基于非工程措施的沿海河道防洪排澇聯合調度方案研究

周小珍

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

沿海城市地理位置特殊，臺風頻繁，沿海河道極易遭受潮位頂托。受潮水“潮起潮落”的影響，沿海河道防洪排澇調度面臨更大的挑戰。深圳地處珠江流域下游，河網密布，水問題十分復雜，洪潮澇災害、水質型缺水等水安全問題日益頻發。深圳市近海區域為感潮河段，因受天文高潮影響和臺風頻繁侵襲，珠江口水系河流的中下游縱比降小，地勢平緩低洼，河道洪水渲泄緩慢。若洪流與潮流遭遇，近海區域的洪澇災害則更加嚴重。非工程措施是除了工程措施以外的城市防洪排澇的一種重要措施。如何在不增加現有防洪排澇工程建設的情況下，結合氣象預報，通過優化調度方案，最大程度的發揮現有工程措施的效益，一直是沿海河道防洪排澇的研究重點。

1 項目區概況

茅洲河流域位于深圳市西北部，屬珠江口水系。發源于石巖水庫的上游—陽臺山，流經石巖、公明、光明、松崗、沙井街道，在沙井民主村匯入伶仃洋。石巖水庫的建設，改變了原有水系的匯流狀況，石巖水庫以上流域的徑流不再匯入茅洲河，而成為西鄉河流域的一部分。現狀茅洲河的流域面積為388.23km2。沙井河為茅洲河下游左岸一級支流，流域面積為28.22km2，河長5.81km，現狀防洪標準為20年一遇，位于深圳市寶安區。排澇河為茅洲河下游左岸一級支流，位于沙井河下游，流域面積40.34km2，河長3.79km，現狀防洪標準為50年一遇。排澇河口與沙井河口距茅洲河入海口分別為3.35和4.85km。兩條河通過崗頭調節池連通，與茅洲河形成了環形的水流通道，整個通道均受到珠江口潮水的影響，河道水位及流向隨著潮水位的變化而變化。沙井河、排澇河閘站工程統計表見表1，其中潭頭閘為兩河道交界處節制閘。

表1 沙井河、排澇河閘站工程統計表

沙井河—排澇河片區屬于深圳西北部濱海平原區，地勢低平，區域內大部分地區地勢低于3.5m，且自東向西逐漸降低，片區地勢如圖1所示。由圖1中可以看出，崗頭調節池以下的沙井河——排澇河片區，地面高程低于3.5m的區域約占60%，其中更有近20%地面高程低于2.5m。

圖1 沙井河片區、排澇河片區地勢示意圖

2 現有調度方案

沙井河片區排澇系統主要由沙井河、松崗河、排澇河以及沙井河河口樞紐構成，其特征水位示意圖如圖2所示。其中，排澇河作為崗頭調節池上游較高區域匯水的自排通道。沙井河、松崗河沿線較低區域的降雨經雨水管網和河道收集后，通過河口樞紐(沙井水閘、沙井河口排澇泵站)排入茅洲河。茅洲河水位較低時開啟水閘自排，茅洲河水位較高時水閘關閉通過泵站抽排，維持沙井河和排澇河較低水位。此外，以往的調度方案中并未明確沙井河片區與排澇河片區聯合調度的控制參數，未明確以洪為主和以潮為主兩種工況下實際調度規程。

圖2 沙井河、排澇河特征水位示意圖

3 聯合調度方案

3.1 調度原則及控制條件

為了最大程度的發揮現有工程措施的效益整體，本文聯合調度方案的整體思路是在現有水利設施基礎上，實現沙井河片區和排澇河片區的水系連通。具體而言，以潭頭閘兩側水位為控制條件，在沙井泵站有余度的情況下，抽排排澇河的澇水。根據茅洲河洪潮遭遇情況，本文將調度工況分為“以洪為主”和“以潮為主”兩種，其對應的調度原則及控制條件如下。

(1)以洪為主：主要表現為流域內降雨較大，外江潮位維持在較低水平，此工況下流域主要威脅來自流域內降雨。該工況下，排澇河可以實現自排；沙井泵站抽排優先保證沙井河流范圍內雨水的排除。若潭頭水閘沙井側水位低于1.96m且排澇河側水位高于3.43m，則打開潭頭水閘，由沙井泵站同時抽排排澇河片區雨水。

(2)以潮為主：主要表現為外江水位較高，但流域降雨重現期不高，此工況下主要威脅來自外江。該工況下河口水閘需關閉防止倒灌，流域內澇水的排除依靠泵站抽排。當排澇河無法自排時，在保證沙井片區不受澇的基礎上，充分利用沙井泵站的抽排能力，最大限度的解決排澇河流域的受澇問題。具體而言，當沙井泵站抽排流量未達170m3/s，且潭頭水閘沙井側水位低于1.96m時，打開潭頭水閘，由沙井泵站同時抽排排澇河片區雨水。

3.2 “以洪為主”聯合調度實例分析

2018年8月30日降雨潮位情況：8.30赤灣站最高潮位為2.02m，低于高潮位多年平均值2.16m。萬豐站24小時降雨量為286.4mm，超10年一遇(水利)，松崗站24小時雨量為254mm，為5～10年一遇(水利)。萬豐站和松崗站24小時降雨量為氣象標準的特大暴雨級別(>250mm)。可以判斷，2018年8月30日降雨潮位過程為以洪為主的過程。因此，本文以2018年8月30日降雨期間調度分析為例說明以洪為主的調度方案。具體的調度方案如下：

第一步：根據降雨預報，關閉潭頭水閘，打開排澇河河口水閘、沙井河口水閘。

第二步：當降雨開始，沙井河口水閘內河水位達到0.8m時關閉沙井河口水閘，開啟泵站排水，并根據沙井河河口水閘的水位變化控制泵站的開啟臺數，直至泵站全部開啟。

第三步：及時監測潭頭河水閘兩側水位，若沙井側水位低于1.96m且排澇河側水位高于3.43m，則逐步打開潭頭水閘，控制潭頭水閘沙井側水位不高于1.96m，由沙井泵站同時抽排排澇河片區雨水。

第四步：及時監測潭頭河水閘兩側水位，排澇河側水位持續低于3.43m，則逐步關閉潭頭水閘。

第五步：逐步關停沙井泵站相應機組，直至將沙井河水位降至0.8m，關閉沙井泵站，打開沙井河河口水閘自排。

2018年8月30日期間沙井泵站工作記錄見表2。其中，泵站共運行22小時03分鐘，五臺機組同時運行3小時59分鐘；單機一次運行最長15小時22分鐘，單機運行時間為72小時21分鐘；共抽排885.56萬m3，最高水位2.5m(16∶00)，高峰時，共啟動5臺機組同時運行。

表2 2018年8月30日期間沙井泵站工作記錄表

3.3 “以潮為主”聯合調度實例分析

2018年9月16日下午，臺風“山竹”期間(2018年9月16日8：00～2018年9月17日2：00)潮位及降雨過程線如圖3所示。由臺風“山竹”引起的風暴潮與天文潮次高潮疊加，致使東、西部海域潮位暴漲。按2014年《深圳市防洪潮規劃修編及河道整治規劃—防洪潮規劃修編(2014—2020)》設計高潮位成果復核，東、西部實測潮位值均超過200年一遇。“山竹”臺風期間，赤灣站潮位的最高潮水位為3.15m(黃海基面)，為有實測潮位資料以來的次大值(歷史最大值為2017年8月23日3.217m)。山竹臺風之后，重新復核設計潮位值，山竹臺風期間赤灣站最高潮位達3.15m，接近修正后1%設計高潮位3.16m。

圖3 山竹臺風期間潮位及降雨過程線

山竹臺風期間沙井河口水位過程線如圖4所示。由圖4中可以看出，茅洲河沙井河口斷面水位在2018年9月16日18：00達到最大值3.64m，赤灣站潮位在2018年9月16日17：15達到最大值3.15m；最大水(潮)位發生時間差為0.75h，最大水(潮)位差0.49m。期間，茅洲河流域降雨為2年一遇(水利)，松崗站記錄最大24小時降雨量為79.8mm，為氣象標準的暴雨級別(50～99.9mm)。因此，山竹臺風期間的雨潮遭遇工況為以潮為主，由于高潮位頂托，排澇河雨水無法自排。

圖4 山竹臺風期間沙井河口水位過程線

鑒于山竹臺風期間排澇河雨水因受高潮位頂托而無法自排，本文采用聯合調度方案應對，通過非工程措施來優化調度方案。具體的調度方案如下：

第一步：根據潮汐特征預報表，沙井河河口水閘在低潮位0.8m及以下打開；在外江水位低于排澇河口水位時打開排澇河河口水閘；隨著潮位逐步增加，逐步關閉沙井河河口水閘和排澇河河口水閘；如由于客觀原因未能夠及時關閉水閘，關閘后沙井河內河口水位高于0.8m時，利用沙井泵站，將內河水位抽排至0.8m以下。

第二步：當降雨開始，沙井河口水閘內河水位達到0.8m時開啟泵站排水，并根據沙井河河口水閘的水位變化控制泵站的開啟臺數，直至泵站全部開啟。

第三步：實時監測潭頭水閘沙井側水位，控制其在1.96m以下時開閘運行；當水位達到1.96m時，逐漸關閉潭頭水閘，控制排澇河流域的雨水進入沙井河流域的水量，直至潭頭水閘全部關閉。

第四步：當潭頭水閘全部關閉后，密切關注潭頭水閘排澇河側的水位變化、潭頭水閘沙井側水位變化、沙井泵站抽排流量，當沙井泵站抽排流量未達170m3/s，且潭頭水閘沙井側水位低于1.96m時，打開潭頭閘，由沙井泵站抽排排澇河片區澇水。并根據情況，隨時調整潭頭水閘的運行狀態。

第五步：逐步關停沙井泵站相應機組，直至將沙井河水位降至0.8m；當茅洲河水位低于沙井河水位時，再打開沙井河河口水閘。

2018年9月16日山竹臺風期間沙井泵站工作記錄見表3。其中，泵站共運行32小時08分鐘，單機一次運行最長12小時17分鐘，共抽排417.18萬m3，高峰時，共啟動4臺機組同時運行。因此，通過沙井河和排澇河聯合調度，能夠最大限度發揮沙井泵站的工程效益。

表3 山竹臺風期間沙井泵站工作記錄表

表4 測點監控指標一覽表

表5 指標評價集模糊隸屬度

4 結語

沿海城市河道易受潮位頂托影響，防洪排澇問題更為復雜。如何在現有水務設施的基礎上通過非工程措施優化調度實現工程效益最大化，具有重要意義。本文針對茅洲河流域沙井片區和排澇片區的防洪排澇聯合調度，提出了兩種工況的聯合調度規程和詳細調度參數。但是，入海河道有可能會遭遇“以洪為主”與潮位過程較高并存的工況，也可能遭遇“以潮為主”與降雨量較大并存的工況。針對上述兩種極端工況，則需要綜合更多因素，在現有調度方案的基礎上制定更為完善的聯合調度方案與規程。