深圳碧道水安全、水生態設計方法及實踐

肖 江，胡 斌，王一嵐，王 偉，秦 祎，王建強

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100045；2.北京市園林古建設計研究院有限公司，北京 100081)

2018年12月20日，廣東省河長辦《關于開展萬里碧道建設試點工作的通知》，要求各地試點先行，迅速開展萬里碧道建設試點工作。深圳市率先“認領”了1 000 km的碧道建設任務，到2022年，全市將完成500 km碧道建設，到2025年完成1 000 km，率先在全省高質量實現碧道建設目標，讓市民全面享受治水成果[1]。

深圳市寶安區下涌碧道建設項目起點東起黨建公園附近，西至下涌匯入截流河河口處，碧道建設長度約2.7 km，現狀河底縱坡為0.35‰～0.48‰，河寬在10～20 m之間，流域面積為5.56 km2。碧道建設的水專項分析占據十分重要的地位，李漢川認為下涌碧道建設應以水體治理、駁岸整治和智慧系統作為重點項目[2]；王賀飛[3]認為水資源保障、水安全提升、水環境治理和水生態保護與修復是中山市西江碧道的總體建設任務；唐雅雯等[4]以行洪安全、水質提升和水生動物保護作為深圳市龍崗區杶梓河碧道修復的核心任務；吳世輝[5]從水系連通、水質凈化、水源涵養、防洪整治方面對仁化縣錦江碧道進行了規劃設計；賴晶[6]認為大鵬新區碧道的水系治理方向包括防洪安全、生態基流、水生動植物、水質改善；《深圳市碧道設計導則》(試行)[7]水專項主要包括安全系統和生態系統的設計。按照流域面積劃分，下涌應屬于中小河道，則可參考中小河道生態水利的治理框架和實踐進行水專項的設計分析[8-11]。

1 工程概況

在符合下涌碧道相關規劃的要求下，下涌碧道的水系設計平面分布圖和設計俯瞰效果圖分別見圖1和圖2。

圖1 下涌碧道建設水系設計平面分布示意

因下涌于2018年經歷綜合整治工程，故碧道設計時盡可能利用現狀設施，并且在設計后分析對現狀設施的影響。整個下涌碧道建設基于現狀河道，秉持“不大拆大建”的原則，實現“清川展綠、下涌織新”的總體目標，其中涉水設施主要包括碧道建設起點(XC2+702.70)處的現狀沙井再生水廠補水點、碧道建設終點(XC0+000.00)下涌匯入截流河河口現狀截污擋潮閘處，在現狀松福大道橋涵東側有一座塘下溝排澇泵站，在現狀錦程路橋涵西側附近有一座民主三間仔排澇泵站、下涌兩岸沿線堤腰路下方存在現狀截污管線等。

下涌河寬較為筆直、順直段長度較長，初步按照明渠均勻流公式[12]估算常水深不足20 cm，結合多次現場調研驗證，基本符合估算結果。考慮水生態系統建設需要一定深度的水深，故通過在錦程路橋涵以東100 m處新建生態溢流堰和汀步結合(XC0+892.37)，滿足景觀設計水深0.5 m和連通兩岸居民親水的需求，并在靠近下涌匯入截流河河口處新建一座一體化泵站(XC0+000.00)，排水流量按照沙井再生水廠補水量確定(Q=1 350 m3/h)。在截污閘擋潮關閉后(截流河水位受潮水位影響時、下涌兩岸面源污染流入時)、周邊地下工程施工降排水匯入時(例如地鐵12號線海上田園東站)啟動一體化泵站，以此控制常水位的穩定。

下涌碧道建設中的水專項主要圍繞實現水安全和水生態兩個子目標出發，其中水安全主要分析防洪安全和水質安全兩個專業目標，水生態主要分析生態補水和水生動植物兩個專業目標。

2 水安全、水生態分析計算

2.1 防洪安全

2.1.1防洪標準及斷面劃分

依據《深圳市防洪(潮)排澇規劃(2021—2035)說明書》[13]，確定下涌碧道建設為50年一遇防洪標準，Q50=86.8 m3/s。

依據《河道整治設計規范》5.1.3條：“計算斷面間距宜在1～4倍河槽寬范圍內取值。計算斷面間距在比降較大河段宜取小值，比降較小河段宜取大值。”[14]下涌河道比降較小，河寬約10～20 m，故按照每100 m劃分一個斷面。由《堤防工程設計規范》[15]表3.1.3和表3.2.1可知：下涌碧道建設的建筑物級別為2級，按照允許越浪考慮的安全加高值為0.4 m。

2.1.2相關參數確定及水流模型建立

以100 m為一個斷面間距，對于新建生態溢流堰、人行景觀橋、現狀橋涵和部分轉彎河段增加斷面，下涌全段共劃分為55處設計斷面，提取相關斷面參數，使用HEC-RAS對設計斷面進行行洪安全復核，同時考慮了新建生態溢流堰(樁號XC0+892.37處)和現狀6座橋梁的壅水影響。

1)糙率選取

以《水工設計手冊(第2版)第9卷》[16]及《下涌整治工程初步設計報告》[17]中糙率選擇為參考，因碧道建設后河槽內水生植物增多導致糙率會適當增加，取值0.03，堤腰路以上部分按照砌磚護面取值0.017。

2)現狀橋涵壅水

新建人行景觀橋A、B均一跨過河，不在河道內設置橋墩，且橋梁梁底高程高于洪水位0.5 m以上。

現狀橋梁共有6座，自下游向上游依次為現狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現狀沙一工業1#橋(XC1+850.39)、現狀沙一工業2#橋(XC2+016.61)、現狀西環路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30)、黨建公園處現狀橋涵(XC2+572.38)。因鐵科院的曹瑞章公式考慮因素多，適應性較強，成果相對較為合理[18-20]，故采用鐵科院曹瑞章公式計算現狀橋梁壅水值，公式如下(結果見表1)：

表1 現狀6座橋梁壅水計算結果

(1)

式中：

Vm——橋下平均流速，Vm=KpQp/Aj；

Qp——設計流量；

Aj——橋下凈過水面積；

Kp——考慮沖刷引起的流速折減系數；Kp=1/[1+A(p-1)]；

P——沖刷系數，取1.0；

d50——橋下河床中值粒徑，mm；

V0m——天然狀態下平均流速，V0m=Q0m/A0m；

Q0m——天然狀態下通過的設計流量；

A0m——橋下過水面積；

K——壅水系數，K=2/(Vm/V0m-1)^ 0.5；

g——重力加速度。

3)水面線計算成果

HEC—RAS模型運用伯努利能量方程原理，根據模型要求輸入幾何數據和恒定流數據，下涌起推水位為1.73 m，為下涌匯入截流河河口處。結果顯示下涌碧道建設后50年一遇洪水位介于1.73～3.88 m(見表2)。

表2 下涌全段水面線計算成果

2.1.3行洪安全綜合評價

1)防洪安全

通過對現狀左岸部分花池擋墻加高30 cm、右岸部分空心欄桿改造為實體擋墻、或是兩岸部分綠地地形調整等手段，使下涌碧道建設后原本堤頂欠高的河段滿足防洪要求。對于西環路橋涵以及東側現狀人行橋經過行洪分析，現狀橋梁梁底高程略低于50年一遇洪水位，在發生設防標準洪水時，可能會存在水位漫過部分橋面的情況，故需在汛期組織防汛搶險工作。

改造后河道駁岸生態性、親水性大大增強，同時兩岸植入了較多的海綿措施，例如雨水花園、透水路面、下凹式綠地等等，在一定程度上減少了徑流系數，緩解了下涌暴雨期的行洪壓力。

2)行洪沖刷安全

下涌碧道建設后的行洪期間，斷面平均流速、水深等數值基本與下涌綜合整治工程中設計值一致，加之本項目河床改造時避讓河底現有管線、距離兩岸護坡坡腳一定距離，對現狀堤腰路結構不進行調整，不改變現狀駁岸及堤腰路基礎埋深[21]。

行洪時下涌全段弗勞德數均小于1，水流流態為緩流，除現狀橋梁行洪處斷面平均流速較高，最高為錦程路橋涵處，斷面平均流速達2.88 m/s，其余斷面平均流速介于0.5～2.0 m/s，可滿足河槽內鋼筋混凝土構筑物表面抗沖刷要求(4 m/s)，其中中段和東段行洪期間斷面平均流速小于1.5 m/s。故碧道建設后，仍舊滿足水工建筑物的沖刷埋深要求和表面抗沖要求。

在水流沖刷作用下，防護工程護坡、護腳塊石保持穩定的抗沖折算粒徑d按下式計算[15]：

(2)

式中：

d——抗沖粒徑，m；

V——水流流速，m/s；

rs——石塊容重，取值25 kN/m3；

r——水容重，取值10 kN/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

C——穩定系數，按水平底坡取值1.2。

計算結果見表3。經分析，新建生態河床所用石子粒徑≥2 cm即可滿足抗沖要求。

表3 抗沖粒徑計算結果

3)橋梁過流安全

按照滿管流公式[22]對下涌沿線3座主要現狀橋梁進行最大過流能力分析，公式如下：

(3)

(4)

式中：

Q——過流流量，m3/s；

A——過流斷面面積，m2；

R——水力半徑，矩形管道時，R為過流斷面面積A與濕周的比值，圓管滿流時，R為管道內徑的1/4，m；

i——管底縱坡，%；

n——管道內壁糙率；

C——謝才系數。

自下游向上游依次為現狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現狀西環路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30，3孔進，單孔出)，結果顯示3座現狀橋涵均滿足過流要求，即最大過流量滿足設防標準下的洪峰流量，斷面平均流速均小于現狀橋涵表面混凝土材質的抗沖流速(4 m/s)(見表4)。

表4 現狀橋梁過流能力及斷面平均流速計算結果

4)行洪對植物影響

下涌在行洪期間，水流流態為緩流，斷面平均流速介于0.5～2.0 m/s，水生植物可承受短暫沖刷。計算結果可對后期植物選擇作為依據，盡可能挑選抗沖、抗淹性能強的水生植物。

5)行洪對沿河排口影響

下涌碧道建設不包含新建雨水排口。

結合實測管線圖，下涌沿河共有83處現狀雨水口，其中上游段(寶安區段)24處，下游段(前海區段)59處。現狀雨水排口內頂高程與常水位、50年一遇洪水位的關系見圖3。

圖3 沿河現狀雨水排口內頂高程與常水位關系(左)、與50年一遇洪水位關系(右)

依據《城市排水工程規劃規范》第3.5.6條及條文說明[23]，“排水管渠出水口內頂高程宜高于收納水體的多年平均水位。有條件時宜高于設計防洪(潮)水位。”“出水口高程的設計要兼顧南北方城市的不同特點，對于高差較小的城市允許淹沒出流”。按照設計常水位水深為0.3～0.5 m考慮，下涌沿線現狀雨水排口內頂高程高于常水位的排口共有82處，占99%；現狀雨水排口內頂高程高于50年洪水位的排口共有18處，占22%。

經過多方考量，改造雨水排口的實施性較差，故不對沿河雨水排口高程進行調整。收集堤頂路面雨水的排口數量共有37處，占比為45%，行洪時河道能滿足50年一遇防洪標準，超此標準時，現狀排水管道臨時起到調蓄功能，能減緩一定程度行洪壓力，此時現狀雨水排口為淹沒出流。

2.2 水質安全

下涌規劃水質為Ⅳ類，2021年3—4月份部分日采集的氨氮指標檢測結果如下，判斷出下涌目前水質基本穩定于Ⅳ～Ⅴ類(見圖4)。

圖4 下涌實測水質情況(氨氮指標檢測結果)

下涌兩岸目前通過綜合整治的截污工程、全面消黑、正本清源、重點面源污染治理等項目，逐漸實現雨污分流，確保下涌水質狀況的良好轉變，故碧道建設不再采取工程措施，僅通過水生植物等非工程措施進行水質提升。

2.3 補水流量復核

下涌目前補水量來自沙井再生水廠出水、通過沙井補水泵站供給。補水點位于下涌上游段黨建公園南側附近，補水水質為一級A，下涌日補水量為3.05萬t。2021年沙井補水泵站供水量月份變化情況見圖5。

圖5 沙井補水泵站年運行天數及供水水量情況

目前沙井補水泵站日均供水量約35萬t，達到設計規模(50萬t)的70%。同時，年運行天數約318 d，全年運行天數占比達到87%。基本可保障下涌補水量穩定和補水時間連續的需求，后期隨著沙井補水泵站達產后的穩健運行，下涌需水量基本可以得到保障，故碧道建設不再采取補水工程措施。

2.4 生態河床

在河底建設相應的礫石群落，用于改善河床基質，形成水下異質空間，為魚類提供部分庇護、產卵和索餌的場地，礫石群頂高程盡量不高于現狀河底高程，做好與現狀橋涵底板、河底現狀埋設管道的高程銜接關系，礫石群直徑不小于2 cm，滿足抗沖要求。結合行洪分析中水流流速的特點，優先選擇抗沖、耐淹、耐鹽堿、根系發達、自凈效果強、美觀性好且便于后期運維管理的水生植物布置在坡腳處，在一定程度上能夠對下涌水質進行提升。

3 結語

1)通過分析計算，深圳市下涌碧道建設后滿足50年一遇防洪要求；行洪時對既有橋梁、堤岸沖刷影響較小；根據行洪流速對水生植物選擇提供了參考意見；沿河雨水排口改造困難，在行洪期間為淹沒出流；水質狀況正常，不再采取工程措施；補水水量穩定、連續性較好，基本滿足景觀需求；提供生態河床構建的礫石群直徑參考數值等。為碧道水安全、水生態設計提供數據支撐，系統完整地提出了相關設計過程，為其他碧道建設提供了借鑒經驗。

2)因下涌碧道流域范圍小，水生態資料較為匱乏，故缺乏對水生動物的設計考慮。隨著業界對河道內水生動物的關注度越來越高，例如魚類“三場一道”的專項設計，地方主管部門應建立完善的水生動物檔案，在設計中進一步考慮對水生動物的保護。