城河防洪排澇問題首先要分析圍內發生設計洪水遭遇外江常水位工況。相比圍內遭遇的洪水，河口泵站的規模對整個流域的削峰排水作用非常小，增大泵站規模不僅增大工程投資和運行費用，還浪費了水閘自排的有利條件。要根本上解決分散式多點澇區的排澇問題，即使是匯排方案也需要提高各澇區的控制水位，羅子村和梅花營村也需按照17.6 m的設計水位配套建設堤防、竇閘和內圍泵站控制，河口再配套建設 75 m3/s 規模的羅旁水閘抽排。當圍內發生暴雨各澇區水位上漲時借助各片區泵站將澇水排至建城河，再由河口羅旁水閘排出外江，形成“上蓄、中防、匯排、外擋”的防洪治澇體系。

而分排方案下無需在河口建設泵站，當5%的內洪遭遇外江50%的洪水時，由水閘自排，各控制點的水位分別為：羅旁閘前最高水位為17.48 m，梅花營村水位為17.8 m，羅子村水位為17.6 m。當50%的內洪遭遇外江5%的洪水時，水閘不能自排，各控制點的水位均為19.62 m。分排方案在不建設羅旁泵站的情況下，各澇區需按照設計水位19.62 m進行防洪排澇設施建設，各自獨立防護，整個流域形成“上蓄、中防、分排、外擋”的防洪治澇體系。

參考相似工程的投資單價，計算分排與匯排方案的投資估算[11-14](見表4)，分排方案防洪排澇設施總費用匡算為1 991萬元，而建設羅旁泵站匯排方案投資約1.87億元，大于分排方案投資。

表4 各泵站規?？刂泣c計算水位成果

5 結語

1) 分片式分排與集中式匯排方案都可以解決山區地區分散式澇區的防洪排澇問題?；诮ǔ呛恿饔虻挠旰樵庥鎏攸c，如若需要在河口建設匯排泵站，內洪大外洪小為控制泵站規模及除澇效果的的限制工況。此時除澇應考慮以水閘自排為主導，增大泵站規模無益于除澇還浪費了水閘自排的有利條件，增大工程投資和運行費用。在此基礎上，再考慮內洪小外洪頂托工況下配合建設排澇規模與排澇效果相匹配的泵站方能除災。

2) 建成河流域現狀為典型山丘地區分散的澇區分布，從設置不同泵站規模的治澇效果及工程投資的角度分析，各澇區建設堤防、竇閘和內圍泵站取代河口建設大型匯排泵站，分布式針對性提高區域防洪排澇能力，才更有益于精準解決流域內各澇區的防洪排澇問題。