關(guān)于倫教街道防洪排澇方案的初步探究

吳瑞霖，王 鑫，林蓉璇

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

1 背景及概述

1.1 研究必要性及現(xiàn)狀

水安全是城市安全的重要組成部分，是關(guān)系生存的基礎(chǔ)性問題[1]，城市高質(zhì)量發(fā)展要高度重視水安全風(fēng)險。順德區(qū)位于廣東省的南部，珠江三角洲平原中部，是廣佛一體化建設(shè)的重要核心區(qū)域之一，2021年全年地區(qū)生產(chǎn)總值為4 064.38億元[2]，位居全國綜合實(shí)力百強(qiáng)區(qū)榜首，現(xiàn)狀堤防已達(dá)50 a一遇規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，但由于該區(qū)域地勢較低，水高田低，雨洪同期，同時部分河道受到淤積束窄、行洪納潮通道被侵占、排澇能力不足、調(diào)蓄空間不夠及潮汐等因素疊加影響，往往造成外洪內(nèi)澇。佛山市受強(qiáng)降雨、洪水等災(zāi)害影響，僅2020年已出現(xiàn)94次城鄉(xiāng)內(nèi)澇，近1 800棵樹木倒伏或折斷，165間房屋、商鋪等受浸，超0.086萬hm2農(nóng)作物受浸，直接經(jīng)濟(jì)損失約3 155萬元。洪澇災(zāi)害可謂是佛山市的心腹大患，開展區(qū)域防洪排澇方案研究非常必要。

佛山市等珠三角城市防洪排澇問題受到廣泛關(guān)注，許多專家學(xué)者開展了系列研究并提出了相應(yīng)的措施建議。其中，劉俊勇[3]通過總結(jié)分析近年來珠江三角洲外洪與內(nèi)澇的特點(diǎn)及變化趨勢，提出適當(dāng)保留或增加一定調(diào)蓄水域以緩減城市內(nèi)澇與河口泄洪防潮壓力；徐張帆等[4]通過對中順大圍模擬計算分析提出，泵站排澇穩(wěn)定可控，是輔助排澇的重要手段；鄧東升等[5]通過編制專業(yè)程序求解的方式對佛山市禪城區(qū)羅格圍進(jìn)行了排澇方案計算，提出了新建排澇電站、重建水閘、高標(biāo)準(zhǔn)整治內(nèi)河涌等措施建議；宋丹虹[6]通過對佛山市順德區(qū)排水規(guī)劃設(shè)計現(xiàn)狀評估剖析，提出了新建調(diào)蓄湖泊等措施建議。

1.2 地形地貌

倫教街道地處廣東省南部順德第一聯(lián)圍，位于世界上最復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)之一的珠江三角洲腹地，北臨順德水道、西至順德支流、南臨容桂水道、東至李家沙水道(如圖1所示)。

圖1 順德第一聯(lián)圍水系示意

順德區(qū)在地貌上屬地勢低洼的河流沖積平原，地勢西北略高，東南略低，大部分地區(qū)海拔為0.2～2 m。全區(qū)地域中，平原面積為473.2 km2，占總面積的58.7%；河流水面為301.5 km2，占總面積的37.3%；低山丘陵和臺地為31.43 km2，占總面積的4%。與全省平均水平相比，順德區(qū)的平原和水面所占的比例較高，而山地和丘陵所占的比例較低。

1.3 河流水系

順德第一聯(lián)圍外圍水系主要包括順德水道、潭州水道、陳村水道、沙灣水道、李家沙水道、順德支流、容桂水道。倫教街道有主干、支干和分支河涌約61條，總長為104.2 km。

1.4 排澇標(biāo)準(zhǔn)

參照《佛山市城市排水防澇設(shè)施建設(shè)規(guī)劃大綱》，經(jīng)實(shí)地調(diào)研查勘，并與當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T及群眾座談溝通，確認(rèn)佛山市順德區(qū)倫教街道排澇標(biāo)準(zhǔn)近期為20 a一遇、遠(yuǎn)期為30 a一遇24 h設(shè)計暴雨1 d排完，內(nèi)河涌排澇控制水位按照1.0 m(珠基)考慮。

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 計算分區(qū)及邊界

按照順德第一聯(lián)圍地形地貌、河網(wǎng)匯水范圍將集水區(qū)劃分為33個排澇分區(qū)，并根據(jù)《廣東省水資源調(diào)查評價》(2004)及1981—2010年日降雨資料計算設(shè)計徑流及年徑流月分配值，設(shè)計暴雨采用廣東省綜合單位線、推理公式法及徑流系數(shù)法等3種方法推求，計算得到設(shè)計洪水過程后綜合比選，采用綜合單位線法計算成果。同時考慮遭遇外江多年平均洪峰流量和多年平均高潮位過程。

2.2 計算范圍

模型的計算范圍包括珠江三角洲主要河道和順德第一聯(lián)圍內(nèi)主要河涌，河網(wǎng)概化模型如圖2、圖3所示。上邊界為上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、東江控制站博羅站的流量過程，下邊界為下游虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞鳴門、虎跳門和崖門八大口門的潮位過程。數(shù)學(xué)模型對聯(lián)圍內(nèi)73條主要內(nèi)河涌均進(jìn)行了概化，河長約213 km，每條內(nèi)河涌斷面間距約為300 m。此外，圍內(nèi)所有水閘和泵站均納入數(shù)學(xué)模型，并按相應(yīng)調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)度。

圖2 珠江三角洲一維河網(wǎng)模型概化示意

圖3 順德第一聯(lián)圍一維河網(wǎng)模型概化示意

2.3 計算方法

MIKE 11在河網(wǎng)模擬、排澇計算等方面已得到廣泛應(yīng)用[7-12],水流數(shù)學(xué)模型采用圣維南方程中的連續(xù)性方程和動量方程進(jìn)行聯(lián)立，如公式(1)(2)所示，并用6點(diǎn)Abbott-Ionescu隱式格式進(jìn)行離散求解。

(1)

(2)

式中:

A——過水面積；

t——時間；

Q——流量;

x——沿河距離;

α——動力擴(kuò)散系數(shù);

h——水位;

R——水力半徑;

C——謝才系數(shù);

g——重力加速度;

q——單位河長側(cè)向流量，流入為正，流出為負(fù)。

3 模型率定

珠江三角洲一維水動力數(shù)學(xué)模型主要河道地形采用2008年期間的地形資料進(jìn)行概化。同時考慮地形及水文資料的實(shí)際條件，選取“08.6”洪水對珠江三角洲一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定。

圖4為“08.6”洪水條件下模型計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較，從計算結(jié)果看，模型能夠較好地模擬珠江三角洲復(fù)雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量的計算值與實(shí)測值吻合良好，水位最大誤差為0.17 m，流量誤差不超過10%，符合有關(guān)規(guī)范要求，且變化跟隨性較強(qiáng)，基本能滿足模型驗(yàn)證要求，說明模型能正確反映網(wǎng)河水位及流量的空間分布特性。

同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位關(guān)系計算與實(shí)測同步性也很好，能較好地再現(xiàn)網(wǎng)河區(qū)各站水位流量隨時間的變化特征。

圖4 “08.6”洪水條件下模型計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較示意

4 模型驗(yàn)證

考慮地形及水文資料的實(shí)際條件，選取“05.6”洪水對珠江三角洲一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5為“05.6”洪水水文條件下模型計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，從計算結(jié)果看，系統(tǒng)模型能夠良好地模擬三角洲復(fù)雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量的計算值與實(shí)測值吻合良好，水位最大誤差為0.19 m，流量誤差不超過10%，符合有關(guān)規(guī)范，且變化跟隨性較強(qiáng)，基本能滿足模型驗(yàn)證要求，同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位計算值與實(shí)測值同步性也較好，基本可以再現(xiàn)模擬區(qū)域各站水位流量隨時間的變化特征。

圖5 “05.6”洪水珠江三角洲主要水位站實(shí)測與數(shù)模計算成果比較示意

5 擬定的研究方案及計算分析

為使順德區(qū)倫教街道達(dá)到20 a一遇24 h設(shè)計暴雨1 d排完的排澇標(biāo)準(zhǔn)(即該區(qū)域內(nèi)河涌排澇控制水位按照1.0 m(珠基)來控制)，按照《佛山市城市排水防澇設(shè)施建設(shè)規(guī)劃大綱》等有關(guān)防洪排澇規(guī)劃及水利工程建設(shè)方案，在新建水閘、泵站方面，考慮在黃麻涌泵站旁新建黃麻涌二站；在河道整治方面，對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等不滿足排澇過流要求的主排河涌進(jìn)行拓寬整治；在新建調(diào)蓄湖泊方面，規(guī)劃在大良街道順德新城東區(qū)新建桂畔湖，水面面積約25.33 hm2，調(diào)蓄容積為22.7萬m3，在倫教城區(qū)新建人工湖，水面面積約41 hm2，調(diào)蓄容積為45.1萬m3，在勒流南部組團(tuán)新建南水湖，水面面積約50.67 hm2，調(diào)蓄容積為45.5萬m3。

方案計算按照較不利工況進(jìn)行考慮，計算邊界統(tǒng)一為上游使用多年平均洪峰流量，采用2006年7月高要站和1998年6月石角站洪水過程作為典型，以洪峰流量比值為放大系數(shù)，按同倍比放大法推求設(shè)計洪水過程線，下游使用多年平均高高潮，采用1998年6月洪水期間下游八大口門相應(yīng)潮位過程，按多年平均高高潮位進(jìn)行縮放，同時遭遇20 a一遇設(shè)計暴雨。綜合考慮增設(shè)工程措施及調(diào)整調(diào)度方式，設(shè)計工況1到工況7，其中工況1、工況2為現(xiàn)狀調(diào)整調(diào)度方式工況，工況3、工況4為規(guī)劃內(nèi)新增工程措施工況，工況5、工況6、工況7為規(guī)劃外新增工程措施工況：

工況1：圍內(nèi)禾興圍閘、羊大河閘、灰爐涌閘、通天河閘等4個節(jié)制閘全部保持開啟；

工況2：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關(guān)閉；

工況3：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關(guān)閉，新建黃麻涌二站流量為48 m3/s；

工況4：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關(guān)閉，新建黃麻涌二站流量為48 m3/s，在新城東區(qū)、倫教城區(qū)及勒流南部組團(tuán)等處新建3個調(diào)蓄湖；

工況5：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關(guān)閉；

工況6：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，擴(kuò)建雞洲泵站流量為至98 m3/s，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關(guān)閉；

工況7：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，擴(kuò)建雞洲泵站流量為至88 m3/s，新建羊額涌泵站流量為10 m3/s及仕版涌泵站流量為15 m3/s，對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌進(jìn)行河道清淤，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關(guān)閉。

不同設(shè)計工況下典型斷面處的控制水位見表2。

表2 不同設(shè)計工況下典型斷面水位值 m

① 在開啟節(jié)制閘情況下，受上游洪峰來水及下游高高潮位頂托疊加影響，研究范圍內(nèi)水位較高，均遠(yuǎn)高于控制水位(1.0 m)，特別是最上游良仁涌水閘處達(dá)到1.98 m。② 相比工況1，關(guān)閉節(jié)制閘后，導(dǎo)致圍內(nèi)降雨及上游來洪無法及時通過羊大河及良仁涌等河道排出，良仁涌水閘處水位升高到2.21 m，同時也阻止了轄區(qū)外澇水進(jìn)入，使得其余典型斷面處水位降幅均超過0.6 m，但仍高于控制水位0.3 m左右。③ 在工況2基礎(chǔ)上，關(guān)閉節(jié)制閘的同時再新建泵站黃麻涌二站，可將良仁涌水位再降低0.26 m。④ 在工況3基礎(chǔ)上，考慮在順德第一聯(lián)圍內(nèi)新建3個調(diào)蓄湖將整體降低研究范圍內(nèi)水位，降幅達(dá)到0.2 m，但烏洲水閘、大成水閘、雞洲水閘等多處水位仍高于控制水位。⑤ 在官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌谛陆?宗節(jié)制閘，可使倫教大涌以北河涌與倫教大涌斷開，僅保持禾興圍節(jié)制閘開啟，對比工況2，良仁涌水閘處水位降低0.44 m，但其他水閘處水位均有不同程度升高，平均升高0.33 m。⑥ 在工況5基礎(chǔ)上，擴(kuò)建雞洲泵站，良仁涌水閘處水位降低0.19 m，但仍高于要求水位0.67 m，其他處水位均有大幅降低，其中大洲水閘、大成水閘及雞洲水閘處水位已達(dá)到控制水位。⑦ 在工況4基礎(chǔ)上，經(jīng)各河道排澇能力復(fù)核、多方案計算對比分析，綜合確定各泵站規(guī)模，擴(kuò)建(新建)3座泵站并對范圍內(nèi)部分河涌進(jìn)行清淤疏浚，各處水位基本達(dá)到規(guī)劃要求。綜上所述，經(jīng)計算比選，工況7可作為順德區(qū)倫教街道防洪排澇推薦方案，即在官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌谔幮陆ü?jié)制閘，擴(kuò)建雞洲泵站、新建羊額涌泵站及仕版涌泵站，并對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌進(jìn)行河道清淤，調(diào)度運(yùn)用時，僅需關(guān)閉禾興圍節(jié)制閘，即可基本滿足近期防洪排澇要求。

6 結(jié)語

新設(shè)、關(guān)閉節(jié)制閘可有效控制轄區(qū)外澇水進(jìn)入，新建、擴(kuò)建排澇泵站，可增大倫教街道的行洪排澇能力，新建調(diào)蓄湖、疏浚河道，可增大倫教街道的洪水蓄泄能力，均可在一定程度上降低圍內(nèi)水位；但單一措施均無法達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)要求，需要多措并舉、合理調(diào)度、聯(lián)合運(yùn)用，方可將內(nèi)河涌排澇水位控制到1 m左右。

對如何進(jìn)一步緩解城市排澇問題開展深入研究，將結(jié)合海綿城市建設(shè)及城市發(fā)展規(guī)劃[13]，考慮運(yùn)用水安全、水資源等方面策略[14]。