深圳大空港新城截流河防洪防潮与治涝工程体系研究

郑震宙

(深圳市水务工程建设管理中心，广东 深圳 518055)

1 项目概况

为保证大空港新城防洪(潮)、排涝安全，缓解城市建设对水系生态环境的冲击，拟对截流河及南、北连通渠进行综合整治，总整治长度约8.8 km，其中新开挖截流河长为6.4 km，在原有河涌上拓宽加深南、北连通渠，防洪标准为100年一遇，防潮标准为200年一遇，内涝防治标准为50年一遇。

新建截流河河底宽为80～120 m，河堤设计控制高程为4.84 m，河道采用梯形复式断面。截流河起点位于茅洲河口，由北往南依次有德丰围涌、石围涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福河、塘尾涌、和平涌以及玻璃围涌汇入，最后通往珠江口。

为缩短雨水排放距离、减少截流河排洪压力[1]，南北连通渠分别在现状沙福河和下涌的基础上进行布置(见图1)，北连通渠长度为2.1 km，河底宽度为44 m，河堤设计控制高程为3.5 m，河道采用梯形复式断面；南连通渠长度为2.4 km，河底宽度为4 0 m，河堤设计控制高程为6.8 m，河道采用矩形断面。

图1 工程地理位置示意

2 水文分析计算

2.1 洪水特性

大空港地区降雨量年内变化明显，具有明显的季节性。暴雨主要集中在汛期(4—10月)，强度大、季节长。由于大空港地区河流短小，河道穿越城区，地面的硬化使天然状态下的壤中流直接形成了地表径流，加大了地表径流系数，缩短了汇流时间。同时，由于该区域暴雨历时短、强度大的特点，决定了该区域的洪水具有陡涨陡落的特性。

2.2 设计洪水

采用设计暴雨推求各河涌截流河及上游控制断面设计洪水(见表1)，其中沙福河上游有水库工程控制，根据水库调洪演算推求设计洪水。

表1 各河涌主要控制断面设计洪水成果

2.3 洪水过程线计算

在截流中部(位于和二涌与沙福河之间)设置一座节制闸，节制闸以北的河段功能为排涝，节制闸以南的河段功能为防洪。根据区域内河网水系分布情况、潮汐特性等，采用MIKE水动力模型进行模拟分析洪水过程线[2-3]。

1)南片区各河涌洪水过程线计算

南片区采用节制闸以南的沙福河、塘尾涌、和平涌、玻璃围涌设计洪水过程线作为模型输入的边界条件，南片区各河涌截流河断面设计洪水过程线见图2、图3所示。

图2 南片区河涌截流河断面洪水过程线(P=0.5%)

图3 南片区河涌截流河断面洪水过程线(P=1%)

2)北片区各河涌洪水过程线计算

北片区集中泵站的起排水位为0.2 m，最高控制水位以区域内最不利受涝点为控制，最高控制水位为1.65 m。采用各河涌设计洪水过程线作为模型输入的边界条件，北片区各河涌截流河断面设计洪水过程线见图4、图5所示。

图4 北片区河涌截流河断面洪水过程线(P=0.5%)

图5 北片区河涌截流河断面洪水过程线(P=1%)

2.4 洪潮遭遇分析

感潮河流能否容纳暴雨带来的洪量，要视其暴雨强度、河口潮水位及这些影响在时间上的互相组合而定[4-5]。根据大空港地区河流的特性，茅洲河等河流洪水的主峰段一般为24 h所控制，故采用24 h时段雨量与对应的潮位进行组合遭遇分析。

根据赤湾站历年24 h最大雨量及相应的高潮位统计数据，与年最大24 h雨量相应的赤湾站的最高潮位一般都小于多年平均最高潮位2.12 m，因此，若用多年平均最高潮位与设计洪水相遭遇，已基本上能外包历年所出现过的年最大洪水与潮汐的遭遇情况，是一种安全的设计洪潮组合方式。

根据赤湾站历年最高潮位及相应24 h雨量统计，赤湾站历年最高潮位，相应赤湾雨量站最大24 h降水量为123.1 mm，小于该站年最大24 h降水量多年平均值170.9 mm。因此，若用多年平均年最大24 h暴雨所产生的洪水与设计年最高潮水位遭遇，已基本上能外包历年所出现过的年最高潮位与洪水的遭遇情况，是一种安全的设计潮洪组合方式。

因此，采用设计标准下的洪水(潮位)与多年平均潮位(洪水)组合的外包线，作为河道治理的设计水面线是合理的并且是安全的。

3 工程设计

通过建设截流河、南北连通渠、水闸泵站等工程，为大空港新城启动区构建完善的防洪潮治涝体系，同时缓解旧城区的排涝压力。

3.1 防洪工程

防洪工程需对截流河，南、北连通渠和现状9条河涌进行综合治理，其中9条河涌总长度为44.19 km。防洪工程在满足河道防洪标准的同时，结合周边用地属性、居民的需求、河流生态理念[6-7]，打造环水绕城的空间格局，营造滨海城市特色。

1)现状河道防洪能力复核

由现状河涌防洪标准达标情况统计数据可知：现状区域河道防洪工程对应20年一遇标准下不满足防洪要求的河长约30%，对应50年一遇标准下不满足防洪要求的河长约为37%(见表2)。

表2 现状河涌防洪标准达标情况统计

2)拟建河道防洪能力分析

利用MIKE 水动力模型从行洪能力的角度对截流河及连通渠的堤距进行分析，截流河水域宽度在30～120 m范围内尝试变化，连通渠水域宽度分别选择30 m和60 m两种情况，分析不同设计堤距的情况下对截流河行洪能力的影响。选取A、B、C、D、E 5个断面位置的水位进行比较分析(见图6)：A、B位于截流河北段，C位于中段，D、E位于南段。

图6 截流河水系模型及控制断面位置示意

由图7、图8可知：在100年一遇设计洪水工况下，截流河与连通渠的水域宽度选择对防洪高水位影响很大。当连通渠水域宽度选择60 m，截流河水域宽度在80 m左右时，遭遇100年一遇洪水时防洪水位趋于稳定，再增大截流河的水域宽度，河道的防洪高水位变化较小。因此，截流河水域宽度宜在80～120 m范围内根据城区规划进行控制。

图7 不同水域宽防洪高水位变化示意(连通渠宽30 m)

图8 不同水域宽防洪高水位变化示意(连通渠宽60 m)

3)横断面设计

在横断面设计中，首先需要保证河道行洪的安全和河道护岸自身的结构安全，同时从生态及人与自然和谐共处的理念出发，最终达到防洪、生态、景观高度融合的目标[8]。

采用缓坡形式，护岸材料在二级平台水下采用挡墙或是灌注桩作永久堤岸，二级平台以上采用草皮护坡。截流河南段为与会展中心功能需求匹配，护岸形式采用梯级护坡，护坡材式采用条石或砼加铺装堆砌。除此外在与截流河北段与北节制闸衔接处、北连通渠与出口节制闸衔接处采用悬壁式挡墙。南连通渠位于会展中心的1期和2期用地之间，且挡墙高度较高，明渠段采用扶壁式挡墙，在1期与2期的连接通道下采用箱涵。

3.2 防潮工程

在截流河南、北出口及南、北连通渠出口分别设置挡潮闸，4座挡潮闸与现状西海堤一起，组成封闭的防潮工程体系。

独立防潮方案是针对总体规划中的各个地块分别建设独立的防潮系统，在每条支流汇入截流河处设置挡潮水闸。半独立防潮方案是在规划湿地廊道西侧区域按地块设置独立的防潮系统，在现状西海堤以东区域，利用在截流河及南北连通渠上设闸，以实现封闭防潮系统的目的。本次采用后者方案，该方案与独立防潮方案的主要区别是取消各支流汇入截流河处的挡潮水闸，而新设4座规模较大的水闸，优点是截流河及南北连通渠在现状西海堤以东部分仍然可以按河道治理标准进行整治。独立防潮、半独立防潮方案平面示意见图9。

图9 独立防潮、半独立防潮方案平面示意

3.3 治涝工程

流域总体的治理体系由源头调蓄、管网收集排水、河道排水组成，河道排水是治涝体系的末端[9]。

通过研究现状河道水面线、现场调查和地形高程分布以及现状排水管网等基本情况，并且对现状易涝区分布及受涝原因进行分析[10]，为充分利用截流河水系的调蓄能力和连通性，采用北片区集中治涝方案。

北片区集中治涝方案在截流河北段和二涌与沙福河河口间设置节制水闸，使高、低水分离，在截流河北出口设置集中抽排泵站，将北片区雨水排入截流河封闭区域进行集中抽排。南片区整体地势较高，具备自排调整，故南片区来水通过截流河南段及南连通渠自排出海。

1)现状排涝能力

大空港片区现状排水管网排水能力较差，<1年一遇的管渠占31.8%，1～2年一遇的管渠占9.9%，2～3年一遇的管渠占6.6%，3～5年一遇的管渠占7.7%，≥5年一遇的管渠占43.9%。

结合汇水范围地面高程统计分析，根据现场易涝点调查资料(见表3)，研究区域内涝区面积共约3.48 km2。

表3 大空港片区易涝区面积统计 km2

2)泵站总体布置

排涝泵站位于截流河北出口，受限于周边现状高速公路、拟建铁路及市政道路限制，泵站与截流河北节制闸布置在规划截流河北出口河道弯道后段。泵站与北节制闸组成枢纽布置，根据水闸水力条件，水闸布置在北侧，泵站布置在南侧，水闸和泵站并列布置，总布置宽度约为140.0 m，泵站布置宽度为50.0 m，水闸布置约为73.0 m，中间设置宽为17.0 m导流岛。

3.4 工程总体布置

根据工程防洪治涝布局，按分区治涝原则[11-12]，北片区德丰围涌至和二涌5条支流排水采用集中抽排，在截流河北出口设置集中抽排泵站，并设置在北片区设置3座水闸拦蓄外水，即在截流河和二涌与沙福河中间设置中节制闸1座，截流河北出口和北连通渠出口各设置节制闸1座。

南片区沙福河到玻璃围涌排涝以自排为主，根据挡潮布局及结合截流河景观蓄水要求，在截流河南出口及南连通渠出口布置节制闸，主要挡潮、蓄水、行洪，同时与北片区3座节制闸和集中排涝泵站组成闸泵联调体系，共计布置5座节制闸(见图10)。

图10 防洪(潮)治涝工程总体方案示意

4 内涝模型计算分析

该方案的运行方式为：平时关闭北节制挡潮并拦蓄截流河，控制内河水位，在洪水来临并且外潮位低于排涝水位时，截流河北闸开闸泄洪，挡外江潮位高于排涝控制水位时，北节制闸联合中节制闸和北连通渠节制组成治涝体系，并且开启排涝泵站抽排涝水。

基于上述治涝工程方案，本文针对大空港截流河以东旧城区城市内涝风险进行计算分析。

4.1 计算模型

内涝风险采用DHI MIKE FLOOD软件进行分析[13]，调用3个独立的软件模块进行耦合计算，包括MIKE URBAN、MIKE 11和MIKE 21，本次模型中包含汇水区为5 192个，节点为5 419个，管道为3 411段。

4.2 输入条件

模拟了2年和50年一遇设计暴雨的内涝积水过程，由于导致内涝的暴雨一般为短历时强降雨，本次选取表4中最大6 h降雨作为水文输入条件。

表4 各种工况下降雨统计 mm

4.3 现状内涝计算结果

2年一遇、50年一遇降雨情况下，溢流点最长的溢流时间分别为2.5 h和8.3 h；溢流时间超过5 h分别有2个、45个。

当发生2年一遇降雨时，积水深度大于15 cm且超过30 min的面积总计为0.58 km2；当发生50年一遇降雨时，积水深度大于15 cm且超过30 min的面积达2.57 km2(见图11)。

图11 现状50年一遇内涝分析示意(单位：m)

4.4 整治后内涝计算结果

根据计算，2年一遇、50年一遇降雨情况下，溢流点最长的溢流时间分别为0.9 h和3.6 h。

当发生2年一遇降雨时，积水深度大于15 cm且超过30 min的面积总计为0.08 km2；当发生50年一遇降雨时，积水深度大于15 cm且超过30 min的面积约为0.17 km2(见图12)。

图12 整治后50年一遇内涝分析示意(单位：m)

由此可见，由于干支流整治和集中排涝泵站的设置，水系在排涝时的承泄能力得到极大提高，在暴雨时虽然部分城区遭遇一定程度的积水，但内涝灾害程度大幅降低。

5 结语

针对大空港新城防洪排涝情势，提出了对南北防治特征分区而治的原则，北片区通过中节制闸及在截流河北出口和北连通渠出口新建节制闸与堤防护岸形成封闭防洪(潮)体系，南片区截流河南出口与南连通渠则直接入海，并在各出口新建节制闸排洪防潮，与截流河、连通渠堤防护岸形成南片区防洪(潮)体系。

采用DHI MIKE FLOOD软件建立内涝计算模型，计算结果表明，采取工程措施后，发生50年一遇降雨时，积水深度大于15 cm且超过30 min的面积由2.57 km2下降到0.17 km2，内涝灾害程度大幅降低。本文研究成果通过深圳市发展和改革委员会的审批，并于2018年1月开工，计划于2022年12月完工，工程的实施对于解决大空港新城区防洪治涝、水质改善与提升具有重要意义。