城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治案例分析

梁华强

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300300)

城市河涌洪潮河道是城市的主要组成部分之一，在城市防洪排涝、营造生态环境等方面有非常重要的作用。但随着城市社会经济的飞速发展，城市河涌洪潮河道污染和淤积问题愈发严重，严重限制了城市河涌洪潮河道防洪排涝作用的发挥。传统整治方法为集中清淤，提升河道泄水效果，但此种整治措施的局限性比较大，难以从根本上解决洪涝灾害，而采取“上蓄、中疏、下排”的方法，能够从根本上解决这一问题，最大限度提升城市河涌洪潮河道防洪排涝能力，解决城市洪涝灾害。基于此，开展城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治措施的分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

本次整治工程范围内河涌密布，明渠、暗涵交错，经多次现场勘查及梳理，基本理清了河涌水系情况。该水系属于东江水系，总体呈从北向南分布，流域面积约44.6 km2。水系上游分三支，由西向东依次为细陂河、埔安河和凤凰水，三条支流于沙村附近汇合为水南涌(东西走向，渠化，宽度约20～30 m)。而后，温涌水系向南分为左右两条河涌汇入东江北干流，其中，东汊为温涌干流，已基本渠化，长约2.5 km，宽度约为25～30 m；西汊为水南支涌(下游黄埔段又称为“金紫涌”)，长约3.8 km，宽度约为15～20 m。上游三支流中，埔安河发源于刘村大山，终点为增城区新塘镇新塘大道，汇入水南涌，总长约11.4 km，流域面积为12.9 km2；细陂河发源于黄埔区长坑，终点在新塘大道西汇入水南涌干流处，总长约11.0 km，流域面积为13.9 km2；凤凰水主涌起点为凤凰城，终点为新塘大道，总长约11.2 km，流域面积为10.7 km2。凤凰水上游又分为三支，分别为陈家林涌和凤凰水西支流、凤凰小东支流,具体的河流水系分布如图1所示。

图1 河流水系分布图

本次物理模型试验主要研究水系中下游部分，即陈家林涌、凤凰水西支流、凤凰水东支流、细陂河和浦安河5个上游边界入口(给定流量或流量过程)，具体模型范围及布置见图2，经统计，模拟水道总长度约为8.5 km。同时，为模拟河流漫溢及预留新建工程方案空间，模拟范围由河岸向两侧适当扩展。模型包括进水量水堰、进水渠、前池，出水控制尾门、量水堰及回水渠等，经换算本模型占地面积约为5 000 m2。

图2 物理模型范围示意图

2 目前存在的主要问题

城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治具有很强的综合性和技术性，为更好地开展整治工作，必须深入现场进行全面调研。调研结果显示，案例河道在防洪排涝方面存在很多问题，具体的现状调研实体图见图3。

从现场调研的结果上来看，案例河道在防洪排涝方面存在的问题主要体现在以下几个方面：

1) 流域内水利设施标准偏低，不适应城市发展需要。本河道防洪防潮的主要基础设施有两个，一个是河道堤防，另一个河口水闸，按照20年一遇的标准进行规划。但从目前实际应用的角度来看，防洪排涝远远没有达到设计规划的标准。其中部分堤段尚未达标，且下游出水口南闸和石沥口水闸经过多年的运行，风化冲蚀严重，存在关键时刻无法正常使用的风险[1]。

2) 该河道上游开发程度比较高，原有的一些小水库、山塘等，侵占严重。比如，凤凰水约1.8×104m2的水域、埔安河上游约7×104m2的山塘因城市规划所需被填筑，致使该河道上游调蓄能力比较弱，滞蓄能力严重不足。再加上下垫面硬化严重，致使流域汇流速度比较快，径流系数比较大，使得洪水量比较大，大大增加了中下游防洪的压力。

3) 案例河道的内河河涌复杂，路网结构四通八达，有多条市政道路、铁路跨越河道，形成了多个过流卡口[2]，尤其是凤凰水中游的问题尤为突出。广园快速路、广深铁路、广深高速、107国道等跨河建筑物使河道的过流能力大幅度降低，而且河道中还存在着大量违法建筑，使河道断面被近一步缩减，严重影响了洪水的过流能力，致使洪涝灾害一直威胁着城市的安全。

3 城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治措施

3.1 综合整治的总体方案

就案例河道而言，为提升防洪排涝效果，在具体整治中需要严格遵循“以流域为体系，排涝分区为单元，蓄排结合，系统治理”的原则，统筹防洪排涝综合治理，蓄、排、疏等多方案并举的措施，以更好地解决河道防洪排涝问题。针对目前该河道的现状，仅凭河道清淤的整治措施难以满足对防洪排涝的需求，只能采取“上蓄、中疏、下排”相互结合的综合整治措施。具体包括：水库挖潜改造，调蓄区和湿地建设，打通河道过流瓶颈，河道扩宽清淤，泵站建设等。通过多措并举，有效解决了河道的洪涝问题，使得该河道能够应对30年一遇的暴雨侵袭[3]。

3.2 上 蓄

针对案例河道上游山塘被侵占、被回填导致蓄洪能力下降的问题，需要在凤凰水上游、埔安河上游合理布设调蓄区域，同时挖掘埔安河上游现有水库的调蓄能力，提升洪水蓄滞效果，以减轻中下游防洪排涝的压力。具体做法如下：从东支流汇口至汇入水南涌处计，凤凰水河道长度约2.5 km，本河段最大的卡口为广深铁路桥涵洞，其上下游水位差达1.38 m，占全河段首尾水位差(1.99 m)的69%，阻水效应十分显著。水流在该处出现明显的跌流现象，并在下游形成水跃，上下游水流缓急变化十分明显[4]。并且，此河段另外一个卡口布设在西支流入口位置。此位置凤凰水河涌宽度突然变窄，宽度不足4 m，而上下游基本都在8 m左右，减少了近50%。再加上西支流入汇水流直冲顶托效应，使得上游水流无法顺利流过，卡口上下游水位之间的差距最大达到0.26 m。西支流汇入口处流态(P=20%)具体模型如图4所示。

图4 西支流汇入口处流态图(P=20%)

从图4可以看出，此位置上下游水路缓急界限分明，其水流的平均流速在0.5～1.8 m/s之间。而广深铁路桥以下凤凰水南北向段水面线比较平缓(平均比降约为0.3‰)，尽管有多座跨河桥涵，但并未出现明显的壅水情况，一般都在10 cm以下，阻水效应相对较弱。如京港澳高速桥下涵洞上下游水位差为8 cm，107国道桥上下游水位差为6 cm。该段水流流态见图5。

图5 凤凰水南北向段流态图(P=20%)

当闸门全部打开时，水闸过流形态为平底宽顶堰堰流，处于高淹没度(hs/H0≥0.9)，按照《水闸设计规范》中的规定[5]，闸孔总净宽计算公式为：

(1)

(2)

式中:Q表示过闸的流量,m3/s；B0表示闸孔总净宽,m；g表示重力加速度,m/s2；H0表示计入行近流速水头的堰上水深，对于闸前水面较宽的水闸，不应计入行近流速,m;hs表示有围堰顶部算起的下游水深,m；μ0表示淹没围堰流的综合流量系数。

按照式(1)和式(2)计算可知，设计闸孔净宽采用12 m即可满足要求。

案例工程按照从东支流汇口至汇入水南涌处计，凤凰水河道长度约2.5 km，其水面线情况如图6所示。

图6 凤凰水水面线(P=20%)

从图6可以清楚看出，本河段(也是研究范围内全部河涌)最大的卡口为广深铁路桥涵洞，其上下游水位差达1.38 m，占全河段首尾水位差(1.99 m)的69%，阻水效应十分显著。水流在该处出现明显的跌流现象，并在下游形成水跃，上下游水流缓急变化十分明显。

3.3 中 疏

案例河道流域过流瓶颈比较多，而且多个河段存在水流不够通畅的问题。通过对河道沿线和关键瓶颈卡口进行有效疏通处理，并对凤凰水跨广园路、广深铁路、广深高速、107国道的箱涵进行拓宽处理，在铁路和公路沿线布设管涵和排水沟，以提升排水效果[6]。此外，还综合整治凤凰水、水南涌、水南支涌、温涌等，从而达到全面改善排水水流流态的效果[7]具体做法如下：

中疏措施,包括河道疏浚拓宽、新增过流通道以及卡口改造等，主中疏的位置主要集中在河道的上游和下游。在整治过程中，“上蓄、中疏、下排”措施在具体实施中，相互之间必然存在一定的影响，为提升整治效果，先实施措施A，观测A引起的水位变化a；再增加措施B，观测B引起的水位变化b,得出A+B条件下引起的水位变化a+b；依次类推，然后再分析此种中疏措施防洪排涝的效果，最后结合现场实际情况，提出整改措施，形成完善的整治方案。与现状试验相同，效果论证试验也采用5年一遇组次，峰峰相碰，即上边界为5年一遇洪峰流量，具体数值见表1;下边界为百年一遇高潮位，温涌涌口2.71 m,水南支涌区界处2.9 m。

表1 中疏措施效果验证试验边界控制条件表

从表1中可以清楚看出，水南涌、温涌和水南支涌的整治措施对凤凰水上游水位造成的影响比较明显，铁路以北河涌水位降低主要是通过凤凰水广深铁路附件的几个卡口的疏通和扩宽达到的[8]。本工程东侧管涵及排水渠扩建后水位变化情况(P=20%)如图7所示。

图7 东侧管涵及排水渠扩建后水位变化情况(P=20%)

设计方案中，排水渠出口转角接近90°，其出流与现状箱涵出流顶冲、挤压，流态较差。根据试验观测，建议出口改为圆角(半径为9 m)顺接下游河道，修改后排水渠出流导向河涌左侧，而现状箱涵出流则基本在右侧，相互之间影响减弱，流态有所改善，洪水下泄更为顺畅。

3.4 下 排

针对无强排设施、存在水浸低点等问题，在温涌、水南支涌设闸(泵)站，增加排水能力。本次试验模拟范围为流域中下游，主要针对“中疏”和“下排”的措施进行研究，凤凰水以5年一遇洪水为研究组次，可选择“0+0”“80+80”“110+110”和“130+130”四种泵站工况组合(即下排的强排措施，表示各相同泵站的组合，其中0，80，110，130分别表示水泵每秒的流量(m3/s)，因为上游为一个水系，到下游分成两个出口，所以需要2个泵站)。试验结果表明，随着泵站规模的增加，埔安河汇口下游和凤凰水末端处的最高洪水位随之下降，在“110+110”组合下已分别下降1.06 m和1.10 m，效果比较明显；若泵站规模继续增大“130+130”，下降值则分别为1.30 m和1.44 m。

针对30年一遇洪水，试验了“0+0”“80+80”“110+110”“130+130”“160+160”“180+180”和“220+220”七种泵站规模组合。当泵站规模增加至“110+110”时，埔安河汇口下游和凤凰水末端处的水位降幅仍然较小，分别下降0.31 m和0.19 m；泵站规模继续增加，水位降幅开始明显增加，至“180+180”时，两位置水位分别下降1.54 m和1.45 m；泵站规模进一步增加，水位降幅又趋于平缓[9]。可见，在两泵站规模相同的情况下，“180+180”的泵站组合对于30年一遇洪水是一个合适的临界组合，单独实施凤凰水疏通措施会一定程度上增加下游的洪涝灾害程度，因此必须同时在下游采用相应措施形成完整防洪排涝体系。凤凰水疏通措施实施后下游水位变化示意图(P=20%)如图8所示。

图8 凤凰水疏通措施实施后下游水位变化示意图(P=20%)

最高洪水位随着泵站流量增大有所减小，但需要泵站流量大于60 m3/s(泵站为60 m3/s时其对降低最高洪水位的作用较小)，其最高洪水位才会低于现状闸排工况，且泵站流量越大，其效果越明显。从计算结果来看，当两个泵站流量均达到80 m3/s时，温涌、水南涌的最高洪水位有较明显的下降，其中水南涌中部的最高水位较纯闸门工况低1.0 m左右。温涌口最高洪水位较纯闸门工况低0.68 m左右；当两个泵站流量均达到120 m3/s时，温涌、水南涌的最高洪水位下降效果最明显，如水南涌中部的最高水位较纯闸门工况低1.63 m，温涌口最高洪水位较纯闸门工况低3.61 m左右。在高架桥下新建箱涵出口位置，同样由于两股水流汇合相互顶冲、挤压，流态较差。为此，将新建箱涵右侧岸线后撤(最大后撤距离6 m)，同时在两出口之间修建9 m长的隔墙，将两股水流分别导向下游河道的两侧，减少相互影响，改善下泄流态。具体的高架桥下新建箱涵出口附近工程优化建议如图9所示。

图9 高架桥下新建箱涵出口附近工程优化建议图

4 施工效果分析

结合区域现状水系、既有水利工程设施分布情况，按照“上蓄、中疏、下排”的工程布局，进行水库挖潜改造，调蓄区和湿地建设，打通河道过流瓶颈，河道扩宽清淤，闸站建设等。通过本工程的建设，缓解了流域内涝问题，使整个流域能够有效应对30年一遇暴雨，施工效果显著。本工程的实施，有助于区域的防洪排涝，极大改善两岸及周边的生态环境，景观节点的构建又将提升周边群众的生活质量，促进当地的旅游发展，对区域的社会发展和人居环境建设有较大促进，社会效益及环境效益显著，值得类似工程参考借鉴。

5 结 语

综上所述，结合工程实例，分析了城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治措施。结果表明,在城市河涌洪潮河道防洪排涝综合整治中，采用“上蓄、中疏、下排”相互结合的方法，可大幅度提升河道防洪排涝的效果。“80+80”规模组合对于5年一遇洪水效果较好，可将水南涌最高洪水位降低0.5 m左右，但对30年一遇洪水的最高洪水位防洪排涝效果较小，仅可起到预腾涌容、缩短淹没时间、降低洪水过程平均水位的作用。