广州市南沙区万顷沙网河区排涝调蓄演算研究

刘树锋，刘一休，杨晨*，陈记臣，谭丹，沈学明

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635；3. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635；4. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

0 引言

随着快速城市化进程，土地原有用途发生改变，下垫面条件发生变化，引起城市排涝流量的改变，因此，整体建立排涝模型进行区块排涝调蓄过程的计算分析，确定闸站的排涝能力，对满足城市防洪排涝工程要求，衔接城区水系规划与高标准治理有重要意义。利用天然池塘、洼地调节径流洪峰在国内外城市雨水系统设计中均有着相当长的历史。最初雨水调蓄池主要用于调蓄洪峰水量，减少雨水管道系统的设计负荷，起防洪作用。20世纪70年代国外对调蓄池容积计算与位置选择有过较为集中的研究[1]。近十几年来随着对城市非点源污染问题的重视，新建调蓄池注重减少溢流水量，结合沉淀等去除污染物的功能，以降低面源污染负荷[2]。目前，无论是分流制雨水系统或者合流制排水系统中，修建雨水、合流污水大型调蓄池，或巨型地下调蓄隧道，已是国外大城市控制雨水径流和合流污水溢流污染的常见方法。雨水调蓄设施作为排水系统的一个重要组成部分，在排水系统中可调节暴雨洪峰，提高排水系统设计标准和能力[3],提高流系截流倍数[4],削减初期雨水和合流污水溢流对水体的污染[3]。因此合理规划排水系统中调蓄设施的设置，对充分发挥排水系统的功能有着重要意义。

国外合流制排水系统调蓄池计算方法主要有两种：以池容量的经验公式法[5]和基于排水系统模型的概率分析法[6]。其中德国和日本主要采用经验公式法来确定系统所需调蓄容量[5]；美国大多采用SWMM模型[7]模拟排水系统运行，分析系统所需调蓄容量。国内对排涝调蓄的研究较晚，邵崴等[8]运用SCS模型对福州城区的径流形成和排涝进行研究；卢翔等[9]运用MIKE FLOOD建立了城市排涝耦合模型对湖南省华容县进行排涝模拟。本研究以广州市南沙区万顷沙网河区为研究对象，引进海绵城市理念，根据水系、涵闸及泵站分布，构建MIKE11一维网河模型，对涝区水田和水面的产流、水闸和泵站的模拟进行改进，以期为网河区城镇内河涌的排涝调蓄提供参考借鉴。

1 研究区域概况

图 1 研究区域示意Figure 1 The study area

南沙区万顷沙网河区地处珠江三角洲下游河网地区(图1)，地势低洼，受上游流域洪水、外海潮位、内部暴雨以及台风侵袭，特别是当风、暴、潮、洪中若干现象同时发生时极易引发严重的洪涝灾害[10]。区域降雨强度大，滨江临海，排涝受洪潮顶托严重，并且快速的城市化建设，使下垫面硬化区域急剧扩大，进一步加重了城市内涝；此外，根据《珠江三角洲内涝整治规划》(2010年3月)和调研情况，研究区域现有的机电排涝站、排水闸、排水渠等工程设施老化严重，运行效率低，实际排涝能力达不到设计要求。由于排涝工程建设滞后于城镇化进程，现有的农田排涝体系已明显不适应城市化发展的需要。随着大湾区国家战略的实施，人口与经济将进一步集聚，是“淹不得也淹不起”的地区，已有规划城市中心区的防洪(潮)标准为100～200年一遇，排涝标准10～20年一遇，不能满足大湾区乃至珠三角城市未来经济社会发展要求，迫切需要进行相关研究。

南沙区河口水闸工程的主要功能为防洪防风暴潮和排涝，还有纳潮灌溉、通航过船功能等，城市建设还有保持涌内景观用水和环境用水要求等。因此南沙区所有外排水闸的防洪标准与堤防防洪标准一致，即200年一遇标准。万顷沙网河区现状用地有镇街、工厂和农田，规划为工业用地、商业金融用地和居住用地等，其排涝标准采用20年一遇24 h暴雨不成灾标准。排涝片现状地面高程在4～7 m之间，现状东西向的万八涌至万十八涌为片内的骨干排水河涌，现状水面率约6.81%，现状片内的河涌控制水位为6.20 m。本研究区域的排涝标准采用20年一遇最大24 h暴雨不成灾，涝区水位满足不超过控制水位的要求。内河涌整治标准相应采用20年一遇。

2 研究方法

2.1 基于水量平衡的调蓄演算方法

2.1.1 方法原理

为分析包括河涌、调蓄水面、泵站及水闸在内的蓄排设施的规模，本研究采用基于水量平衡的调蓄演算方法，公式如下：

(1)

式(1)中：Q1为时段初来水流量；Q2为时段末来水流量；q1为时段初泄水流量；q2为时段末泄水流量；T为计算时段；V1为时段初蓄水量；V2为时段末蓄水量。其中，水闸泄水流量采用宽顶堰公式计算。计算采用逐时段调算，泵闸的运行按照内水高于外水开闸伺机抢排，内水低于外水，且内水高于起泵水位开泵抽排直至内河涌控制低水位止。

2.1.2 计算方法

1)水闸排涝能力计算

水闸自排流量按宽顶堰淹没出流考虑，水闸排水流量的计算，根据淹没度不同，分别采用不同的计算公式。

淹没度小于0.9时，采用如下公式计算：

(2)

式(2)中：Q为过闸流量；σs为淹没系数；ε为侧收缩系数；m为流量系数，对于本研究无坎高的平底宽顶堰取0.385；B为闸孔总净宽；g为重力加速度；H0为闸前总水头。

淹没度大于0.9时，采用如下公式计算：

(3)

μ0=0.877+(hs/H0-0.65)2

(4)

式(3～4)中：Q为过闸流量；B为闸孔总净宽；μ0为淹没堰流的综合流量系数；H0为闸前总水头；hs为下游水深。

2)泵站设计流量

泵站抽排按照涝区积水总量和设计排涝历时进行计算。

(5)

式(5)中：Q为泵站设计流量；W为设计涝水量；T为设计排涝历时。

在实际计算分析中，以式(5)计算的泵站设计流量作为初值，结合闸排联合计算最终确定泵站设计流量。

2.2 一维河网非恒定流水动力模型

通过建立万顷沙网河区的一维河网非恒定流水动力模型，模拟规划工况的工情、降雨对涝片水情的影响，校核现状排涝工程规模并优化工程布局与规模[11]。

2.2.1 模型原理与建模平台

一维河网非恒定流水力计算是一种先进的基于对一维河网水流物理运动的数学方法描述，并利用数值计算方法求解微积分方程组，进而通过方程组数值解动态反映河网水流运动状态的方法，计算结果包括各断面实时水位、流量等，是解决平原网河地区水利分析计算的有效方法。本次规划在丹麦水力学研究所研制的MIKE11软件平台上进行建模。

描述水流在明渠中运动的一维非恒定流基本方程是Saint Venant方程组，包括质量方程与动量方程：

(6)

(7)

式(6～7)中：t、x分别为时、空变量；Z、Q、U分别为各断面的水位、流量和流速；A、R分别为各断面的过水断面面积、水力半径；q为单位河长的均匀旁侧入流(包括降雨产汇流)；n为河道糙率系数；g为重力加速度。

由于Saint Venant方程组是一个二元一阶拟线性双曲型偏微分方程组，求得精确解非常困难，计算采用Abbott六点隐式差分格式求解方程组。

2.2.2 河网概化

图 2 万顷沙网河区一维模型示意Figure 2 Schematic diagram of one dimensional model of Wanqingsha Network River Area

根据万顷沙网河区各河涌的河长、河底高程、断面及河道糙率参数，进行河道概化。河长参数依据现状河道调查情况确定，河底高程取规划河底高程，河道断面依据规划河道断面采用河边距～河底高程形式在计算中反映，河道糙率取值为0.025～0.030。

根据河涌长度、计算精度以及计算收敛稳定的要求综合分析断面设置的位置和数量，依据规划河涌断面采用河边距～河底高程形式输入到MIKE11的.xns11文件中。最终概化的河网水面率与规划水面率基本相当，反映河网实际的输水与调蓄能力。

控制建筑物包括挡潮闸、排涝泵，泵闸是联围排涝体系的重要组成部分，概化的核心是拟定建筑物的控制运行方式。泵闸的运行一般按照内水高于外水开闸伺机抢排，内水低于外水、且内水高于起泵水位开泵抽排直至河涌控制低水位止。根据拟定的调度原则，按照逻辑判断框图反映在MIKE11的.nwk11文件中，模型采用SO模块对工程的运行进行模拟。

2.2.3 边界条件

1)初始条件

断面初始流量为0 m3·s-1，初始水位为常水位。

2)边界条件

内边界：内边界指内河涌两岸平原区沿河分散进入河道的降雨径流，河网汇流计算时将入河水量根据河道汇水范围进行分配至各河道，同时将河道入流过程处理为旁侧单宽均匀入流进入河网。

潮位边界：因刘曾美等[12]已采用Copula函数对珠江三角洲感潮河段的洪潮遭遇情况进行了详细分析，且根据《广州南沙新区防洪(潮)排涝专业规划》，潮位边界为外江5年一遇设计洪(潮)水位。采用典型潮位过程线通过相应比例而得到5年一遇外江潮位过程作为外江潮水位边界条件(图2中的各河涌两端)。

2.2.4 计算条件

研究区域涝区内，水位特征如下：

1)常水位

河涌正常水位主要满足通航和景观的要求，根据南沙区域潮位特性，南沙站多年平均潮位为5.01 m，由于常水位是河涌较长时间保持的水位，原则上与外江多年平均潮位相衔接，因此常水位确定为5.00 m；考虑景观要求，正常高水位与正常低水位之间的水位差不宜过大，而且应该有利于通航，综合确定正常高水位为5.30 m，正常低水位为4.50 m，南沙站平均每天有8.6 h的时间潮位维持在4.50～5.30 m之间。

2)预降水位

据统计，南沙站多年高低潮平均值为4.62 m，多年低高潮平均值为5.53 m，即外江潮位多在4.62～5.53 m之间变动，涝区内河涌平时水位基本在4.50～5.30 m之间，因此为在排涝期间腾出更多的河涌库容蓄存涝水，排涝的预降水位确定为4.50 m，即在预报有台风暴雨期间，应利用外江低潮期间将片区水位降至4.50 m附近，如果已出现持续降雨，应利用水闸自排或开泵抽排的方式将涝片河涌水位维持在4.50 m。

3)排涝安全管控水位(内河涌最高控制水位)

排涝安全管控水位为区内发生暴雨涝水时，经过内河涌调蓄及水闸、泵站的运行，内河涌达到的最高水位。万顷沙网河区现状75.48%的地面高程在6.00 m以下，新建的厂区地面普遍抬高，在6.50～7.00 m之间，现状排涝安全管控水位为6.20 m。

4)河涌水位-容积曲线

在本研究区域内的各条河涌现状宽度均可满足过流要求，不需要进行扩宽。根据实测地形资料计算万顷沙保税港加工制造业区块内万八涌～万十一涌水位-涌容曲线，并根据比例确定全河段长度水位-容积曲线。计算范围内涌容通过其他地形测量成果按比例获得。

5)外江潮水位

采用典型潮位过程线通过相应比例而得到5年一遇外江潮位过程作为外江水位计算条件。

6)内涝水位和外江水位组合

在刘曾美等[12]和谢华等[13]采用Copula函数对珠江三角洲感潮河网地区洪潮遭遇研究的基础上，对以下内河涌水位与外江潮位的典型水文组合进行蓄排涝计算。

水文组合：片内20年一遇暴雨洪水遭遇外江5年一遇潮位过程。

采用最不利的遭遇情况：洪峰早于外江最高潮位1 h出现，以分析计算泵站流量，并复核水闸规模。

3 结果与分析

3.1 调蓄计算结果

表 1 各水闸建筑物规模 Table 1 Scale of each sluice building

调蓄计算时，首先根据万顷沙网河区的排涝工程总体布局，结合工程布置特点，并参考《广州南沙新区防洪(潮)排涝专业规划》中有关内容，拟定各水闸规模和泵站规模经试算、分析、比较，最终确定满足排涝区排涝需求且经济合理的设计规模，初拟万顷沙网河区各水闸和泵站规模基本情况，各水闸情况见表1。

万顷沙网河区各水闸的闸外水位采用外江的潮位过程，内河涌水位采用内河涌调蓄计算结果中的水位。排涝区现状无泵站工程，按规划考虑，泵站总抽排流量为65 m3·s-1(规划建设万十涌东泵站和万十一涌西泵站，二者的抽排流量分别为45 m3·s-1和20 m3·s-1)。

在拟定工程区块内各水闸泵站建筑物规模的基础上，忽略水面比降，采用以水量平衡为原理的“平湖法”进行排涝演算，结果见表2。

表 2 万顷沙网河区调蓄计算结果Table 2 Calculation results of regulation and storage of Wanqingsha Network River Area

表 3 万十涌洪水计算结果(P=5%) Table 3 Flood calculation results of Wanshi River (P=5%)

从排涝调蓄演算成果来看，涝区典型水文组合情况下，内河涌最高水位6.15 m，泵站抽排历时约11 h，抽排流量65 m3·s-1满足排涝需求。

3.2 洪水计算成果

用一维水动力数学模型MIKE11，建立万顷沙网河区一维河网水动力数学模型，计算河涌水位和最大流量等的变化过程。根据表2计算结果，按规划实施排涝体系下万十涌东水闸处最大过流流量45 m3·s-1(泵排)，泵站运行期间内河涌水位低于外江水位，水闸未开启。本研究以万十涌计算洪水成果作为实例，详见表3和表4。

从表3可以看出，规划条件下万十涌节点洪水位低于排涝安全管控水位和现状堤顶高程，因此万十涌重建规模、泵站抽排流量合适，结合片区泵站排水能力，使片区达到20年一遇24 h暴雨不成灾。

万十涌规划防洪标准为20年一遇，由以上计算结果可知，在规划防洪标准条件下，涝区水闸、泵站参数选取是合适的，内河涌水位在管控水位6.20 m以下；根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)，“水闸闸顶计算高程应根据挡水和泄水运用情况确定；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位或校核洪水位与相应安全加高值之和”，且校核洪水位情况作为特殊荷载组合运用于水闸、泵站结构荷载校核计算。因此，本研究对区域内50年一遇暴雨洪水遭遇外江5年一遇潮位过程工况进行了计算，详见表5。

在50年一遇超标准情况下，万十涌水位最高约6.33 m(表5)，超过了片区管控水位，若以后防洪标准提升，需在片区合理增设排涝泵站规模满足管控水位要求。

表 4 万顷沙网河区各河涌水位计算结果(P=5%) Table 4 Water level calculation results of each rivers in Wanqingsha Network River Area (P=5%)

表 5 万顷沙网河区各河涌水位计算校核结果(P=2%) Table 5 Water level calculation and verification results of each rivers in Wanqingsha Network River Area(P=2%)

4 结论

1)采用以水量平衡为原理的“平湖法”对万顷沙网河区进行排涝调蓄演算的结果表明，涝区典型水文组合情况下，内河涌最高水位6.15 m，泵站抽排历时约11 h，抽排流量65 m3·s-1满足排涝需求。

2)基于一维水动力数学模型MIKE11对万顷沙网河区河涌水位和最大流量等的变化过程计算结果表明，规划条件下，万十涌节点洪水位低于排涝安全管控水位和现状堤顶高程，因此万十涌重建规模、泵站抽排流量合适；结合片区泵站排水能力，可使片区达到20年一遇24 h暴雨不成灾。此外，万十涌规划防洪标准为20年一遇，在规划防洪标准条件下，涝区水闸、泵站参数选取是合适的。

3)在50年一遇超标准情况下，万十涌水位最高约6.33 m，超过片区管控水位，表明当防洪标准提升，片区需合理增设排涝泵站规模，以满足管控水位要求。