劉樹鋒，劉一休，楊晨*，陳記臣，譚丹，沈?qū)W明

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3. 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；4. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

0 引言

隨著快速城市化進(jìn)程，土地原有用途發(fā)生改變，下墊面條件發(fā)生變化，引起城市排澇流量的改變，因此，整體建立排澇模型進(jìn)行區(qū)塊排澇調(diào)蓄過程的計(jì)算分析，確定閘站的排澇能力，對滿足城市防洪排澇工程要求，銜接城區(qū)水系規(guī)劃與高標(biāo)準(zhǔn)治理有重要意義。利用天然池塘、洼地調(diào)節(jié)徑流洪峰在國內(nèi)外城市雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均有著相當(dāng)長的歷史。最初雨水調(diào)蓄池主要用于調(diào)蓄洪峰水量，減少雨水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，起防洪作用。20世紀(jì)70年代國外對調(diào)蓄池容積計(jì)算與位置選擇有過較為集中的研究[1]。近十幾年來隨著對城市非點(diǎn)源污染問題的重視，新建調(diào)蓄池注重減少溢流水量，結(jié)合沉淀等去除污染物的功能，以降低面源污染負(fù)荷[2]。目前，無論是分流制雨水系統(tǒng)或者合流制排水系統(tǒng)中，修建雨水、合流污水大型調(diào)蓄池，或巨型地下調(diào)蓄隧道，已是國外大城市控制雨水徑流和合流污水溢流污染的常見方法。雨水調(diào)蓄設(shè)施作為排水系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在排水系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)暴雨洪峰，提高排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和能力[3],提高流系截流倍數(shù)[4],削減初期雨水和合流污水溢流對水體的污染[3]。因此合理規(guī)劃排水系統(tǒng)中調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置，對充分發(fā)揮排水系統(tǒng)的功能有著重要意義。

國外合流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄池計(jì)算方法主要有兩種：以池容量的經(jīng)驗(yàn)公式法[5]和基于排水系統(tǒng)模型的概率分析法[6]。其中德國和日本主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法來確定系統(tǒng)所需調(diào)蓄容量[5]；美國大多采用SWMM模型[7]模擬排水系統(tǒng)運(yùn)行，分析系統(tǒng)所需調(diào)蓄容量。國內(nèi)對排澇調(diào)蓄的研究較晚，邵崴等[8]運(yùn)用SCS模型對福州城區(qū)的徑流形成和排澇進(jìn)行研究；盧翔等[9]運(yùn)用MIKE FLOOD建立了城市排澇耦合模型對湖南省華容縣進(jìn)行排澇模擬。本研究以廣州市南沙區(qū)萬頃沙網(wǎng)河區(qū)為研究對象，引進(jìn)海綿城市理念，根據(jù)水系、涵閘及泵站分布，構(gòu)建MIKE11一維網(wǎng)河模型，對澇區(qū)水田和水面的產(chǎn)流、水閘和泵站的模擬進(jìn)行改進(jìn)，以期為網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)河涌的排澇調(diào)蓄提供參考借鑒。

1 研究區(qū)域概況

圖 1 研究區(qū)域示意Figure 1 The study area

南沙區(qū)萬頃沙網(wǎng)河區(qū)地處珠江三角洲下游河網(wǎng)地區(qū)(圖1)，地勢低洼，受上游流域洪水、外海潮位、內(nèi)部暴雨以及臺(tái)風(fēng)侵襲，特別是當(dāng)風(fēng)、暴、潮、洪中若干現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生時(shí)極易引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[10]。區(qū)域降雨強(qiáng)度大，濱江臨海，排澇受洪潮頂托嚴(yán)重，并且快速的城市化建設(shè)，使下墊面硬化區(qū)域急劇擴(kuò)大，進(jìn)一步加重了城市內(nèi)澇；此外，根據(jù)《珠江三角洲內(nèi)澇整治規(guī)劃》(2010年3月)和調(diào)研情況，研究區(qū)域現(xiàn)有的機(jī)電排澇站、排水閘、排水渠等工程設(shè)施老化嚴(yán)重，運(yùn)行效率低，實(shí)際排澇能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。由于排澇工程建設(shè)滯后于城鎮(zhèn)化進(jìn)程，現(xiàn)有的農(nóng)田排澇體系已明顯不適應(yīng)城市化發(fā)展的需要。隨著大灣區(qū)國家戰(zhàn)略的實(shí)施，人口與經(jīng)濟(jì)將進(jìn)一步集聚，是“淹不得也淹不起”的地區(qū)，已有規(guī)劃城市中心區(qū)的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100～200年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)10～20年一遇，不能滿足大灣區(qū)乃至珠三角城市未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，迫切需要進(jìn)行相關(guān)研究。

南沙區(qū)河口水閘工程的主要功能為防洪防風(fēng)暴潮和排澇，還有納潮灌溉、通航過船功能等，城市建設(shè)還有保持涌內(nèi)景觀用水和環(huán)境用水要求等。因此南沙區(qū)所有外排水閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)與堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)一致，即200年一遇標(biāo)準(zhǔn)。萬頃沙網(wǎng)河區(qū)現(xiàn)狀用地有鎮(zhèn)街、工廠和農(nóng)田，規(guī)劃為工業(yè)用地、商業(yè)金融用地和居住用地等，其排澇標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)。排澇片現(xiàn)狀地面高程在4～7 m之間，現(xiàn)狀東西向的萬八涌至萬十八涌為片內(nèi)的骨干排水河涌，現(xiàn)狀水面率約6.81%，現(xiàn)狀片內(nèi)的河涌控制水位為6.20 m。本研究區(qū)域的排澇標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇最大24 h暴雨不成災(zāi)，澇區(qū)水位滿足不超過控制水位的要求。內(nèi)河涌整治標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)采用20年一遇。

2 研究方法

2.1 基于水量平衡的調(diào)蓄演算方法

2.1.1 方法原理

為分析包括河涌、調(diào)蓄水面、泵站及水閘在內(nèi)的蓄排設(shè)施的規(guī)模，本研究采用基于水量平衡的調(diào)蓄演算方法，公式如下：

(1)

式(1)中：Q1為時(shí)段初來水流量；Q2為時(shí)段末來水流量；q1為時(shí)段初泄水流量；q2為時(shí)段末泄水流量；T為計(jì)算時(shí)段；V1為時(shí)段初蓄水量；V2為時(shí)段末蓄水量。其中，水閘泄水流量采用寬頂堰公式計(jì)算。計(jì)算采用逐時(shí)段調(diào)算，泵閘的運(yùn)行按照內(nèi)水高于外水開閘伺機(jī)搶排，內(nèi)水低于外水，且內(nèi)水高于起泵水位開泵抽排直至內(nèi)河涌控制低水位止。

2.1.2 計(jì)算方法

1)水閘排澇能力計(jì)算

水閘自排流量按寬頂堰淹沒出流考慮，水閘排水流量的計(jì)算，根據(jù)淹沒度不同，分別采用不同的計(jì)算公式。

淹沒度小于0.9時(shí)，采用如下公式計(jì)算：

(2)

式(2)中：Q為過閘流量；σs為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)，對于本研究無坎高的平底寬頂堰取0.385；B為閘孔總凈寬；g為重力加速度；H0為閘前總水頭。

淹沒度大于0.9時(shí)，采用如下公式計(jì)算：

(3)

μ0=0.877+(hs/H0-0.65)2

(4)

式(3～4)中：Q為過閘流量；B為閘孔總凈寬；μ0為淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；H0為閘前總水頭；hs為下游水深。

2)泵站設(shè)計(jì)流量

泵站抽排按照澇區(qū)積水總量和設(shè)計(jì)排澇歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式(5)中：Q為泵站設(shè)計(jì)流量；W為設(shè)計(jì)澇水量；T為設(shè)計(jì)排澇歷時(shí)。

在實(shí)際計(jì)算分析中，以式(5)計(jì)算的泵站設(shè)計(jì)流量作為初值，結(jié)合閘排聯(lián)合計(jì)算最終確定泵站設(shè)計(jì)流量。

2.2 一維河網(wǎng)非恒定流水動(dòng)力模型

通過建立萬頃沙網(wǎng)河區(qū)的一維河網(wǎng)非恒定流水動(dòng)力模型，模擬規(guī)劃工況的工情、降雨對澇片水情的影響，校核現(xiàn)狀排澇工程規(guī)模并優(yōu)化工程布局與規(guī)模[11]。

2.2.1 模型原理與建模平臺(tái)

一維河網(wǎng)非恒定流水力計(jì)算是一種先進(jìn)的基于對一維河網(wǎng)水流物理運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方法描述，并利用數(shù)值計(jì)算方法求解微積分方程組，進(jìn)而通過方程組數(shù)值解動(dòng)態(tài)反映河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法，計(jì)算結(jié)果包括各斷面實(shí)時(shí)水位、流量等，是解決平原網(wǎng)河地區(qū)水利分析計(jì)算的有效方法。本次規(guī)劃在丹麥水力學(xué)研究所研制的MIKE11軟件平臺(tái)上進(jìn)行建模。

描述水流在明渠中運(yùn)動(dòng)的一維非恒定流基本方程是Saint Venant方程組，包括質(zhì)量方程與動(dòng)量方程：

(6)

(7)

式(6～7)中：t、x分別為時(shí)、空變量；Z、Q、U分別為各斷面的水位、流量和流速；A、R分別為各斷面的過水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑；q為單位河長的均勻旁側(cè)入流(包括降雨產(chǎn)匯流)；n為河道糙率系數(shù)；g為重力加速度。

由于Saint Venant方程組是一個(gè)二元一階擬線性雙曲型偏微分方程組，求得精確解非常困難，計(jì)算采用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式求解方程組。

2.2.2 河網(wǎng)概化

圖 2 萬頃沙網(wǎng)河區(qū)一維模型示意Figure 2 Schematic diagram of one dimensional model of Wanqingsha Network River Area

根據(jù)萬頃沙網(wǎng)河區(qū)各河涌的河長、河底高程、斷面及河道糙率參數(shù)，進(jìn)行河道概化。河長參數(shù)依據(jù)現(xiàn)狀河道調(diào)查情況確定，河底高程取規(guī)劃河底高程，河道斷面依據(jù)規(guī)劃河道斷面采用河邊距～河底高程形式在計(jì)算中反映，河道糙率取值為0.025～0.030。

根據(jù)河涌長度、計(jì)算精度以及計(jì)算收斂穩(wěn)定的要求綜合分析斷面設(shè)置的位置和數(shù)量，依據(jù)規(guī)劃河涌斷面采用河邊距～河底高程形式輸入到MIKE11的.xns11文件中。最終概化的河網(wǎng)水面率與規(guī)劃水面率基本相當(dāng)，反映河網(wǎng)實(shí)際的輸水與調(diào)蓄能力。

控制建筑物包括擋潮閘、排澇泵，泵閘是聯(lián)圍排澇體系的重要組成部分，概化的核心是擬定建筑物的控制運(yùn)行方式。泵閘的運(yùn)行一般按照內(nèi)水高于外水開閘伺機(jī)搶排，內(nèi)水低于外水、且內(nèi)水高于起泵水位開泵抽排直至河涌控制低水位止。根據(jù)擬定的調(diào)度原則，按照邏輯判斷框圖反映在MIKE11的.nwk11文件中，模型采用SO模塊對工程的運(yùn)行進(jìn)行模擬。

2.2.3 邊界條件

1)初始條件

斷面初始流量為0 m3·s-1，初始水位為常水位。

2)邊界條件

內(nèi)邊界：內(nèi)邊界指內(nèi)河涌兩岸平原區(qū)沿河分散進(jìn)入河道的降雨徑流，河網(wǎng)匯流計(jì)算時(shí)將入河水量根據(jù)河道匯水范圍進(jìn)行分配至各河道，同時(shí)將河道入流過程處理為旁側(cè)單寬均勻入流進(jìn)入河網(wǎng)。

潮位邊界：因劉曾美等[12]已采用Copula函數(shù)對珠江三角洲感潮河段的洪潮遭遇情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，且根據(jù)《廣州南沙新區(qū)防洪(潮)排澇專業(yè)規(guī)劃》，潮位邊界為外江5年一遇設(shè)計(jì)洪(潮)水位。采用典型潮位過程線通過相應(yīng)比例而得到5年一遇外江潮位過程作為外江潮水位邊界條件(圖2中的各河涌兩端)。

2.2.4 計(jì)算條件

研究區(qū)域澇區(qū)內(nèi)，水位特征如下：

1)常水位

河涌正常水位主要滿足通航和景觀的要求，根據(jù)南沙區(qū)域潮位特性，南沙站多年平均潮位為5.01 m，由于常水位是河涌較長時(shí)間保持的水位，原則上與外江多年平均潮位相銜接，因此常水位確定為5.00 m；考慮景觀要求，正常高水位與正常低水位之間的水位差不宜過大，而且應(yīng)該有利于通航，綜合確定正常高水位為5.30 m，正常低水位為4.50 m，南沙站平均每天有8.6 h的時(shí)間潮位維持在4.50～5.30 m之間。

2)預(yù)降水位

據(jù)統(tǒng)計(jì)，南沙站多年高低潮平均值為4.62 m，多年低高潮平均值為5.53 m，即外江潮位多在4.62～5.53 m之間變動(dòng)，澇區(qū)內(nèi)河涌平時(shí)水位基本在4.50～5.30 m之間，因此為在排澇期間騰出更多的河涌庫容蓄存澇水，排澇的預(yù)降水位確定為4.50 m，即在預(yù)報(bào)有臺(tái)風(fēng)暴雨期間，應(yīng)利用外江低潮期間將片區(qū)水位降至4.50 m附近，如果已出現(xiàn)持續(xù)降雨，應(yīng)利用水閘自排或開泵抽排的方式將澇片河涌水位維持在4.50 m。

3)排澇安全管控水位(內(nèi)河涌最高控制水位)

排澇安全管控水位為區(qū)內(nèi)發(fā)生暴雨澇水時(shí)，經(jīng)過內(nèi)河涌調(diào)蓄及水閘、泵站的運(yùn)行，內(nèi)河涌達(dá)到的最高水位。萬頃沙網(wǎng)河區(qū)現(xiàn)狀75.48%的地面高程在6.00 m以下，新建的廠區(qū)地面普遍抬高，在6.50～7.00 m之間，現(xiàn)狀排澇安全管控水位為6.20 m。

4)河涌水位-容積曲線

在本研究區(qū)域內(nèi)的各條河涌現(xiàn)狀寬度均可滿足過流要求，不需要進(jìn)行擴(kuò)寬。根據(jù)實(shí)測地形資料計(jì)算萬頃沙保稅港加工制造業(yè)區(qū)塊內(nèi)萬八涌～萬十一涌水位-涌容曲線，并根據(jù)比例確定全河段長度水位-容積曲線。計(jì)算范圍內(nèi)涌容通過其他地形測量成果按比例獲得。

5)外江潮水位

采用典型潮位過程線通過相應(yīng)比例而得到5年一遇外江潮位過程作為外江水位計(jì)算條件。

6)內(nèi)澇水位和外江水位組合

在劉曾美等[12]和謝華等[13]采用Copula函數(shù)對珠江三角洲感潮河網(wǎng)地區(qū)洪潮遭遇研究的基礎(chǔ)上，對以下內(nèi)河涌水位與外江潮位的典型水文組合進(jìn)行蓄排澇計(jì)算。

水文組合：片內(nèi)20年一遇暴雨洪水遭遇外江5年一遇潮位過程。

采用最不利的遭遇情況：洪峰早于外江最高潮位1 h出現(xiàn)，以分析計(jì)算泵站流量，并復(fù)核水閘規(guī)模。

3 結(jié)果與分析

3.1 調(diào)蓄計(jì)算結(jié)果

表 1 各水閘建筑物規(guī)模 Table 1 Scale of each sluice building

調(diào)蓄計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)萬頃沙網(wǎng)河區(qū)的排澇工程總體布局，結(jié)合工程布置特點(diǎn)，并參考《廣州南沙新區(qū)防洪(潮)排澇專業(yè)規(guī)劃》中有關(guān)內(nèi)容，擬定各水閘規(guī)模和泵站規(guī)模經(jīng)試算、分析、比較，最終確定滿足排澇區(qū)排澇需求且經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)規(guī)模，初擬萬頃沙網(wǎng)河區(qū)各水閘和泵站規(guī)?；厩闆r，各水閘情況見表1。

萬頃沙網(wǎng)河區(qū)各水閘的閘外水位采用外江的潮位過程，內(nèi)河涌水位采用內(nèi)河涌調(diào)蓄計(jì)算結(jié)果中的水位。排澇區(qū)現(xiàn)狀無泵站工程，按規(guī)劃考慮，泵站總抽排流量為65 m3·s-1(規(guī)劃建設(shè)萬十涌東泵站和萬十一涌西泵站，二者的抽排流量分別為45 m3·s-1和20 m3·s-1)。

在擬定工程區(qū)塊內(nèi)各水閘泵站建筑物規(guī)模的基礎(chǔ)上，忽略水面比降，采用以水量平衡為原理的“平湖法”進(jìn)行排澇演算，結(jié)果見表2。

表 2 萬頃沙網(wǎng)河區(qū)調(diào)蓄計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of regulation and storage of Wanqingsha Network River Area

表 3 萬十涌洪水計(jì)算結(jié)果(P=5%) Table 3 Flood calculation results of Wanshi River (P=5%)

從排澇調(diào)蓄演算成果來看，澇區(qū)典型水文組合情況下，內(nèi)河涌最高水位6.15 m，泵站抽排歷時(shí)約11 h，抽排流量65 m3·s-1滿足排澇需求。

3.2 洪水計(jì)算成果

用一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型MIKE11，建立萬頃沙網(wǎng)河區(qū)一維河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算河涌水位和最大流量等的變化過程。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，按規(guī)劃實(shí)施排澇體系下萬十涌東水閘處最大過流流量45 m3·s-1(泵排)，泵站運(yùn)行期間內(nèi)河涌水位低于外江水位，水閘未開啟。本研究以萬十涌計(jì)算洪水成果作為實(shí)例，詳見表3和表4。

從表3可以看出，規(guī)劃條件下萬十涌節(jié)點(diǎn)洪水位低于排澇安全管控水位和現(xiàn)狀堤頂高程，因此萬十涌重建規(guī)模、泵站抽排流量合適，結(jié)合片區(qū)泵站排水能力，使片區(qū)達(dá)到20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)。

萬十涌規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，由以上計(jì)算結(jié)果可知，在規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下，澇區(qū)水閘、泵站參數(shù)選取是合適的，內(nèi)河涌水位在管控水位6.20 m以下；根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)，“水閘閘頂計(jì)算高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水運(yùn)用情況確定；泄水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位與相應(yīng)安全加高值之和”，且校核洪水位情況作為特殊荷載組合運(yùn)用于水閘、泵站結(jié)構(gòu)荷載校核計(jì)算。因此，本研究對區(qū)域內(nèi)50年一遇暴雨洪水遭遇外江5年一遇潮位過程工況進(jìn)行了計(jì)算，詳見表5。

在50年一遇超標(biāo)準(zhǔn)情況下，萬十涌水位最高約6.33 m(表5)，超過了片區(qū)管控水位，若以后防洪標(biāo)準(zhǔn)提升，需在片區(qū)合理增設(shè)排澇泵站規(guī)模滿足管控水位要求。

表 4 萬頃沙網(wǎng)河區(qū)各河涌水位計(jì)算結(jié)果(P=5%) Table 4 Water level calculation results of each rivers in Wanqingsha Network River Area (P=5%)

表 5 萬頃沙網(wǎng)河區(qū)各河涌水位計(jì)算校核結(jié)果(P=2%) Table 5 Water level calculation and verification results of each rivers in Wanqingsha Network River Area(P=2%)

4 結(jié)論

1)采用以水量平衡為原理的“平湖法”對萬頃沙網(wǎng)河區(qū)進(jìn)行排澇調(diào)蓄演算的結(jié)果表明，澇區(qū)典型水文組合情況下，內(nèi)河涌最高水位6.15 m，泵站抽排歷時(shí)約11 h，抽排流量65 m3·s-1滿足排澇需求。

2)基于一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型MIKE11對萬頃沙網(wǎng)河區(qū)河涌水位和最大流量等的變化過程計(jì)算結(jié)果表明，規(guī)劃條件下，萬十涌節(jié)點(diǎn)洪水位低于排澇安全管控水位和現(xiàn)狀堤頂高程，因此萬十涌重建規(guī)模、泵站抽排流量合適；結(jié)合片區(qū)泵站排水能力，可使片區(qū)達(dá)到20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)。此外，萬十涌規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，在規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下，澇區(qū)水閘、泵站參數(shù)選取是合適的。

3)在50年一遇超標(biāo)準(zhǔn)情況下，萬十涌水位最高約6.33 m，超過片區(qū)管控水位，表明當(dāng)防洪標(biāo)準(zhǔn)提升，片區(qū)需合理增設(shè)排澇泵站規(guī)模，以滿足管控水位要求。