黎浩強(qiáng),徐士杰

(中山市小欖鎮(zhèn)水利所，廣東 中山 528415)

平原網(wǎng)河區(qū)地勢(shì)平坦，河涌比降較小，同時(shí)受外江潮位及涌口閘泵調(diào)度的影響，常出現(xiàn)往復(fù)流現(xiàn)象[1]，使得內(nèi)河涌水動(dòng)力條件較弱。同時(shí)，隨著城市發(fā)展建設(shè)，圍內(nèi)河涌湖泊等水域受到侵占，農(nóng)田、綠地改造為硬質(zhì)化地面，導(dǎo)致城市水文特性發(fā)生變化[2]，地表徑流量增加，排澇壓力增大。因此，內(nèi)河涌調(diào)蓄能力降低，污水量排放增加，使得平原網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)面臨河涌水環(huán)境惡化及內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重等問(wèn)題。

當(dāng)前針對(duì)網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)河涌水動(dòng)力條件改善及排澇問(wèn)題有較多相關(guān)研究，張海麗[3]等研究感潮河網(wǎng)區(qū)中順大圍在閘泵調(diào)控方案下骨干河涌的水動(dòng)力水質(zhì)改善效果；蔣雪蓮[4]采用一維水動(dòng)力水質(zhì)模型分析感潮河網(wǎng)的水流特性，結(jié)合外江潮汐動(dòng)力及水閘調(diào)度優(yōu)化補(bǔ)水方案；趙爾官[5]基于MIKE11構(gòu)建廣州市南沙區(qū)萬(wàn)頃沙鎮(zhèn)水動(dòng)力模型，分析其水閘、泵站排澇能力；曾嬌嬌[2]等對(duì)比分析平原河網(wǎng)城市多種排澇流量計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)；唐造造[6]等構(gòu)建廣州市海珠區(qū)水動(dòng)力模型進(jìn)行排澇整治方案研究。當(dāng)前研究多從水工建筑物調(diào)度出發(fā)，分析其對(duì)河涌水質(zhì)的改善及排澇的影響，較少研究分析河涌控制水位(景觀水位、預(yù)泄水位)對(duì)河涌水動(dòng)力條件改善及排澇方案的影響。為此，本文選取典型平原河網(wǎng)區(qū)中山市小欖鎮(zhèn)為研究對(duì)象，采用MIKE11構(gòu)建一維水動(dòng)力模型，分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀河涌水動(dòng)力條件及排澇能力，研究閘泵建設(shè)、河涌整治及不同特征水位控制方案對(duì)河涌水動(dòng)力改善及排澇整治的效果分析，以期為網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)河涌引水及排澇整治提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

小欖鎮(zhèn)位于中山市中順大圍北部，鎮(zhèn)內(nèi)集雨面積為68.25 km2，地勢(shì)平坦，平均地面高程為2.1 m，內(nèi)河涌共116條，河涌水域面積為2.3 km2。小欖鎮(zhèn)當(dāng)前主要防洪(潮)排澇水閘有17座，總凈寬為143.5 m，泵站10座，主要分布在東側(cè)小欖水道及西側(cè)鳧洲河(見(jiàn)圖1)，總設(shè)計(jì)流量為182 m3/s。小欖鎮(zhèn)四面環(huán)河，北臨東海水道，東臨小欖水道，西臨鳧洲河中山段，南臨隆升河，鎮(zhèn)內(nèi)主干內(nèi)河涌與外江相連處均有水閘控制。

小欖鎮(zhèn)存在河涌水動(dòng)力條件差及排澇能力不足問(wèn)題。小欖鎮(zhèn)日常工況下鎮(zhèn)內(nèi)河涌水流流速不足0.2 m/s，水動(dòng)力條件較差，連接主干河涌的支涌存在往復(fù)流現(xiàn)象，河涌水動(dòng)力條件需進(jìn)一步改善；小欖鎮(zhèn)當(dāng)前難以達(dá)到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，暴雨時(shí)小欖鎮(zhèn)時(shí)常發(fā)生水浸現(xiàn)象。根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求及相關(guān)規(guī)劃成果，小欖鎮(zhèn)應(yīng)達(dá)到20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨不成災(zāi)。因此，小欖鎮(zhèn)排澇能力需進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 小欖鎮(zhèn)水系及閘泵分布示意

2 模型構(gòu)建

小欖鎮(zhèn)內(nèi)水系復(fù)雜，河涌水動(dòng)力條件受圍內(nèi)徑流、外江潮位及涌口閘泵調(diào)度共同調(diào)控。傳統(tǒng)除澇水文分析計(jì)算未考慮河涌水面坡降以及忽略主干河涌之間的水體交換，在合理分配排澇泵站設(shè)計(jì)流量方面存在一定缺陷，本次采用MIKE11構(gòu)建一維水動(dòng)力模型模擬分析小欖鎮(zhèn)日常引水工況的河涌水動(dòng)力特性及暴雨工況的排澇過(guò)程，模型原理見(jiàn)相關(guān)參考文獻(xiàn)[7-9]。

2.1 模型計(jì)算范圍

小欖水道及東海水道為中順大圍外江，沿程布有國(guó)家級(jí)水位測(cè)站；鳧洲河中山段及隆升河為中順大圍內(nèi)河，受中順圍內(nèi)水閘及泵站調(diào)控，無(wú)水位測(cè)站。為合理研究小欖鎮(zhèn)河網(wǎng)水動(dòng)力，需綜合考慮中順大圍河網(wǎng)水系及水工建筑物調(diào)度，因此，本次研究構(gòu)建以中順大圍骨干水系為主體，局部細(xì)化小欖水系的水動(dòng)力模型，模型河網(wǎng)概化圖見(jiàn)圖2所示，共收集河道斷面2 190個(gè)。

圖2 水動(dòng)力模型河網(wǎng)概化示意

2.2邊界條件

本次共收集中順大圍外江南華、小欖、竹銀、橫門(mén)、東河、西河水位站多年潮位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及小欖站多年雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。經(jīng)洪潮遭遇分析，中順大圍內(nèi)河洪水與外江洪水遭遇具有隨機(jī)性，因此本次研究小欖鎮(zhèn)日常引水工況，模型外江水位邊界取各水位站多年平均潮位過(guò)程，河涌與外江交匯口取各個(gè)水位站潮位過(guò)程內(nèi)插值；排澇工況外江水位邊界取各水位站多年平均高高潮位過(guò)程，流量邊界采用徑流系數(shù)法計(jì)算各排水分區(qū)設(shè)計(jì)流量。小欖鎮(zhèn)主干河涌與外江連接處皆有閘站控制，結(jié)合現(xiàn)狀運(yùn)行調(diào)度，日常引水工況閘站調(diào)度為：當(dāng)東側(cè)外江潮位高于內(nèi)河涌水位開(kāi)閘時(shí)引水，在達(dá)到景觀水位上限時(shí)關(guān)閘，在西側(cè)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，開(kāi)閘排水，在達(dá)到景觀水位下限是關(guān)閘；暴雨排澇工況閘站調(diào)度為：當(dāng)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，開(kāi)閘排水，當(dāng)外江潮位高于內(nèi)河涌水位時(shí)，關(guān)閘開(kāi)泵強(qiáng)排。

圖3 中順大圍外江水位站分布及潮位過(guò)程示意

2.3 模型率定

為驗(yàn)證所構(gòu)建模型能夠較為合理準(zhǔn)確反映小欖鎮(zhèn)內(nèi)河網(wǎng)水動(dòng)力情況，本次收集小欖鎮(zhèn)內(nèi)流板大涌水位站近5 a實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，并以此作為率定點(diǎn)位，選擇24 h降雨量最大工況、1 h降雨量最大工況、圍內(nèi)暴雨，外江遭遇高潮位工況3種典型工況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定模型，分別選取了2018-06-06—08、2018-05-07—09及2017-08-22—24實(shí)測(cè)水位及降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)圖4)，以納什系數(shù)(NSE)系數(shù)及均方根誤差(RMSE)作為模型驗(yàn)證參數(shù)，驗(yàn)證成果見(jiàn)表1。由表1可知，納什系數(shù)大于0.83，均方根誤差小于0.12 m，反映所構(gòu)建模型能夠較好反映小欖鎮(zhèn)的水動(dòng)力變化規(guī)律，可以用于小欖鎮(zhèn)河網(wǎng)水動(dòng)力研究。

(a1) 2018-06-06—08

(a2) 2018-05-07—09

(a3) 2017-08-22—24

表1 流板水位站處驗(yàn)證指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3 引水工況現(xiàn)狀及方案研究

小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀日常引水運(yùn)行工況為定向引水，通過(guò)水閘調(diào)控在高潮時(shí)自東北側(cè)外江引水，在低潮時(shí)排至西側(cè)鳧洲河。外江多年平均潮位范圍為0.2～1.1 m，鎮(zhèn)內(nèi)河涌現(xiàn)狀景觀水位范圍保持在0.6～0.8 m。

通過(guò)所構(gòu)建的水動(dòng)力模型模擬日常引水工況，分析小欖鎮(zhèn)河涌現(xiàn)狀水動(dòng)力條件，計(jì)算成果表明1 d補(bǔ)水周期下主干河涌典型斷面平均流速為0.05～0.12 m/s，水流流速較慢，水動(dòng)力條件較差，模擬計(jì)算小欖鎮(zhèn)西側(cè)各水閘1 d周期內(nèi)的出流量，結(jié)合常水位涌容計(jì)算得小欖鎮(zhèn)換水時(shí)間為3.47 d。分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀引水工況水動(dòng)力條件較差原因：西側(cè)鳧洲河水道近年自上游均安鎮(zhèn)鳧洲河水閘開(kāi)閘引外江水，使得小欖鎮(zhèn)東西側(cè)外江水頭差變小，其次當(dāng)前鎮(zhèn)內(nèi)景觀水位及變化范圍較小，使得引、排水量及時(shí)間不足。

結(jié)合小欖鎮(zhèn)涌口水閘管理調(diào)度，分析改變景觀水位變化范圍對(duì)河涌的水動(dòng)力條件及換水效率的影響，本文共提出7種優(yōu)化景觀水位方案，通過(guò)水動(dòng)力模型計(jì)算西側(cè)排水閘補(bǔ)水周期排水量，結(jié)合小欖鎮(zhèn)涌容計(jì)算換水時(shí)間，同時(shí)統(tǒng)計(jì)主干河涌典型斷面平均流速，見(jiàn)表2及圖5。

表2 小欖鎮(zhèn)景觀水位方案換水時(shí)間

圖5 景觀水位方案主干河涌平均流速統(tǒng)計(jì)示意

由表2及圖5可知，方案一換水效率最高，換水時(shí)間最短，為2.81 d，是方案七的64.2%，景觀水位上限越高，可引水量越多，景觀水位下限越低，外排水量越多，可排水時(shí)間越長(zhǎng)，換水效率更高，隨著景觀水位范圍減小，主干河涌流速及整體趨勢(shì)下降，水動(dòng)力條件變差。分析結(jié)果可知增加景觀水位變化浮動(dòng)范圍有利于改善河涌水動(dòng)力條件及提高換水效率。方案一、二、三換水效率接近，水動(dòng)力條件變化不大。同時(shí)考慮水位對(duì)外江堤防的穩(wěn)定影響、鎮(zhèn)內(nèi)低洼地區(qū)地面高程、景觀水位要求，推薦選取景觀水位方案三：0.4～0.9 m，換水時(shí)間為現(xiàn)狀補(bǔ)水工況的83.3%，主干河涌典型斷面平均流速為現(xiàn)狀的1.1～1.6倍。

4 排澇工況現(xiàn)狀及方案研究

4.1 排澇現(xiàn)狀

小欖鎮(zhèn)發(fā)生暴雨時(shí)，澇水由東西側(cè)閘泵外排。結(jié)合相關(guān)規(guī)劃成果及地區(qū)地面高程共同考慮，小欖鎮(zhèn)內(nèi)河涌最高控制水位為1.6 m，網(wǎng)河區(qū)排澇工況不僅與圍內(nèi)澇水有關(guān)，外江潮位的影響不可忽略，當(dāng)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，主要利用水閘排澇；當(dāng)圍內(nèi)暴雨遭遇外江高潮位過(guò)程時(shí)(多年平均高潮位2.43～3.19 m，高于圍內(nèi)大部分地面高程)，小欖鎮(zhèn)內(nèi)河涌澇水難以依靠水閘自排，需利用泵站進(jìn)行強(qiáng)排。利用水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬在20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨遭遇外江多年平均高潮位時(shí)內(nèi)河涌水面線變化，計(jì)算結(jié)果表明，主干河涌在暴雨工況下平均最大流速為0.2～0.64 m/s，主干河涌河長(zhǎng)4～6 km，澇水外排時(shí)間需2.5～5 h，按洪水歸槽計(jì)算河道水面線高于3.2 m，高于控制水位，當(dāng)前小欖鎮(zhèn)排澇能力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)，主要是因?yàn)椋汉拥朗芮终棘F(xiàn)象嚴(yán)重，河涌可調(diào)蓄容積不足；河底淤積嚴(yán)重，水流不暢；泵站排澇能力不足等原因。

4.2 排澇整治方案

針對(duì)小欖鎮(zhèn)排澇存在問(wèn)題，本文提出包含河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)3種措施的整治方案，并對(duì)比分析3種措施對(duì)水面線的降低效果以及預(yù)泄水位對(duì)排澇工況的影響，見(jiàn)表3及表4。由表3可知，河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)3種措施水面線降低效果分別為0.12 m、0.26 m、1.25 m，在土地利用空間及工程投資有限的條件下，泵站建設(shè)措施對(duì)排澇整治效果較明顯，河道拓寬及清淤對(duì)水面線降低效果一般，但其對(duì)水景觀、水環(huán)境有較大改善作用。同時(shí)，采用水動(dòng)力模型模擬計(jì)算在采取3種整治措施后小欖鎮(zhèn)在發(fā)生設(shè)計(jì)暴雨時(shí)內(nèi)河涌水面線，計(jì)算結(jié)果表明主干河涌最高洪水位為1.55 m左右，本次方案能夠滿足控制水位要求。

表3 小欖鎮(zhèn)各整治措施主干河涌設(shè)計(jì)洪水位統(tǒng)計(jì) m

4.3 控制水位

預(yù)泄水位是整個(gè)排澇體系重要的組成部分，提前預(yù)泄水位有利于騰空河涌涌容，增加可調(diào)蓄容積，降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)。本文研究分析不同預(yù)泄水位前提下，小欖鎮(zhèn)達(dá)到排澇標(biāo)準(zhǔn)需增加泵站流量，由表4可知，預(yù)泄水位越低，河涌可調(diào)蓄容積越大，需增加泵站流量越小。預(yù)泄水位的確定同時(shí)需綜合多方面要素考慮，小欖鎮(zhèn)地下水位較高，預(yù)泄水位過(guò)低不利于河道堤防安全，小欖鎮(zhèn)出現(xiàn)提前預(yù)泄水位過(guò)低但未降雨情況，內(nèi)河涌水位過(guò)低出現(xiàn)水景觀較差問(wèn)題；針對(duì)臨時(shí)突發(fā)性暴雨未能及時(shí)預(yù)泄水位工況，若小欖鎮(zhèn)排澇體系設(shè)定預(yù)泄水位過(guò)低，則會(huì)存在一定排澇風(fēng)險(xiǎn)。因此，綜合考慮需增加泵站流量及多方面要素，同時(shí)結(jié)合本次景觀水位方案為0.4～0.9 m，排澇方案預(yù)泄水位取0.4 m，與景觀水位下限相銜接。

表4 小欖鎮(zhèn)不同預(yù)泄水位需增加泵站流量

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型研究小欖鎮(zhèn)日常引水工況的河涌水動(dòng)力條件及暴雨工況的排澇過(guò)程，分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀引水及排澇存在問(wèn)題，并進(jìn)行引水方案及排澇整治方案研究。

1) 基于所構(gòu)建模型對(duì)小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀日常引水工況及暴雨工況進(jìn)行模擬分析，日常引水工況鎮(zhèn)內(nèi)河涌流速平均流速為0.05～0.12 m/s，水流流速較慢，水動(dòng)力條件較差；暴雨工況時(shí)鎮(zhèn)內(nèi)澇水外排時(shí)間需2.5～5 h，小欖鎮(zhèn)無(wú)法達(dá)到20 a一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨不成災(zāi)排澇標(biāo)準(zhǔn)。

2) 本文提出基于涌口水閘調(diào)度、增大景觀水位變化范圍的引水方案，與現(xiàn)狀引水方案對(duì)比，換水時(shí)間為現(xiàn)狀的83.3%，主干河涌水流流速為現(xiàn)狀的1.1～1.6倍，增加景觀水位變化浮動(dòng)范圍有利于改善河涌水動(dòng)力條件及提高換水效率。

3) 本文提出包含河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)三種整治措施的排澇方案，能夠滿足內(nèi)河涌1.6 m的排澇控制水位要求，在土地利用空間及工程投資有限的條件下，泵站建設(shè)措施對(duì)河涌水面線降低效果最優(yōu)，不同預(yù)泄水位對(duì)鎮(zhèn)內(nèi)排澇能力有一定影響，所設(shè)定的預(yù)泄水位越低，河涌可調(diào)蓄容積越大，小欖鎮(zhèn)需增加排澇泵站流量越小，排澇體系一定存在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)泄水位的確定需綜合考慮地下水位、堤防安全、排澇風(fēng)險(xiǎn)及與景觀水位的銜接。