鄭震宙

(深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518055)

1 項目概況

為保證大空港新城防洪(潮)、排澇安全，緩解城市建設(shè)對水系生態(tài)環(huán)境的沖擊，擬對截流河及南、北連通渠進行綜合整治，總整治長度約8.8 km，其中新開挖截流河長為6.4 km，在原有河涌上拓寬加深南、北連通渠，防洪標準為100年一遇，防潮標準為200年一遇，內(nèi)澇防治標準為50年一遇。

新建截流河河底寬為80～120 m，河堤設(shè)計控制高程為4.84 m，河道采用梯形復式斷面。截流河起點位于茅洲河口，由北往南依次有德豐圍涌、石圍涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福河、塘尾涌、和平涌以及玻璃圍涌匯入，最后通往珠江口。

為縮短雨水排放距離、減少截流河排洪壓力[1]，南北連通渠分別在現(xiàn)狀沙福河和下涌的基礎(chǔ)上進行布置(見圖1)，北連通渠長度為2.1 km，河底寬度為44 m，河堤設(shè)計控制高程為3.5 m，河道采用梯形復式斷面；南連通渠長度為2.4 km，河底寬度為4 0 m，河堤設(shè)計控制高程為6.8 m，河道采用矩形斷面。

圖1 工程地理位置示意

2 水文分析計算

2.1 洪水特性

大空港地區(qū)降雨量年內(nèi)變化明顯，具有明顯的季節(jié)性。暴雨主要集中在汛期(4—10月)，強度大、季節(jié)長。由于大空港地區(qū)河流短小，河道穿越城區(qū)，地面的硬化使天然狀態(tài)下的壤中流直接形成了地表徑流，加大了地表徑流系數(shù)，縮短了匯流時間。同時，由于該區(qū)域暴雨歷時短、強度大的特點，決定了該區(qū)域的洪水具有陡漲陡落的特性。

2.2 設(shè)計洪水

采用設(shè)計暴雨推求各河涌截流河及上游控制斷面設(shè)計洪水(見表1)，其中沙福河上游有水庫工程控制，根據(jù)水庫調(diào)洪演算推求設(shè)計洪水。

表1 各河涌主要控制斷面設(shè)計洪水成果

2.3 洪水過程線計算

在截流中部(位于和二涌與沙福河之間)設(shè)置一座節(jié)制閘，節(jié)制閘以北的河段功能為排澇，節(jié)制閘以南的河段功能為防洪。根據(jù)區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系分布情況、潮汐特性等，采用MIKE水動力模型進行模擬分析洪水過程線[2-3]。

1)南片區(qū)各河涌洪水過程線計算

南片區(qū)采用節(jié)制閘以南的沙福河、塘尾涌、和平涌、玻璃圍涌設(shè)計洪水過程線作為模型輸入的邊界條件，南片區(qū)各河涌截流河斷面設(shè)計洪水過程線見圖2、圖3所示。

圖2 南片區(qū)河涌截流河斷面洪水過程線(P=0.5%)

圖3 南片區(qū)河涌截流河斷面洪水過程線(P=1%)

2)北片區(qū)各河涌洪水過程線計算

北片區(qū)集中泵站的起排水位為0.2 m，最高控制水位以區(qū)域內(nèi)最不利受澇點為控制，最高控制水位為1.65 m。采用各河涌設(shè)計洪水過程線作為模型輸入的邊界條件，北片區(qū)各河涌截流河斷面設(shè)計洪水過程線見圖4、圖5所示。

圖4 北片區(qū)河涌截流河斷面洪水過程線(P=0.5%)

圖5 北片區(qū)河涌截流河斷面洪水過程線(P=1%)

2.4 洪潮遭遇分析

感潮河流能否容納暴雨帶來的洪量，要視其暴雨強度、河口潮水位及這些影響在時間上的互相組合而定[4-5]。根據(jù)大空港地區(qū)河流的特性，茅洲河等河流洪水的主峰段一般為24 h所控制，故采用24 h時段雨量與對應(yīng)的潮位進行組合遭遇分析。

根據(jù)赤灣站歷年24 h最大雨量及相應(yīng)的高潮位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，與年最大24 h雨量相應(yīng)的赤灣站的最高潮位一般都小于多年平均最高潮位2.12 m，因此，若用多年平均最高潮位與設(shè)計洪水相遭遇，已基本上能外包歷年所出現(xiàn)過的年最大洪水與潮汐的遭遇情況，是一種安全的設(shè)計洪潮組合方式。

根據(jù)赤灣站歷年最高潮位及相應(yīng)24 h雨量統(tǒng)計，赤灣站歷年最高潮位，相應(yīng)赤灣雨量站最大24 h降水量為123.1 mm，小于該站年最大24 h降水量多年平均值170.9 mm。因此，若用多年平均年最大24 h暴雨所產(chǎn)生的洪水與設(shè)計年最高潮水位遭遇，已基本上能外包歷年所出現(xiàn)過的年最高潮位與洪水的遭遇情況，是一種安全的設(shè)計潮洪組合方式。

因此，采用設(shè)計標準下的洪水(潮位)與多年平均潮位(洪水)組合的外包線，作為河道治理的設(shè)計水面線是合理的并且是安全的。

3 工程設(shè)計

通過建設(shè)截流河、南北連通渠、水閘泵站等工程，為大空港新城啟動區(qū)構(gòu)建完善的防洪潮治澇體系，同時緩解舊城區(qū)的排澇壓力。

3.1 防洪工程

防洪工程需對截流河，南、北連通渠和現(xiàn)狀9條河涌進行綜合治理，其中9條河涌總長度為44.19 km。防洪工程在滿足河道防洪標準的同時，結(jié)合周邊用地屬性、居民的需求、河流生態(tài)理念[6-7]，打造環(huán)水繞城的空間格局，營造濱海城市特色。

1)現(xiàn)狀河道防洪能力復核

由現(xiàn)狀河涌防洪標準達標情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：現(xiàn)狀區(qū)域河道防洪工程對應(yīng)20年一遇標準下不滿足防洪要求的河長約30%，對應(yīng)50年一遇標準下不滿足防洪要求的河長約為37%(見表2)。

表2 現(xiàn)狀河涌防洪標準達標情況統(tǒng)計

2)擬建河道防洪能力分析

利用MIKE 水動力模型從行洪能力的角度對截流河及連通渠的堤距進行分析，截流河水域?qū)挾仍?0～120 m范圍內(nèi)嘗試變化，連通渠水域?qū)挾确謩e選擇30 m和60 m兩種情況，分析不同設(shè)計堤距的情況下對截流河行洪能力的影響。選取A、B、C、D、E 5個斷面位置的水位進行比較分析(見圖6)：A、B位于截流河北段，C位于中段，D、E位于南段。

圖6 截流河水系模型及控制斷面位置示意

由圖7、圖8可知：在100年一遇設(shè)計洪水工況下，截流河與連通渠的水域?qū)挾冗x擇對防洪高水位影響很大。當連通渠水域?qū)挾冗x擇60 m，截流河水域?qū)挾仍?0 m左右時，遭遇100年一遇洪水時防洪水位趨于穩(wěn)定，再增大截流河的水域?qū)挾?，河道的防洪高水位變化較小。因此，截流河水域?qū)挾纫嗽?0～120 m范圍內(nèi)根據(jù)城區(qū)規(guī)劃進行控制。

圖7 不同水域?qū)挿篮楦咚蛔兓疽?連通渠寬30 m)

圖8 不同水域?qū)挿篮楦咚蛔兓疽?連通渠寬60 m)

3)橫斷面設(shè)計

在橫斷面設(shè)計中，首先需要保證河道行洪的安全和河道護岸自身的結(jié)構(gòu)安全，同時從生態(tài)及人與自然和諧共處的理念出發(fā)，最終達到防洪、生態(tài)、景觀高度融合的目標[8]。

采用緩坡形式，護岸材料在二級平臺水下采用擋墻或是灌注樁作永久堤岸，二級平臺以上采用草皮護坡。截流河南段為與會展中心功能需求匹配，護岸形式采用梯級護坡，護坡材式采用條石或砼加鋪裝堆砌。除此外在與截流河北段與北節(jié)制閘銜接處、北連通渠與出口節(jié)制閘銜接處采用懸壁式擋墻。南連通渠位于會展中心的1期和2期用地之間，且擋墻高度較高，明渠段采用扶壁式擋墻，在1期與2期的連接通道下采用箱涵。

3.2 防潮工程

在截流河南、北出口及南、北連通渠出口分別設(shè)置擋潮閘，4座擋潮閘與現(xiàn)狀西海堤一起，組成封閉的防潮工程體系。

獨立防潮方案是針對總體規(guī)劃中的各個地塊分別建設(shè)獨立的防潮系統(tǒng)，在每條支流匯入截流河處設(shè)置擋潮水閘。半獨立防潮方案是在規(guī)劃濕地廊道西側(cè)區(qū)域按地塊設(shè)置獨立的防潮系統(tǒng)，在現(xiàn)狀西海堤以東區(qū)域，利用在截流河及南北連通渠上設(shè)閘，以實現(xiàn)封閉防潮系統(tǒng)的目的。本次采用后者方案，該方案與獨立防潮方案的主要區(qū)別是取消各支流匯入截流河處的擋潮水閘，而新設(shè)4座規(guī)模較大的水閘，優(yōu)點是截流河及南北連通渠在現(xiàn)狀西海堤以東部分仍然可以按河道治理標準進行整治。獨立防潮、半獨立防潮方案平面示意見圖9。

圖9 獨立防潮、半獨立防潮方案平面示意

3.3 治澇工程

流域總體的治理體系由源頭調(diào)蓄、管網(wǎng)收集排水、河道排水組成，河道排水是治澇體系的末端[9]。

通過研究現(xiàn)狀河道水面線、現(xiàn)場調(diào)查和地形高程分布以及現(xiàn)狀排水管網(wǎng)等基本情況，并且對現(xiàn)狀易澇區(qū)分布及受澇原因進行分析[10]，為充分利用截流河水系的調(diào)蓄能力和連通性，采用北片區(qū)集中治澇方案。

北片區(qū)集中治澇方案在截流河北段和二涌與沙福河河口間設(shè)置節(jié)制水閘，使高、低水分離，在截流河北出口設(shè)置集中抽排泵站，將北片區(qū)雨水排入截流河封閉區(qū)域進行集中抽排。南片區(qū)整體地勢較高，具備自排調(diào)整，故南片區(qū)來水通過截流河南段及南連通渠自排出海。

1)現(xiàn)狀排澇能力

大空港片區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力較差，<1年一遇的管渠占31.8%，1～2年一遇的管渠占9.9%，2～3年一遇的管渠占6.6%，3～5年一遇的管渠占7.7%，≥5年一遇的管渠占43.9%。

結(jié)合匯水范圍地面高程統(tǒng)計分析，根據(jù)現(xiàn)場易澇點調(diào)查資料(見表3)，研究區(qū)域內(nèi)澇區(qū)面積共約3.48 km2。

表3 大空港片區(qū)易澇區(qū)面積統(tǒng)計 km2

2)泵站總體布置

排澇泵站位于截流河北出口，受限于周邊現(xiàn)狀高速公路、擬建鐵路及市政道路限制，泵站與截流河北節(jié)制閘布置在規(guī)劃截流河北出口河道彎道后段。泵站與北節(jié)制閘組成樞紐布置，根據(jù)水閘水力條件，水閘布置在北側(cè)，泵站布置在南側(cè)，水閘和泵站并列布置，總布置寬度約為140.0 m，泵站布置寬度為50.0 m，水閘布置約為73.0 m，中間設(shè)置寬為17.0 m導流島。

3.4 工程總體布置

根據(jù)工程防洪治澇布局，按分區(qū)治澇原則[11-12]，北片區(qū)德豐圍涌至和二涌5條支流排水采用集中抽排，在截流河北出口設(shè)置集中抽排泵站，并設(shè)置在北片區(qū)設(shè)置3座水閘攔蓄外水，即在截流河和二涌與沙福河中間設(shè)置中節(jié)制閘1座，截流河北出口和北連通渠出口各設(shè)置節(jié)制閘1座。

南片區(qū)沙福河到玻璃圍涌排澇以自排為主，根據(jù)擋潮布局及結(jié)合截流河景觀蓄水要求，在截流河南出口及南連通渠出口布置節(jié)制閘，主要擋潮、蓄水、行洪，同時與北片區(qū)3座節(jié)制閘和集中排澇泵站組成閘泵聯(lián)調(diào)體系，共計布置5座節(jié)制閘(見圖10)。

圖10 防洪(潮)治澇工程總體方案示意

4 內(nèi)澇模型計算分析

該方案的運行方式為：平時關(guān)閉北節(jié)制擋潮并攔蓄截流河，控制內(nèi)河水位，在洪水來臨并且外潮位低于排澇水位時，截流河北閘開閘泄洪，擋外江潮位高于排澇控制水位時，北節(jié)制閘聯(lián)合中節(jié)制閘和北連通渠節(jié)制組成治澇體系，并且開啟排澇泵站抽排澇水。

基于上述治澇工程方案，本文針對大空港截流河以東舊城區(qū)城市內(nèi)澇風險進行計算分析。

4.1 計算模型

內(nèi)澇風險采用DHI MIKE FLOOD軟件進行分析[13]，調(diào)用3個獨立的軟件模塊進行耦合計算，包括MIKE URBAN、MIKE 11和MIKE 21，本次模型中包含匯水區(qū)為5 192個，節(jié)點為5 419個，管道為3 411段。

4.2 輸入條件

模擬了2年和50年一遇設(shè)計暴雨的內(nèi)澇積水過程，由于導致內(nèi)澇的暴雨一般為短歷時強降雨，本次選取表4中最大6 h降雨作為水文輸入條件。

表4 各種工況下降雨統(tǒng)計 mm

4.3 現(xiàn)狀內(nèi)澇計算結(jié)果

2年一遇、50年一遇降雨情況下，溢流點最長的溢流時間分別為2.5 h和8.3 h；溢流時間超過5 h分別有2個、45個。

當發(fā)生2年一遇降雨時，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積總計為0.58 km2；當發(fā)生50年一遇降雨時，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積達2.57 km2(見圖11)。

圖11 現(xiàn)狀50年一遇內(nèi)澇分析示意(單位：m)

4.4 整治后內(nèi)澇計算結(jié)果

根據(jù)計算，2年一遇、50年一遇降雨情況下，溢流點最長的溢流時間分別為0.9 h和3.6 h。

當發(fā)生2年一遇降雨時，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積總計為0.08 km2；當發(fā)生50年一遇降雨時，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積約為0.17 km2(見圖12)。

圖12 整治后50年一遇內(nèi)澇分析示意(單位：m)

由此可見，由于干支流整治和集中排澇泵站的設(shè)置，水系在排澇時的承泄能力得到極大提高，在暴雨時雖然部分城區(qū)遭遇一定程度的積水，但內(nèi)澇災(zāi)害程度大幅降低。

5 結(jié)語

針對大空港新城防洪排澇情勢，提出了對南北防治特征分區(qū)而治的原則，北片區(qū)通過中節(jié)制閘及在截流河北出口和北連通渠出口新建節(jié)制閘與堤防護岸形成封閉防洪(潮)體系，南片區(qū)截流河南出口與南連通渠則直接入海，并在各出口新建節(jié)制閘排洪防潮，與截流河、連通渠堤防護岸形成南片區(qū)防洪(潮)體系。

采用DHI MIKE FLOOD軟件建立內(nèi)澇計算模型，計算結(jié)果表明，采取工程措施后，發(fā)生50年一遇降雨時，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積由2.57 km2下降到0.17 km2，內(nèi)澇災(zāi)害程度大幅降低。本文研究成果通過深圳市發(fā)展和改革委員會的審批，并于2018年1月開工，計劃于2022年12月完工，工程的實施對于解決大空港新城區(qū)防洪治澇、水質(zhì)改善與提升具有重要意義。