吳瑞霖，王 鑫，林蓉璇

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 背景及概述

1.1 研究必要性及現(xiàn)狀

水安全是城市安全的重要組成部分，是關系生存的基礎性問題[1]，城市高質(zhì)量發(fā)展要高度重視水安全風險。順德區(qū)位于廣東省的南部，珠江三角洲平原中部，是廣佛一體化建設的重要核心區(qū)域之一，2021年全年地區(qū)生產(chǎn)總值為4 064.38億元[2]，位居全國綜合實力百強區(qū)榜首，現(xiàn)狀堤防已達50 a一遇規(guī)劃標準，但由于該區(qū)域地勢較低，水高田低，雨洪同期，同時部分河道受到淤積束窄、行洪納潮通道被侵占、排澇能力不足、調(diào)蓄空間不夠及潮汐等因素疊加影響，往往造成外洪內(nèi)澇。佛山市受強降雨、洪水等災害影響，僅2020年已出現(xiàn)94次城鄉(xiāng)內(nèi)澇，近1 800棵樹木倒伏或折斷，165間房屋、商鋪等受浸，超0.086萬hm2農(nóng)作物受浸，直接經(jīng)濟損失約3 155萬元。洪澇災害可謂是佛山市的心腹大患，開展區(qū)域防洪排澇方案研究非常必要。

佛山市等珠三角城市防洪排澇問題受到廣泛關注，許多專家學者開展了系列研究并提出了相應的措施建議。其中，劉俊勇[3]通過總結(jié)分析近年來珠江三角洲外洪與內(nèi)澇的特點及變化趨勢，提出適當保留或增加一定調(diào)蓄水域以緩減城市內(nèi)澇與河口泄洪防潮壓力；徐張帆等[4]通過對中順大圍模擬計算分析提出，泵站排澇穩(wěn)定可控，是輔助排澇的重要手段；鄧東升等[5]通過編制專業(yè)程序求解的方式對佛山市禪城區(qū)羅格圍進行了排澇方案計算，提出了新建排澇電站、重建水閘、高標準整治內(nèi)河涌等措施建議；宋丹虹[6]通過對佛山市順德區(qū)排水規(guī)劃設計現(xiàn)狀評估剖析，提出了新建調(diào)蓄湖泊等措施建議。

1.2 地形地貌

倫教街道地處廣東省南部順德第一聯(lián)圍，位于世界上最復雜河網(wǎng)地區(qū)之一的珠江三角洲腹地，北臨順德水道、西至順德支流、南臨容桂水道、東至李家沙水道(如圖1所示)。

圖1 順德第一聯(lián)圍水系示意

順德區(qū)在地貌上屬地勢低洼的河流沖積平原，地勢西北略高，東南略低，大部分地區(qū)海拔為0.2～2 m。全區(qū)地域中，平原面積為473.2 km2，占總面積的58.7%；河流水面為301.5 km2，占總面積的37.3%；低山丘陵和臺地為31.43 km2，占總面積的4%。與全省平均水平相比，順德區(qū)的平原和水面所占的比例較高，而山地和丘陵所占的比例較低。

1.3 河流水系

順德第一聯(lián)圍外圍水系主要包括順德水道、潭州水道、陳村水道、沙灣水道、李家沙水道、順德支流、容桂水道。倫教街道有主干、支干和分支河涌約61條，總長為104.2 km。

1.4 排澇標準

參照《佛山市城市排水防澇設施建設規(guī)劃大綱》，經(jīng)實地調(diào)研查勘，并與當?shù)厮姓鞴懿块T及群眾座談溝通，確認佛山市順德區(qū)倫教街道排澇標準近期為20 a一遇、遠期為30 a一遇24 h設計暴雨1 d排完，內(nèi)河涌排澇控制水位按照1.0 m(珠基)考慮。

2 模型的建立與驗證

2.1 計算分區(qū)及邊界

按照順德第一聯(lián)圍地形地貌、河網(wǎng)匯水范圍將集水區(qū)劃分為33個排澇分區(qū)，并根據(jù)《廣東省水資源調(diào)查評價》(2004)及1981—2010年日降雨資料計算設計徑流及年徑流月分配值，設計暴雨采用廣東省綜合單位線、推理公式法及徑流系數(shù)法等3種方法推求，計算得到設計洪水過程后綜合比選，采用綜合單位線法計算成果。同時考慮遭遇外江多年平均洪峰流量和多年平均高潮位過程。

2.2 計算范圍

模型的計算范圍包括珠江三角洲主要河道和順德第一聯(lián)圍內(nèi)主要河涌，河網(wǎng)概化模型如圖2、圖3所示。上邊界為上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、東江控制站博羅站的流量過程，下邊界為下游虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞鳴門、虎跳門和崖門八大口門的潮位過程。數(shù)學模型對聯(lián)圍內(nèi)73條主要內(nèi)河涌均進行了概化，河長約213 km，每條內(nèi)河涌斷面間距約為300 m。此外，圍內(nèi)所有水閘和泵站均納入數(shù)學模型，并按相應調(diào)度原則進行調(diào)度。

圖2 珠江三角洲一維河網(wǎng)模型概化示意

圖3 順德第一聯(lián)圍一維河網(wǎng)模型概化示意

2.3 計算方法

MIKE 11在河網(wǎng)模擬、排澇計算等方面已得到廣泛應用[7-12],水流數(shù)學模型采用圣維南方程中的連續(xù)性方程和動量方程進行聯(lián)立，如公式(1)(2)所示，并用6點Abbott-Ionescu隱式格式進行離散求解。

(1)

(2)

式中:

A——過水面積；

t——時間；

Q——流量;

x——沿河距離;

α——動力擴散系數(shù);

h——水位;

R——水力半徑;

C——謝才系數(shù);

g——重力加速度;

q——單位河長側(cè)向流量，流入為正，流出為負。

3 模型率定

珠江三角洲一維水動力數(shù)學模型主要河道地形采用2008年期間的地形資料進行概化。同時考慮地形及水文資料的實際條件，選取“08.6”洪水對珠江三角洲一維數(shù)學模型進行率定。

圖4為“08.6”洪水條件下模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較，從計算結(jié)果看，模型能夠較好地模擬珠江三角洲復雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量的計算值與實測值吻合良好，水位最大誤差為0.17 m，流量誤差不超過10%，符合有關規(guī)范要求，且變化跟隨性較強，基本能滿足模型驗證要求，說明模型能正確反映網(wǎng)河水位及流量的空間分布特性。

同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位關系計算與實測同步性也很好，能較好地再現(xiàn)網(wǎng)河區(qū)各站水位流量隨時間的變化特征。

圖4 “08.6”洪水條件下模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較示意

4 模型驗證

考慮地形及水文資料的實際條件，選取“05.6”洪水對珠江三角洲一維數(shù)學模型進行驗證。

圖5為“05.6”洪水水文條件下模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比，從計算結(jié)果看，系統(tǒng)模型能夠良好地模擬三角洲復雜水網(wǎng)在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。各站水位及流量的計算值與實測值吻合良好，水位最大誤差為0.19 m，流量誤差不超過10%，符合有關規(guī)范，且變化跟隨性較強，基本能滿足模型驗證要求，同時在計算的長歷時過程中潮位及流量相位計算值與實測值同步性也較好，基本可以再現(xiàn)模擬區(qū)域各站水位流量隨時間的變化特征。

圖5 “05.6”洪水珠江三角洲主要水位站實測與數(shù)模計算成果比較示意

5 擬定的研究方案及計算分析

為使順德區(qū)倫教街道達到20 a一遇24 h設計暴雨1 d排完的排澇標準(即該區(qū)域內(nèi)河涌排澇控制水位按照1.0 m(珠基)來控制)，按照《佛山市城市排水防澇設施建設規(guī)劃大綱》等有關防洪排澇規(guī)劃及水利工程建設方案，在新建水閘、泵站方面，考慮在黃麻涌泵站旁新建黃麻涌二站；在河道整治方面，對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等不滿足排澇過流要求的主排河涌進行拓寬整治；在新建調(diào)蓄湖泊方面，規(guī)劃在大良街道順德新城東區(qū)新建桂畔湖，水面面積約25.33 hm2，調(diào)蓄容積為22.7萬m3，在倫教城區(qū)新建人工湖，水面面積約41 hm2，調(diào)蓄容積為45.1萬m3，在勒流南部組團新建南水湖，水面面積約50.67 hm2，調(diào)蓄容積為45.5萬m3。

方案計算按照較不利工況進行考慮，計算邊界統(tǒng)一為上游使用多年平均洪峰流量，采用2006年7月高要站和1998年6月石角站洪水過程作為典型，以洪峰流量比值為放大系數(shù)，按同倍比放大法推求設計洪水過程線，下游使用多年平均高高潮，采用1998年6月洪水期間下游八大口門相應潮位過程，按多年平均高高潮位進行縮放，同時遭遇20 a一遇設計暴雨。綜合考慮增設工程措施及調(diào)整調(diào)度方式，設計工況1到工況7，其中工況1、工況2為現(xiàn)狀調(diào)整調(diào)度方式工況，工況3、工況4為規(guī)劃內(nèi)新增工程措施工況，工況5、工況6、工況7為規(guī)劃外新增工程措施工況：

工況1：圍內(nèi)禾興圍閘、羊大河閘、灰爐涌閘、通天河閘等4個節(jié)制閘全部保持開啟；

工況2：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關閉；

工況3：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關閉，新建黃麻涌二站流量為48 m3/s；

工況4：圍內(nèi)4個節(jié)制閘關閉，新建黃麻涌二站流量為48 m3/s，在新城東區(qū)、倫教城區(qū)及勒流南部組團等處新建3個調(diào)蓄湖；

工況5：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關閉；

工況6：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，擴建雞洲泵站流量為至98 m3/s，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關閉；

工況7：新建3宗節(jié)制閘(分別建于官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌?，擴建雞洲泵站流量為至88 m3/s，新建羊額涌泵站流量為10 m3/s及仕版涌泵站流量為15 m3/s，對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌進行河道清淤，除禾興圍節(jié)制閘外，圍內(nèi)其余節(jié)制閘全部關閉。

不同設計工況下典型斷面處的控制水位見表2。

表2 不同設計工況下典型斷面水位值 m

① 在開啟節(jié)制閘情況下，受上游洪峰來水及下游高高潮位頂托疊加影響，研究范圍內(nèi)水位較高，均遠高于控制水位(1.0 m)，特別是最上游良仁涌水閘處達到1.98 m。② 相比工況1，關閉節(jié)制閘后，導致圍內(nèi)降雨及上游來洪無法及時通過羊大河及良仁涌等河道排出，良仁涌水閘處水位升高到2.21 m，同時也阻止了轄區(qū)外澇水進入，使得其余典型斷面處水位降幅均超過0.6 m，但仍高于控制水位0.3 m左右。③ 在工況2基礎上，關閉節(jié)制閘的同時再新建泵站黃麻涌二站，可將良仁涌水位再降低0.26 m。④ 在工況3基礎上，考慮在順德第一聯(lián)圍內(nèi)新建3個調(diào)蓄湖將整體降低研究范圍內(nèi)水位，降幅達到0.2 m，但烏洲水閘、大成水閘、雞洲水閘等多處水位仍高于控制水位。⑤ 在官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌谛陆?宗節(jié)制閘，可使倫教大涌以北河涌與倫教大涌斷開，僅保持禾興圍節(jié)制閘開啟，對比工況2，良仁涌水閘處水位降低0.44 m，但其他水閘處水位均有不同程度升高，平均升高0.33 m。⑥ 在工況5基礎上，擴建雞洲泵站，良仁涌水閘處水位降低0.19 m，但仍高于要求水位0.67 m，其他處水位均有大幅降低，其中大洲水閘、大成水閘及雞洲水閘處水位已達到控制水位。⑦ 在工況4基礎上，經(jīng)各河道排澇能力復核、多方案計算對比分析，綜合確定各泵站規(guī)模，擴建(新建)3座泵站并對范圍內(nèi)部分河涌進行清淤疏浚，各處水位基本達到規(guī)劃要求。綜上所述，經(jīng)計算比選，工況7可作為順德區(qū)倫教街道防洪排澇推薦方案，即在官沙第二涌、羊額涌、龍?zhí)镉亢涌谔幮陆ü?jié)制閘，擴建雞洲泵站、新建羊額涌泵站及仕版涌泵站，并對良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌進行河道清淤，調(diào)度運用時，僅需關閉禾興圍節(jié)制閘，即可基本滿足近期防洪排澇要求。

6 結(jié)語

新設、關閉節(jié)制閘可有效控制轄區(qū)外澇水進入，新建、擴建排澇泵站，可增大倫教街道的行洪排澇能力，新建調(diào)蓄湖、疏浚河道，可增大倫教街道的洪水蓄泄能力，均可在一定程度上降低圍內(nèi)水位；但單一措施均無法達到規(guī)劃目標要求，需要多措并舉、合理調(diào)度、聯(lián)合運用，方可將內(nèi)河涌排澇水位控制到1 m左右。

對如何進一步緩解城市排澇問題開展深入研究，將結(jié)合海綿城市建設及城市發(fā)展規(guī)劃[13]，考慮運用水安全、水資源等方面策略[14]。