李媛媛，楊輝輝，何 俊

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

珠江三角洲平原河網(wǎng)區(qū)地勢低洼，同時受上游流域洪水、本地暴雨、外海臺風暴潮影響，極易引發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害。珠江三角洲是華南地區(qū)的經(jīng)濟中心，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題對助力大灣區(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，聯(lián)圍內(nèi)河涌縱橫交錯，閘泵眾多，水動力條件復(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)”來實現(xiàn)。

由于各聯(lián)圍相對獨立，“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90年代，多采用排澇模數(shù)法、平均排除法等來確定排澇設(shè)計流量，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)的排澇計算[1]。近年來，水動力學模型大量應(yīng)用于平原河網(wǎng)區(qū)的閘泵群聯(lián)合調(diào)度的水動力、水環(huán)境等方面的研究，陳國軒等采用MIKE11一維水動力數(shù)學模型對東莞水鄉(xiāng)聯(lián)圍筑閘防洪影響進行分析[2]，杜偉華等采用河網(wǎng)水動力模型對珠三角蕉東聯(lián)圍的排澇調(diào)度進行優(yōu)化[3]，胡曉張等采用一維水量水質(zhì)耦合模型對珠三角河網(wǎng)閘泵群調(diào)度模式進行優(yōu)化[4]，錢睿智等通過建立揚州市中心城區(qū)河網(wǎng)水動力水環(huán)境模型，模擬河網(wǎng)水流運動，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)水動力數(shù)學模型對閘泵群的聯(lián)合調(diào)度方式進行優(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。

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

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，對天然調(diào)蓄水系進行整治、疏浚和聯(lián)通，在此基礎(chǔ)上可進一步結(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、坑塘溝渠等進一步增加雨水調(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際情況，為使泵站排水線路不至太長，泵站布置需結(jié)合地形、地勢、河網(wǎng)分布及外江洪(潮)特點等因素綜合考慮，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，當圍內(nèi)持續(xù)降雨、滿足水閘、泵站啟用條件時，開啟水閘、泵站排除澇水。

根據(jù)多年的工程設(shè)計經(jīng)驗，珠江三角洲平原河網(wǎng)區(qū)地勢平坦，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，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)，采用基于水量平衡原理的“平湖法”計算閘泵群的工程規(guī)模。此外，可采用水動力學模型對珠三角地區(qū)復(fù)雜的河網(wǎng)水流運動情況進行數(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)蓄過程，通過試算最終確定各水閘、泵站工程的規(guī)模。

2.1 “平湖法”計算原理

“平湖法”的基本計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，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—時段初來水流量，m3/s；Q2—時段末初來水流量，m3/s；q1—時段初泄水流量，m3/s；q2—時段末泄水流量，m3/s；Δt—計算時段，s；V2—時段初蓄水量，m3；V1—時段末蓄水量，m3。

2.2 “一維非恒定流數(shù)學模型”計算原理

河網(wǎng)“一維非恒定流數(shù)學模型”采用半隱式有限元法進行計算，其水流運動的基本方程由一維水流方程組及汊點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)

水流運動方程：

(3)

(2)河網(wǎng)汊點連接方程組

質(zhì)量守恒方程：進出每一汊點必須與該汊點蓄水量的增減相平衡，節(jié)點的質(zhì)量守恒方程：

(4)

水位銜接方程：節(jié)點一般可概化成一個幾何點，出入各節(jié)點的水位平緩，不存在水位突變情況，則各節(jié)點相連汊道的水位應(yīng)等于該點的平均水位，即：

z=zi

(5)

3 計算實例

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

3.1 項目區(qū)概況

大拗圍位于珠三角沙灣水道南側(cè)、蕉門水道西側(cè)、前海涌、沙角瀝東側(cè)，圍內(nèi)分布有甘崗、大拗、雙亦、萬安、上燕等河涌?，F(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?shù)叵嚓P(guān)水利規(guī)劃，規(guī)劃大拗圍排澇標準為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、萬安涌，并在北斗涌附近改造現(xiàn)狀魚塘為調(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，水閘自排機會較少)。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端距離不遠。實際排澇過程與“平湖法”的調(diào)蓄計算假定接近，可采用以水量平衡為基本原則的“平湖法”進行調(diào)蓄計算，通過反復(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、洪奇門水道、蕉門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個直河段，204個汊口，1109個斷面。模型邊界共136個，其中水位邊界8個，流量邊界128個。在河網(wǎng)概化中，每條河道兩端均設(shè)有節(jié)點，河道與河道的連接均通過節(jié)點，水閘的上、下游也設(shè)有節(jié)點。

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、泵站群的控制運行方式：當外江水位低于閘前水位時，開閘自排，當外江水位高于閘前水位時，關(guān)閘擋水；關(guān)閘后，當閘內(nèi)水位漲至常水位且降水持續(xù)時，開啟泵站抽排，直到外江水位低于閘內(nèi)水位時，開閘搶排。

3.4 計算結(jié)果分析

(1)“平湖法”計算結(jié)果分析

由計算可知，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)計暴雨洪水遭遇外江5年一遇最高潮位時，圍內(nèi)最高水位達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，通過擴寬河涌、開挖湖泊、增加調(diào)蓄容積、新建水閘(總凈寬10m)，新建泵站(總規(guī)模達到36m3/s)，圍內(nèi)發(fā)生10年一遇設(shè)計暴雨洪水遭遇外江5年一遇最高潮位時，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)蓄過程如圖2—3所示。

圖2 大拗圍現(xiàn)狀工況下排澇調(diào)蓄過程圖

通過“平湖法”排澇調(diào)蓄過程可以看出，由于圍內(nèi)地勢較低，水閘開閘自排的機會較少，故大坳圍的排澇問題解決的關(guān)鍵是增加圍內(nèi)水體的調(diào)蓄容積，同時在水閘無法自排期間增加泵站規(guī)模。同時可以看出，“平湖法”調(diào)蓄過程是將聯(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，但無法直接計算聯(lián)圍內(nèi)每條河涌、單個水閘、泵站的調(diào)蓄過程和規(guī)模。

(2)“一維非恒定流數(shù)學模型法”計算結(jié)果分析

模型輸出的成果為河道水面線、河道內(nèi)各節(jié)點的水位歷時變化過程線、各節(jié)點的流量及流向、各水閘的排水流量過程、泵站的抽排流量過程等，因篇幅所限，本文不再詳列。根據(jù)模型計算，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)的排澇標準的要求。

圖3 大拗圍規(guī)劃工況下排澇調(diào)蓄過程

(3)兩種方法結(jié)果對比分析

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

4 結(jié)語

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