珠三角平原河網(wǎng)區(qū)洪澇“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

李媛媛，楊輝輝，何 俊

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

珠江三角洲平原河網(wǎng)區(qū)地勢(shì)低洼，同時(shí)受上游流域洪水、本地暴雨、外海臺(tái)風(fēng)暴潮影響，極易引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。珠江三角洲是華南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，粵港澳大灣區(qū)城市群均位于珠三角平原河網(wǎng)區(qū)，解決好珠三角的防洪排澇問(wèn)題對(duì)助力大灣區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展有著重要意義。

1 洪澇外排工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

位于珠三角平原河網(wǎng)區(qū)的城市群由眾多的聯(lián)圍保護(hù)，聯(lián)圍內(nèi)河涌縱橫交錯(cuò)，閘泵眾多，水動(dòng)力條件復(fù)雜。圍內(nèi)的防洪排澇主要依靠調(diào)蓄水系、水閘、泵站群的“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”，實(shí)現(xiàn)圍內(nèi)河網(wǎng)水系與外江的水體交換和聯(lián)通。位于珠三角磨刀門(mén)東岸的中珠聯(lián)圍涉及中山、珠海兩市，聯(lián)圍內(nèi)各骨干河涌出口建有七座大中型水閘，圍內(nèi)共有大小河涌40余條，水閘21座、排澇泵站43座；圍內(nèi)的澇水外排和水體交換主要依靠這些閘泵群的“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于各聯(lián)圍相對(duì)獨(dú)立，“聯(lián)調(diào)聯(lián)排”模式下閘泵群工程規(guī)模的確定，需要從聯(lián)圍或排澇分區(qū)整體入手。在上世紀(jì)90年代，多采用排澇模數(shù)法、平均排除法等來(lái)確定排澇設(shè)計(jì)流量，但排澇模數(shù)、平均排除法僅按總水量平均排除，一定程度上不適用于復(fù)雜平原河網(wǎng)區(qū)的排澇計(jì)算[1]。近年來(lái)，水動(dòng)力學(xué)模型大量應(yīng)用于平原河網(wǎng)區(qū)的閘泵群聯(lián)合調(diào)度的水動(dòng)力、水環(huán)境等方面的研究，陳國(guó)軒等采用MIKE11一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)東莞水鄉(xiāng)聯(lián)圍筑閘防洪影響進(jìn)行分析[2]，杜偉華等采用河網(wǎng)水動(dòng)力模型對(duì)珠三角蕉東聯(lián)圍的排澇調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化[3]，胡曉張等采用一維水量水質(zhì)耦合模型對(duì)珠三角河網(wǎng)閘泵群調(diào)度模式進(jìn)行優(yōu)化[4]，錢(qián)睿智等通過(guò)建立揚(yáng)州市中心城區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力水環(huán)境模型，模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化現(xiàn)有閘泵聯(lián)合調(diào)度方式[5]，但上述研究主要是采用河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)閘泵群的聯(lián)合調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化研究，較少應(yīng)用于平原河網(wǎng)區(qū) “聯(lián)排聯(lián)調(diào)”模式的閘泵群工程設(shè)計(jì)。

2 珠三角平原河網(wǎng)區(qū)“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”工程設(shè)計(jì)

珠三角平原河網(wǎng)區(qū)的洪澇外排一般采用調(diào)蓄、自排、抽排相結(jié)合的模式。結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，對(duì)天然調(diào)蓄水系進(jìn)行整治、疏浚和聯(lián)通，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步結(jié)合城市建設(shè)和“留白增綠”，優(yōu)先利用自然洼地、園林廣場(chǎng)、坑塘溝渠等進(jìn)一步增加雨水調(diào)蓄空間，構(gòu)建連續(xù)完整的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施體系[6]。在排澇工程體系中，水閘是防洪(潮)和自排澇水的重要建筑物，骨干水系出口處一般設(shè)置水閘；泵站建設(shè)按“分散建站、適度集中、聯(lián)合運(yùn)行、統(tǒng)一調(diào)度”的原則布置，結(jié)合區(qū)域河涌互相連通的實(shí)際情況，為使泵站排水線路不至太長(zhǎng)，泵站布置需結(jié)合地形、地勢(shì)、河網(wǎng)分布及外江洪(潮)特點(diǎn)等因素綜合考慮，合理選址。為充分排除澇水，可根據(jù)預(yù)報(bào)水情，在暴雨前期盡可能利用水閘自排調(diào)蓄水系水位降至較低水位，必要時(shí)可輔以抽排預(yù)降水位；關(guān)閘期間遇暴雨可利用調(diào)蓄水系的容積盡量調(diào)蓄澇水，當(dāng)圍內(nèi)持續(xù)降雨、滿足水閘、泵站啟用條件時(shí)，開(kāi)啟水閘、泵站排除澇水。

根據(jù)多年的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，珠江三角洲平原河網(wǎng)區(qū)地勢(shì)平坦，各聯(lián)圍面積不大，聯(lián)圍內(nèi)河涌密布且比降較小、水流流向不定、滯蓄能力較強(qiáng)，故可以將聯(lián)圍內(nèi)河涌等具有調(diào)蓄作用的水系概化為等容積的湖泊(水庫(kù))，采用基于水量平衡原理的“平湖法”計(jì)算閘泵群的工程規(guī)模。此外，可采用水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)珠三角地區(qū)復(fù)雜的河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，在模型中加入水閘、泵站調(diào)度模塊模擬各工程的排澇調(diào)蓄過(guò)程，通過(guò)試算最終確定各水閘、泵站工程的規(guī)模。

2.1 “平湖法”計(jì)算原理

“平湖法”的基本計(jì)算原理為水量平衡法。將聯(lián)圍內(nèi)河涌等具有調(diào)蓄作用的水系概化為等容積的湖泊，在水閘、泵站排水時(shí)，僅引起河網(wǎng)水面水平升降，忽略水面比降?！捌胶ā彼科胶夤饺缦拢?/p>

(1)

式中，Q1—時(shí)段初來(lái)水流量，m3/s；Q2—時(shí)段末初來(lái)水流量，m3/s；q1—時(shí)段初泄水流量，m3/s；q2—時(shí)段末泄水流量，m3/s；Δt—計(jì)算時(shí)段，s；V2—時(shí)段初蓄水量，m3；V1—時(shí)段末蓄水量，m3。

2.2 “一維非恒定流數(shù)學(xué)模型”計(jì)算原理

河網(wǎng)“一維非恒定流數(shù)學(xué)模型”采用半隱式有限元法進(jìn)行計(jì)算，其水流運(yùn)動(dòng)的基本方程由一維水流方程組及汊點(diǎn)連接方程組兩部分組成，具體方程如下：

(1)河道一維水流方程組

水流連續(xù)方程：

(2)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

(2)河網(wǎng)汊點(diǎn)連接方程組

質(zhì)量守恒方程：進(jìn)出每一汊點(diǎn)必須與該汊點(diǎn)蓄水量的增減相平衡，節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量守恒方程：

(4)

水位銜接方程：節(jié)點(diǎn)一般可概化成一個(gè)幾何點(diǎn)，出入各節(jié)點(diǎn)的水位平緩，不存在水位突變情況，則各節(jié)點(diǎn)相連汊道的水位應(yīng)等于該點(diǎn)的平均水位，即：

z=zi

(5)

3 計(jì)算實(shí)例

本研究以位于廣州市南沙區(qū)的大坳圍為例，說(shuō)明“平湖法”和“一維非恒定流數(shù)學(xué)模型”在平原河網(wǎng)區(qū)閘泵群工程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

3.1 項(xiàng)目區(qū)概況

大拗圍位于珠三角沙灣水道南側(cè)、蕉門(mén)水道西側(cè)、前海涌、沙角瀝東側(cè)，圍內(nèi)分布有甘崗、大拗、雙亦、萬(wàn)安、上燕等河涌。現(xiàn)狀面積21.1km2，其中河涌水面面積0.22km2。大坳口圍現(xiàn)狀共15座水閘與外部水道相連，總凈寬72m，共建有5座泵站，總的排澇流量8.24m3/s，現(xiàn)狀圍內(nèi)河涌控制水位為1.0m。

根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)水利規(guī)劃，規(guī)劃大拗圍排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇24h暴雨不致災(zāi)。大坳圍的洪澇外排為調(diào)蓄+自排+抽排相結(jié)合的模式，結(jié)合相關(guān)規(guī)劃，擬拓寬大坳涌、大坳西丫涌、甘崗新涌、甘崗上燕涌、萬(wàn)安涌，并在北斗涌附近改造現(xiàn)狀魚(yú)塘為調(diào)蓄湖，面積0.36km2；規(guī)劃新建2座水閘，分別為甘崗新涌閘、上坭牛毛下閘；規(guī)劃新建4座泵站，分別位于大口涌、裕興涌、大坳涌尾和雙亦涌出口處。

3.2 “平湖法”調(diào)算排澇工程規(guī)模

結(jié)合該排澇工程規(guī)劃布局，采用“平湖法”調(diào)算大坳口圍現(xiàn)狀及規(guī)劃工況下水閘、泵站規(guī)模。大拗圍地勢(shì)低平，大部分地面高程為-0.2～0.9m，聯(lián)圍內(nèi)排澇方式多為調(diào)蓄輔以抽排(由于排澇期間外江潮位較高，水閘自排機(jī)會(huì)較少)。圍內(nèi)的河涌(或低洼水體)具有一定的調(diào)蓄容積，且分布比較均勻，各水閘、泵站出口距所在澇片最遠(yuǎn)端距離不遠(yuǎn)。實(shí)際排澇過(guò)程與“平湖法”的調(diào)蓄計(jì)算假定接近，可采用以水量平衡為基本原則的“平湖法”進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，通過(guò)反復(fù)試算，確定合理的排澇設(shè)施規(guī)模(包括泵站以及水閘)。

3.3 “一維非恒定流數(shù)學(xué)模型”調(diào)算排澇工程規(guī)模

模型上邊界至三善滘，下邊界至三沙口、洪奇門(mén)水道、蕉門(mén)延伸段及鳧洲水道出口，模型范圍示意如圖1所示。將區(qū)域主要河道及大拗圍內(nèi)河涌概化為365個(gè)直河段，204個(gè)汊口，1109個(gè)斷面。模型邊界共136個(gè)，其中水位邊界8個(gè)，流量邊界128個(gè)。在河網(wǎng)概化中，每條河道兩端均設(shè)有節(jié)點(diǎn)，河道與河道的連接均通過(guò)節(jié)點(diǎn)，水閘的上、下游也設(shè)有節(jié)點(diǎn)。

圖1 模型范圍示意圖

在模型中加入水閘、泵站調(diào)度模塊模擬圍內(nèi)閘泵群“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”的過(guò)程。模型不僅模擬水閘、泵站工程的規(guī)模、位置，還可模擬水閘、泵站群的控制運(yùn)行方式：當(dāng)外江水位低于閘前水位時(shí)，開(kāi)閘自排，當(dāng)外江水位高于閘前水位時(shí)，關(guān)閘擋水；關(guān)閘后，當(dāng)閘內(nèi)水位漲至常水位且降水持續(xù)時(shí)，開(kāi)啟泵站抽排，直到外江水位低于閘內(nèi)水位時(shí)，開(kāi)閘搶排。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)“平湖法”計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算可知，現(xiàn)狀工況下，由于河涌調(diào)蓄容積有限，泵站規(guī)模較小(8.24m3/s)，圍內(nèi)發(fā)生10年一遇設(shè)計(jì)暴雨洪水遭遇外江5年一遇最高潮位時(shí)，圍內(nèi)最高水位達(dá)2.28m，高于圍內(nèi)大部分地面高程0～2m，大坳口圍將受淹。規(guī)劃工況下，通過(guò)擴(kuò)寬河涌、開(kāi)挖湖泊、增加調(diào)蓄容積、新建水閘(總凈寬10m)，新建泵站(總規(guī)模達(dá)到36m3/s)，圍內(nèi)發(fā)生10年一遇設(shè)計(jì)暴雨洪水遭遇外江5年一遇最高潮位時(shí)，圍內(nèi)最高水位能控制在1.0m以下。大拗圍現(xiàn)狀工況下、規(guī)劃工況下的排澇調(diào)蓄過(guò)程如圖2—3所示。

圖2 大拗圍現(xiàn)狀工況下排澇調(diào)蓄過(guò)程圖

通過(guò)“平湖法”排澇調(diào)蓄過(guò)程可以看出，由于圍內(nèi)地勢(shì)較低，水閘開(kāi)閘自排的機(jī)會(huì)較少，故大坳圍的排澇問(wèn)題解決的關(guān)鍵是增加圍內(nèi)水體的調(diào)蓄容積，同時(shí)在水閘無(wú)法自排期間增加泵站規(guī)模。同時(shí)可以看出，“平湖法”調(diào)蓄過(guò)程是將聯(lián)圍內(nèi)具有調(diào)蓄作用的水域概化為等容積的湖泊，各水閘和泵站則分別打包為一個(gè)大的水閘和泵站，能反映聯(lián)圍整體調(diào)蓄的規(guī)模是否足夠，但無(wú)法直接計(jì)算聯(lián)圍內(nèi)每條河涌、單個(gè)水閘、泵站的調(diào)蓄過(guò)程和規(guī)模。

(2)“一維非恒定流數(shù)學(xué)模型法”計(jì)算結(jié)果分析

模型輸出的成果為河道水面線、河道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的水位歷時(shí)變化過(guò)程線、各節(jié)點(diǎn)的流量及流向、各水閘的排水流量過(guò)程、泵站的抽排流量過(guò)程等，因篇幅所限，本文不再詳列。根據(jù)模型計(jì)算，大拗圍規(guī)劃新建的2座水閘，甘崗新涌閘、上坭牛毛下閘凈寬均為5m；還需新建4座泵站的設(shè)計(jì)總流量36m3/s，分別為大口涌泵站(6m3/s)、裕興泵站(5m3/s)、坳尾泵站(10m3/s)和雙亦泵站(15m3/s)，圍內(nèi)各河涌出口處相應(yīng)最高水位均在排澇最高管控水位1m以下，能滿足大拗圍10年一遇24h暴雨不致災(zāi)的排澇標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 大拗圍規(guī)劃工況下排澇調(diào)蓄過(guò)程

(3)兩種方法結(jié)果對(duì)比分析

“平湖法”和“一維非恒定流河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型”對(duì)大坳圍 “聯(lián)調(diào)聯(lián)排”模式下的排澇工程規(guī)模的計(jì)算成果基本一致。然而，“平湖法”是通過(guò)將調(diào)蓄水系概化為一個(gè)等容積的湖泊，從整體計(jì)算聯(lián)圍的排澇單元的排澇工程規(guī)模，對(duì)于各單項(xiàng)工程的調(diào)蓄過(guò)程和規(guī)模的確定力有不足，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一般輔以單項(xiàng)工程的過(guò)流能力分析等手段綜合確定各單項(xiàng)排澇工程的規(guī)模；而“一維非恒定流河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型”可以模擬計(jì)算各河涌、水閘、泵站的規(guī)模以及閘泵群的排澇運(yùn)用方式等，較好地彌補(bǔ)了“平湖法”的不足，但缺點(diǎn)是需要較翔實(shí)的地形、水文資料用于建模和率定驗(yàn)證。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可根據(jù)資料翔實(shí)程度和區(qū)域?qū)嶋H情況，酌情將兩種方法結(jié)合起來(lái)，使之互為補(bǔ)充和驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于珠三角平原河網(wǎng)區(qū)“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”工程的設(shè)計(jì)，可根據(jù)資料和工程實(shí)際情況采用“平湖法”和“一維非恒定流河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型”綜合分析確定排澇工程規(guī)模，兩種方法互相驗(yàn)證，對(duì)提高設(shè)計(jì)精度大有裨益。相關(guān)研究表明，兩種方法對(duì)于其他流域平原圩區(qū)[7- 8]、河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)的高度城鎮(zhèn)化地區(qū)的排澇工程設(shè)計(jì)也有借鑒作用。