复杂水利边界条件下的高密度建成区河道分洪调蓄系统设计

黄伟斌，张奕泽，濮安熠

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

四千多年前的远古大禹治水，疏通江河，引汇百川人海，定九州。“顺水之性，不与水争势，导之人海。为达此目的，高者凿而通之，卑者疏宣之”，治水要遵从自然规律[1]。在长期的探索治水历史长河中，鲧的“堵”法、禹的“疏”法、李冰的“堵、泄、疏”综合运用法等，都是今天我们研究治水害、兴水利的基础。城市择水而居，高水而居，可以说有了水，城市便有了生命，进入新世纪以来我国城市的规模进一步扩大，在全球气候变化与快速城镇化背景下，城市洪涝灾害日益严重，很多城市出现了多雨期的“逢雨必涝”现象，多座城市年年看“海”。如何有效地防治城市洪涝灾害，给我们提出了新的挑战。本文结合深圳宝安区某河道防洪排涝整治项目，通过计算结构物过流能力，将其与水动力矩阵方程耦合的验算结论，采用上游水库分洪、高压走廊滞洪区分片调蓄、下游河道拓宽疏浚及涝片分散治理等措施，通过降低河道沿线设计水位，解决了流域防洪、沿线低洼区块的排涝等问题[2]，有利于提高居民生活质量，促进区域社会经济和谐发展。可为今后其他类似工程特别是在城市高密度建成区域，寻求比较合理、经济且可行的设计方案[3]。

1 研究背景

1.1 工程背景

潭头河位于深圳宝安区沙井北、松岗南，属茅洲河二级支流，为排涝河一级支流，发源于五指耙水库西侧山谷，由东向西穿越广深公路，广深高速公路，于潭头二村西汇入排涝河，河流经密集城区段因下游排涝河水位顶托，同时广深高速以上段暗涵过流断面宽窄不一，过流能力受限，造成严重洪涝灾害。该流域包括潭头河干流、左支及磨圆涌支沟，河道总长约8.02km。

本次研究根据现状存在的问题，综合考虑五指耙水库分洪入潭头河流域、潭头渠分洪入潭头河流域等工程边界及解决潭头河流域广深高度暗渠出口以下段局部低洼区域存在内涝风险等工程任务的基础上，对潭头河流域综合整治工程的工程方案、工程内容、工程运行调度方式进行系统考虑，提出系统解决潭头河流域洪涝问题的规划设计方案[4]。

1.2 边界条件分析和模型计算

1.2.1边界条件分析

(1)流域需新增接纳五指耙水库50年一遇以下频率的洪水

根据调查，五指耙水库下泄通道在下游修建市政道路时已被完全堵塞，在暴雨洪水期间水库溢洪时，水库下泄洪水将与下游城市区域涝水争夺排水出路，洪涝水均无法及时排走。水库及其下游区域的泄洪通道不畅对附近居民生命财产安全造成严重的威胁，存在严重的安全隐患。根据《深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划》要求，需将五指耙水库洪峰跨流域分至潭头河流域，50年一遇最高洪水位为27.57m，最大下泄流量为11.15m3/s，五指耙水库原溢洪道不参与泄洪[5]。

(2)流域需额外接收潭头渠上游松岗大道以东1.02km2洪水分洪

2015年10月，深圳市发改委对《潭头河综合整治工程可行性研究报告》的批复中写到：“已批复的《松岗潭头渠综合整治工程可行性研究报告》提出的防洪方案拟将潭头渠上游片区的高水沿松岗大道东侧新建箱涵向潭头河分流，建议两个项目的建设单位进一步协调“松岗潭头渠整合整治工程”和“潭头河综合整治工程”的排洪方案”。因此，本项目额外接收潭头渠流域分洪，其20年一遇的分洪流量经复核后为21.8m3/s。

(3)根据片区管网施工图、物探资料、潭头河20年一遇洪水位，初步确定20年一遇洪水位时，潭头河流域内有3个区块存在内涝风险。受下游排涝河20年一遇3.74m的高水位控制[6]，排涝河广深暗渠至排涝河河口20年一遇洪水位为3.74～4.34m，该3个区块地势大部分低于20年一遇洪水位，雨水管受洪水顶托甚至倒灌，无法外排，区域存在内涝风险。

1.2.2模型计算

(1)水利计算方法

计算方法采用MIKE11软件[7]中的HD(水动力学模块)非恒定流进行计算，即运用水动力学模块分析规划河道不同方案下的各控制断面水位。模型采用SO(控制构筑物模块)对闸堰、桥梁进行模拟，有建筑物的断面均按实际结构物的位置和形式来处理，通过计算结构物过流能力，将其与水动力矩阵方程耦合。一维非恒定流数学模型采用圣维南明渠非恒定流偏微分方程组[8]：

式中，B—水面宽；Z—水位；Q—流量；q—旁侧入流；v—断面平均流速；g—重力加速度；A—过水断面面积；K—过水断面的流量模数。水利计算主要依据河道水系规划方案所规划的河道、水闸、泵站规模及调度方式，通过水系概化、水库调洪演算及非恒定流演算方法，得到各设计标准下设计流量和最高水位[9]。

(2)水利计算边界条件

上边界潭头河入口为五指耙水库分洪入潭头河的流量过程；下边界依据已批复的《茅洲河流域水环境综合整治工程——排涝河截污工程》，排涝河全河段均为感潮河段，河道水面线分别按照“以洪为主”和“以潮为主”两种组合情况进行计算，最终设计水位成果取“洪潮外包线”成果[10]，根据岗头调节池水位往上游推算确定，潭头河河口20年一遇洪水位为3.74m；内边界为区间涝水过程作为区间入流加入模型，并额外考虑潭头渠上游松岗大道以东21.8m3/s洪水分洪。

(3)河道水系概化

概化河道系统必须能够模拟计算区域的蓄水能力，水流方向，且应与规划水系一致。将潭头河、潭头河左支流、磨圆涌支流等河道作为主干河流，区间入流作为均匀流汇入。断面间隔在80～150m，平均断面间隔约100m，闸堰工程、公路桥作为河道内边界的水利因素[11]。

对于闸门：设置合理的开启高度，控泄滞洪区洪涝水均匀下泄至下游，充分发挥滞洪区的滞蓄能力，降低下游洪涝压力。对于泵(闸)站：在泵站起排水位以下并上游水位高于下游水位时，闸门全开，自流泄洪；当水位高于起排水位时，闸门关闭，启用泵站强排涝水。

2 规划设计方案

2.1 五指耙水库分洪和高压走廊区域调蓄

针对五指耙水库50年一遇以下频率的洪水，最大下泄流量为11.15m3/s，本次通过改造水库泄洪建筑物，将五指耙水库洪水跨流域分入潭头河，新建分洪隧洞轴线穿越田园路东侧山体，洞身轴线全长741m，进口布置于五指耙水库主坝左坝肩，隧洞进水口设置控制闸门。隧洞出口通过10.0m(长)×5.0m(宽)消力池与田园路现状明渠连接，穿田园路现状3.2m(宽)×1.7m(高)箱涵往潭头河流域下泄洪水。

水库洪水排入潭头河流域，将增加潭头流域的防洪压力，为减轻甚至消除该影响，本次在潭头河中游高压走廊区域修建南北两处滞洪区进行削峰调蓄，新增滞洪区调蓄库容总18.72万m3。20年一遇洪水时，滞洪区控制闸1孔控泄80cm的闸上最高水位为11.45m，最大下泄流量为12.9m3/s，滞洪区下泄洪水经调蓄后沿芙蓉路新建2.7m×3.0～4.0m(宽×高)分洪箱涵安全下泄[12]。

五指耙水库分洪及滞洪区位置示意图如图1所示。

图1 五指耙水库分洪及滞洪区位置示意图

2.2 新建潭头渠滞洪区

为消纳潭头渠1.02km2流域分洪，本次针对潭头渠上游松岗大道以东，华美路与松裕路之间区域目前有约70000m2的高压走廊下城市绿地，拟将其利用改建为滞洪区，可提供约17.5万m3的滞蓄库容以滞蓄潭头渠松岗大道以东1.02km2的洪水。滞洪区初拟底高程为7.0m，20年一遇洪水时以满足周边区域涝水自排为控制要求的控制滞洪深度为2.5m，可提供约15.0万m3的滞蓄库容。

经模型复核计算，在设置潭头渠滞洪区后，可将松岗河以东1.02km2区域20年一遇的洪峰流量由21.8m3/s有效消减至3.5m3/s，最大滞蓄水量为12.6万m3(23～40时段)，接近潭头渠滞洪区的最大库容，较充分的利用了滞洪区库容[13]。

潭头渠滞洪区、潭头河南北滞洪区布置图如图2所示。

图2 潭头渠滞洪区、潭头河南北滞洪区布置图

2.3 涝片分散治理

在新建潭头渠滞洪区、潭头河南北滞洪区后，潭头河沿线水位会显著降低。在此基础上，区块一解决内涝问题采用方案一的措施，即在DN1200雨水管入潭头河口处设置2m3/s排涝泵站。

区块二第一类和第二类用地解决内涝问题采用方案一的措施，即新建DN1200管550m，DN1000管350m；同时在新建潭头渠滞洪区及潭头河南北滞洪区的条件下，潭头河20年一遇洪水位在区块二第三类用地道路处降至4m以下，道路不会形成内涝，整个区块二内涝问题得到解决。

在新建潭头渠滞洪区及优化潭头河滞洪区前提下，潭头河左支涝片位置新建闸门和流量为25m3/s排涝泵站，可解决区块三的内涝问题。

2.4 对沙井河排涝泵站的影响

根据《宝安区沙井河片区排涝工程初步设计报告——枢纽部分》(2008年7月)，沙井河泵站的服务范围为28.13km2，其按照20年一遇24h设计暴雨不受淹的标准[14]经分析计算确定沙井河排涝泵站的规模为170m3/s。在沙井河泵站实施后，沙井河流域发生20年一遇降雨，同时沙井河口泵站按抽排流量Q=170m3/s运行，根据此工况下河道的最高水位线，初步对照地面高程找出本方案最高水位时不能自流排水的区域，共有四片，分别位于松岗河北岸和七支渠、潭头渠沿线的松岗街道江边村、沙埔村、上头田村、潭头村，面积合计0.12km2，积水深不超过50cm，由于仅最高水位时不能自排，积水时间40～60min[15]，如图3所示。

由《宝安区沙井河片区排涝工程初步设计报告——枢纽部分》可知，即使沙井河泵站实施后，沙井河沿线仍会有局部低洼区域出现短历时的淹没，其中便有约0.05km2的涝片位于潭头河—潭头渠中间区域。

本次潭头河流域相关措施实施后，将原来汇入沙井河片区的五指耙水库(2.27km2)、潭头渠松岗大道以东区域(1.02km2)共3.29km2(占沙井河泵站的服务范围的11.7%)的洪水分至潭头河流域，经潭头河流域滞洪区调蓄后，由自排或经河口泵站抽排至排涝河流域，不仅未破坏整个沙井-排涝片区的防洪排涝格局，并且分担了原排入沙井河泵站服务范围的水量，一定程度上提高了沙井河河口泵站的排涝保证率，缓解了沙井河片区的排涝压力，有利于解决沙井河泵站设计时未能充分解决的共0.12km2四小片区的内涝问题[16]。

图3 沙井泵站实施后20年一遇24h暴雨短时积水区分布示意图

2.5 对潭头渠流域的影响

潭头河流域接纳了潭头河上游位于松岗大道以东1.02km2的涝水，降低了潭头渠中下游河道的设计洪水位及沿岸区域的排水压力。潭头河流域的洪水也往南排入排涝河流域，由于排涝河-沙井河中间潭头水闸的控制，故潭头河流域的洪水也不会对潭头渠流域的洪水自流排入沙井河造成顶托。因此，潭头河整治工程的实施降低了潭头渠流域的防洪排涝压力，对其无不利影响。

2.6 对排涝河流域的影响

在发生20年一遇洪水时，潭头河河口现状洪峰流量为103m3/s(不含潭头渠和五指耙水库分洪)，潭头渠1.02km2分洪至潭头河流域为21.8m3/s，五指耙水库分洪至潭头河流域为10.5m3/s。经潭头河流域滞洪区、闸泵等工程措施调蓄后，潭头河河口(接纳了潭头渠和五指耙水库分洪))流量为86.8m3/s，低于河口天然工况流量。潭头河流域综合整治工程实施后，不仅有效地消减了潭头河流域自身洪水及外来潭头渠1.02km2、五指耙水库分洪流量，还显著降低了流域内低洼区域的内涝风险。

由于潭头河综合整治规划工况下河口20年一遇洪峰流域小于现状工况下河口流量，因此《茅洲河流域水环境综合整治工程——排涝河截污工程》等排涝河流域相关洪涝治理规划中，根据潭头河现状洪水工况得出的潭头河河口3.74m的20年一遇控制洪水位在潭头河流域综合整治工程实施后不会抬升，亦不会对其排涝河下游流域下游相关干支流的防洪排涝造成不利影响。

3 结语

(1)本次研究通过采用上游水库分洪、高压走廊滞洪区分片调蓄、下游河道拓宽疏浚及涝片分散治理等措施，通过降低河道沿线设计水位，不仅解决了河道防洪问题，同时也解决了潭头河流域范围内沿线低洼区块的排涝问题。但由于受流域下游主要受排涝河水位的顶托影响，导致20年一遇设计水位较高，无论五指耙水库和潭头渠分洪与否，工程下游沿线局部低洼地块仍存在内涝风险。

(2)城市洪涝治理应放到流域“山水林田湖草”生命共同体中统筹考虑。习近平总书记指出“山水林田湖草是一个生命共同体”，城市洪涝防治应重视生态流域和海绵城市的理念，构建可持续城市水系统，把城市融入生态流域生命共同体。在流域上，要做好源头治理和生态保护，以良好的流域生态支撑城市可持续发展；在城市中，要处理好城市水系统与流域水循环的关系，从“防”的角度重视对城市建设中可能对水循环产生不利影响的活动进行管控，重视“拟自然设计”，加强“低影响开发”，尽大可能维护和促进良性水循环[17]。