中山市小榄镇河网水动力改善及排涝整治方案研究

黎浩强,徐士杰

(中山市小榄镇水利所，广东 中山 528415)

平原网河区地势平坦，河涌比降较小，同时受外江潮位及涌口闸泵调度的影响，常出现往复流现象[1]，使得内河涌水动力条件较弱。同时，随着城市发展建设，围内河涌湖泊等水域受到侵占，农田、绿地改造为硬质化地面，导致城市水文特性发生变化[2]，地表径流量增加，排涝压力增大。因此，内河涌调蓄能力降低，污水量排放增加，使得平原网河区城镇面临河涌水环境恶化及内涝灾害严重等问题。

当前针对网河区城镇河涌水动力条件改善及排涝问题有较多相关研究，张海丽[3]等研究感潮河网区中顺大围在闸泵调控方案下骨干河涌的水动力水质改善效果；蒋雪莲[4]采用一维水动力水质模型分析感潮河网的水流特性，结合外江潮汐动力及水闸调度优化补水方案；赵尔官[5]基于MIKE11构建广州市南沙区万顷沙镇水动力模型，分析其水闸、泵站排涝能力；曾娇娇[2]等对比分析平原河网城市多种排涝流量计算方法的优缺点；唐造造[6]等构建广州市海珠区水动力模型进行排涝整治方案研究。当前研究多从水工建筑物调度出发，分析其对河涌水质的改善及排涝的影响，较少研究分析河涌控制水位(景观水位、预泄水位)对河涌水动力条件改善及排涝方案的影响。为此，本文选取典型平原河网区中山市小榄镇为研究对象，采用MIKE11构建一维水动力模型，分析小榄镇现状河涌水动力条件及排涝能力，研究闸泵建设、河涌整治及不同特征水位控制方案对河涌水动力改善及排涝整治的效果分析，以期为网河区城镇内河涌引水及排涝整治提供参考借鉴。

1 研究区概况

小榄镇位于中山市中顺大围北部，镇内集雨面积为68.25 km2，地势平坦，平均地面高程为2.1 m，内河涌共116条，河涌水域面积为2.3 km2。小榄镇当前主要防洪(潮)排涝水闸有17座，总净宽为143.5 m，泵站10座，主要分布在东侧小榄水道及西侧凫洲河(见图1)，总设计流量为182 m3/s。小榄镇四面环河，北临东海水道，东临小榄水道，西临凫洲河中山段，南临隆升河，镇内主干内河涌与外江相连处均有水闸控制。

小榄镇存在河涌水动力条件差及排涝能力不足问题。小榄镇日常工况下镇内河涌水流流速不足0.2 m/s，水动力条件较差，连接主干河涌的支涌存在往复流现象，河涌水动力条件需进一步改善；小榄镇当前难以达到10年一遇排涝标准，暴雨时小榄镇时常发生水浸现象。根据规程规范要求及相关规划成果，小榄镇应达到20年一遇24 h设计暴雨不成灾。因此，小榄镇排涝能力需进一步加强。

图1 小榄镇水系及闸泵分布示意

2 模型构建

小榄镇内水系复杂，河涌水动力条件受围内径流、外江潮位及涌口闸泵调度共同调控。传统除涝水文分析计算未考虑河涌水面坡降以及忽略主干河涌之间的水体交换，在合理分配排涝泵站设计流量方面存在一定缺陷，本次采用MIKE11构建一维水动力模型模拟分析小榄镇日常引水工况的河涌水动力特性及暴雨工况的排涝过程，模型原理见相关参考文献[7-9]。

2.1 模型计算范围

小榄水道及东海水道为中顺大围外江，沿程布有国家级水位测站；凫洲河中山段及隆升河为中顺大围内河，受中顺围内水闸及泵站调控，无水位测站。为合理研究小榄镇河网水动力，需综合考虑中顺大围河网水系及水工建筑物调度，因此，本次研究构建以中顺大围骨干水系为主体，局部细化小榄水系的水动力模型，模型河网概化图见图2所示，共收集河道断面2 190个。

图2 水动力模型河网概化示意

2.2边界条件

本次共收集中顺大围外江南华、小榄、竹银、横门、东河、西河水位站多年潮位统计数据及小榄站多年雨量统计数据(见图3)。经洪潮遭遇分析，中顺大围内河洪水与外江洪水遭遇具有随机性，因此本次研究小榄镇日常引水工况，模型外江水位边界取各水位站多年平均潮位过程，河涌与外江交汇口取各个水位站潮位过程内插值；排涝工况外江水位边界取各水位站多年平均高高潮位过程，流量边界采用径流系数法计算各排水分区设计流量。小榄镇主干河涌与外江连接处皆有闸站控制，结合现状运行调度，日常引水工况闸站调度为：当东侧外江潮位高于内河涌水位开闸时引水，在达到景观水位上限时关闸，在西侧外江潮位低于内河涌水位时，开闸排水，在达到景观水位下限是关闸；暴雨排涝工况闸站调度为：当外江潮位低于内河涌水位时，开闸排水，当外江潮位高于内河涌水位时，关闸开泵强排。

图3 中顺大围外江水位站分布及潮位过程示意

2.3 模型率定

为验证所构建模型能够较为合理准确反映小榄镇内河网水动力情况，本次收集小榄镇内流板大涌水位站近5 a实测水位数据，并以此作为率定点位，选择24 h降雨量最大工况、1 h降雨量最大工况、围内暴雨，外江遭遇高潮位工况3种典型工况实测数据进行率定模型，分别选取了2018-06-06—08、2018-05-07—09及2017-08-22—24实测水位及降雨数据进行验证(见图4)，以纳什系数(NSE)系数及均方根误差(RMSE)作为模型验证参数，验证成果见表1。由表1可知，纳什系数大于0.83，均方根误差小于0.12 m，反映所构建模型能够较好反映小榄镇的水动力变化规律，可以用于小榄镇河网水动力研究。

(a1) 2018-06-06—08

(a2) 2018-05-07—09

(a3) 2017-08-22—24

表1 流板水位站处验证指标统计

3 引水工况现状及方案研究

小榄镇现状日常引水运行工况为定向引水，通过水闸调控在高潮时自东北侧外江引水，在低潮时排至西侧凫洲河。外江多年平均潮位范围为0.2～1.1 m，镇内河涌现状景观水位范围保持在0.6～0.8 m。

通过所构建的水动力模型模拟日常引水工况，分析小榄镇河涌现状水动力条件，计算成果表明1 d补水周期下主干河涌典型断面平均流速为0.05～0.12 m/s，水流流速较慢，水动力条件较差，模拟计算小榄镇西侧各水闸1 d周期内的出流量，结合常水位涌容计算得小榄镇换水时间为3.47 d。分析小榄镇现状引水工况水动力条件较差原因：西侧凫洲河水道近年自上游均安镇凫洲河水闸开闸引外江水，使得小榄镇东西侧外江水头差变小，其次当前镇内景观水位及变化范围较小，使得引、排水量及时间不足。

结合小榄镇涌口水闸管理调度，分析改变景观水位变化范围对河涌的水动力条件及换水效率的影响，本文共提出7种优化景观水位方案，通过水动力模型计算西侧排水闸补水周期排水量，结合小榄镇涌容计算换水时间，同时统计主干河涌典型断面平均流速，见表2及图5。

表2 小榄镇景观水位方案换水时间

图5 景观水位方案主干河涌平均流速统计示意

由表2及图5可知，方案一换水效率最高，换水时间最短，为2.81 d，是方案七的64.2%，景观水位上限越高，可引水量越多，景观水位下限越低，外排水量越多，可排水时间越长，换水效率更高，随着景观水位范围减小，主干河涌流速及整体趋势下降，水动力条件变差。分析结果可知增加景观水位变化浮动范围有利于改善河涌水动力条件及提高换水效率。方案一、二、三换水效率接近，水动力条件变化不大。同时考虑水位对外江堤防的稳定影响、镇内低洼地区地面高程、景观水位要求，推荐选取景观水位方案三：0.4～0.9 m，换水时间为现状补水工况的83.3%，主干河涌典型断面平均流速为现状的1.1～1.6倍。

4 排涝工况现状及方案研究

4.1 排涝现状

小榄镇发生暴雨时，涝水由东西侧闸泵外排。结合相关规划成果及地区地面高程共同考虑，小榄镇内河涌最高控制水位为1.6 m，网河区排涝工况不仅与围内涝水有关，外江潮位的影响不可忽略，当外江潮位低于内河涌水位时，主要利用水闸排涝；当围内暴雨遭遇外江高潮位过程时(多年平均高潮位2.43～3.19 m，高于围内大部分地面高程)，小榄镇内河涌涝水难以依靠水闸自排，需利用泵站进行强排。利用水动力数学模型模拟在20年一遇24 h设计暴雨遭遇外江多年平均高潮位时内河涌水面线变化，计算结果表明，主干河涌在暴雨工况下平均最大流速为0.2～0.64 m/s，主干河涌河长4～6 km，涝水外排时间需2.5～5 h，按洪水归槽计算河道水面线高于3.2 m，高于控制水位，当前小榄镇排涝能力无法达到设计排涝标准，主要是因为：河道受侵占现象严重，河涌可调蓄容积不足；河底淤积严重，水流不畅；泵站排涝能力不足等原因。

4.2 排涝整治方案

针对小榄镇排涝存在问题，本文提出包含河道清淤、河道拓宽及泵站建设3种措施的整治方案，并对比分析3种措施对水面线的降低效果以及预泄水位对排涝工况的影响，见表3及表4。由表3可知，河道清淤、河道拓宽及泵站建设3种措施水面线降低效果分别为0.12 m、0.26 m、1.25 m，在土地利用空间及工程投资有限的条件下，泵站建设措施对排涝整治效果较明显，河道拓宽及清淤对水面线降低效果一般，但其对水景观、水环境有较大改善作用。同时，采用水动力模型模拟计算在采取3种整治措施后小榄镇在发生设计暴雨时内河涌水面线，计算结果表明主干河涌最高洪水位为1.55 m左右，本次方案能够满足控制水位要求。

表3 小榄镇各整治措施主干河涌设计洪水位统计 m

4.3 控制水位

预泄水位是整个排涝体系重要的组成部分，提前预泄水位有利于腾空河涌涌容，增加可调蓄容积，降低洪涝风险。本文研究分析不同预泄水位前提下，小榄镇达到排涝标准需增加泵站流量，由表4可知，预泄水位越低，河涌可调蓄容积越大，需增加泵站流量越小。预泄水位的确定同时需综合多方面要素考虑，小榄镇地下水位较高，预泄水位过低不利于河道堤防安全，小榄镇出现提前预泄水位过低但未降雨情况，内河涌水位过低出现水景观较差问题；针对临时突发性暴雨未能及时预泄水位工况，若小榄镇排涝体系设定预泄水位过低，则会存在一定排涝风险。因此，综合考虑需增加泵站流量及多方面要素，同时结合本次景观水位方案为0.4～0.9 m，排涝方案预泄水位取0.4 m，与景观水位下限相衔接。

表4 小榄镇不同预泄水位需增加泵站流量

5 结语

本文通过建立一维河网水动力模型研究小榄镇日常引水工况的河涌水动力条件及暴雨工况的排涝过程，分析小榄镇现状引水及排涝存在问题，并进行引水方案及排涝整治方案研究。

1) 基于所构建模型对小榄镇现状日常引水工况及暴雨工况进行模拟分析，日常引水工况镇内河涌流速平均流速为0.05～0.12 m/s，水流流速较慢，水动力条件较差；暴雨工况时镇内涝水外排时间需2.5～5 h，小榄镇无法达到20 a一遇24 h设计暴雨不成灾排涝标准。

2) 本文提出基于涌口水闸调度、增大景观水位变化范围的引水方案，与现状引水方案对比，换水时间为现状的83.3%，主干河涌水流流速为现状的1.1～1.6倍，增加景观水位变化浮动范围有利于改善河涌水动力条件及提高换水效率。

3) 本文提出包含河道清淤、河道拓宽及泵站建设三种整治措施的排涝方案，能够满足内河涌1.6 m的排涝控制水位要求，在土地利用空间及工程投资有限的条件下，泵站建设措施对河涌水面线降低效果最优，不同预泄水位对镇内排涝能力有一定影响，所设定的预泄水位越低，河涌可调蓄容积越大，小榄镇需增加排涝泵站流量越小，排涝体系一定存在风险，预泄水位的确定需综合考虑地下水位、堤防安全、排涝风险及与景观水位的衔接。