劉達(dá) 黃本勝 劉中峰 譚超 洪昌紅

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.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；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；4.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣州 510635）

1 研究背景

潖江蓄滯洪區(qū)是廣東省乃至珠江流域唯一一個(gè)國(guó)家級(jí)蓄滯洪區(qū)（圖1），也是北江防洪體系的重要組成部分[1]。潖江蓄滯洪區(qū)所在的河流潖江是北江的主要支流之一。潖江蓄滯洪區(qū)22.0 m 高程（珠基，以下同）以下區(qū)域面積為82 km2，容積4.44億m3，區(qū)內(nèi)有大小堤圍17宗，常住人口約7.6 萬(wàn)人，耕地面積為0.53 萬(wàn)hm2。潖江蓄滯洪區(qū)對(duì)北江洪水有分流和滯洪作用，可減輕下游地區(qū)的防洪負(fù)擔(dān)，其主要任務(wù)是輔助飛來(lái)峽水利樞紐、北江大堤、清遠(yuǎn)各堤圍防洪，使北江大堤防洪標(biāo)準(zhǔn)由100年一遇提高到300年一遇，并使北江中下游堤圍（如清遠(yuǎn)市的清東、清西、清城等）的防洪標(biāo)準(zhǔn)由50年一遇提高到100年一遇。

圖1 潖江蓄滯洪區(qū)位置示意圖

潖江蓄滯洪區(qū)既要承擔(dān)蓄滯超額洪水的防洪任務(wù)，又是區(qū)內(nèi)居民賴以生存和發(fā)展的基地[2]。由于歷史和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等原因，潖江蓄滯洪區(qū)面積大，區(qū)內(nèi)耕地和人口較多，影響到蓄滯洪功能的正常發(fā)揮。潖江蓄滯洪區(qū)在歷史上為洪水泛濫的濕地，依賴濕地生存、繁衍的野生動(dòng)植物極為豐富。近年來(lái)，在人類活動(dòng)和自然因素的共同影響下，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，濕地面積減少、濕地功能喪失或退化嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，潖江蓄滯洪區(qū)現(xiàn)有濕地面積約6.5 km2，主要為河道和魚(yú)塘，較20世紀(jì)50年代減少約80%。

從其他地區(qū)的蓄滯洪區(qū)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)看，把蓄滯洪區(qū)建設(shè)成濕地是較為可行的選擇。日本渡良瀨蓄滯洪區(qū)就是主要通過(guò)濕地對(duì)洪水進(jìn)行儲(chǔ)蓄，經(jīng)過(guò)濕地內(nèi)各種植物的吸附和沉淀作用，去除水中的氮和磷等，以達(dá)到對(duì)水體自然凈化的目的。在新的歷史時(shí)期，潖江蓄滯洪區(qū)宜積極借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)地區(qū)蓄滯洪區(qū)的管理理念[3-6]，適時(shí)將蓄滯洪區(qū)內(nèi)的主要人口轉(zhuǎn)移，將其單一的防洪功能轉(zhuǎn)為具有洪水調(diào)蓄、自然災(zāi)害防治、污染物降解、自然觀光、旅游、娛樂(lè)等多功能的濕地化運(yùn)用，這是破解蓄滯洪區(qū)防洪減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、濕地保護(hù)三重矛盾的關(guān)鍵。

2“三核一帶”局部濕地化運(yùn)行模式研究

潖江蓄滯洪區(qū)內(nèi)有很多子圍，依據(jù)子圍保留的程度，可以把蓄滯洪區(qū)濕地化模式分為完全濕地化模式和局部濕地化模式兩種[7]。完全濕地化模式是將全部子圍及其上的排澇設(shè)施拆除，形成大面積的連片濕地；局部濕地化模式是保留部分子圍及其排澇設(shè)施，圍外可以形成由蘆葦?shù)饶脱椭参飿?gòu)成的天然濕地，子圍內(nèi)可以建設(shè)具備觀光旅游功能的精細(xì)化人工濕地或生態(tài)農(nóng)業(yè)園。完全濕地化建設(shè)模式雖然只是在枯水期控制濕地水位，在洪水期恢復(fù)天然，但是仍然可能對(duì)蓄滯洪區(qū)的分洪能力造成較大的影響，其主要原因在于：子圍拆除導(dǎo)致整個(gè)蓄滯洪區(qū)形成連片區(qū)域，加之沒(méi)有排澇設(shè)施對(duì)已有蓄洪進(jìn)行靈活預(yù)排，中小洪水時(shí)大部分蓄滯容量就已被占用，造成特大洪水來(lái)臨時(shí)已經(jīng)沒(méi)有足夠的剩余容量。尤其是幾個(gè)重要子圍如大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍、良塘圍、鳳洲圍的分洪流量之和占總分洪流量的66%，完全濕地化模式將其進(jìn)行連片運(yùn)營(yíng)會(huì)對(duì)整個(gè)蓄滯洪區(qū)的蓄滯洪功能產(chǎn)生較大影響。此外，由于進(jìn)行大面積的濕地化開(kāi)發(fā)，大廠圍等內(nèi)部約2.85 萬(wàn)人須進(jìn)行轉(zhuǎn)移安置，移民人數(shù)較多。因此，潖江蓄滯洪區(qū)采用完全濕地化建設(shè)模式不可行。

與完全濕地化建設(shè)模式相比，若能將大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍、鳳洲圍3個(gè)子圍全部保留，圍內(nèi)部分人員疏散，這樣就形成了“三核”：大廠圍片核心區(qū)（有子圍保護(hù)）+獨(dú)樹(shù)圍核心區(qū)（有子圍保護(hù)）+鳳洲圍核心區(qū)（有子圍保護(hù)），“一帶”：潖江河道及灘地的帶狀區(qū)域，也就是蓄滯洪區(qū)“三核一帶”濕地化建設(shè)模式（圖2）?！叭艘粠А睗竦鼗ㄔO(shè)模式下，在大洪水來(lái)臨前，可利用原有排澇泵站騰空各子圍內(nèi)的蓄水，需要分洪時(shí)不影響分洪能力，對(duì)潖江蓄滯洪區(qū)的防洪影響較小。具體規(guī)劃如下。

圖2 潖江蓄滯洪區(qū)“三核一帶”濕地化建設(shè)總體布局

（1）工程布局。在大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍之間的潖江干流河道修建潖江1#水閘，閘頂高程22.0 m，大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍的其他堤段全部拆除（大廠圍東側(cè)堤防除外）。在良塘電排站附近修建潖江2#水閘，閘頂高程22.0 m，良塘圍及鳳洲圍其他堤段全部拆除。在鳳洲圍中部新建鳳洲圍濕地引水閘，閘頂高程23.0 m、閘底板高程17.0 m。修建潖江1#水閘和潖江2#水閘的主要目的是控制蓄滯洪區(qū)枯水期的水位，由于濕地營(yíng)造的水深不能太深，因此需要分兩級(jí)進(jìn)行控制。其中，現(xiàn)狀大廠圍圍內(nèi)主要是魚(yú)塘等，高程13.0～14.5 m，獨(dú)樹(shù)圍圍內(nèi)主要是林地和耕地，高程13.3～14.6 m，因此第一級(jí)的潖江1#水閘控制閘前水位為17.0 m。良塘圍圍內(nèi)高程16.6～18.1 m，鳳洲圍圍內(nèi)高程18.6～20.2 m，因此第二級(jí)的潖江2#水閘控制閘前水位為20.5 m，這樣兩級(jí)回水可以較好地銜接。

（2）工程調(diào)度運(yùn)用。大廠圍可以在枯水期利用大廠電灌站引水，控制圍內(nèi)水位15.5 m，與圍外水位形成1.5 m 的水位差便于隨時(shí)進(jìn)行引水換水。獨(dú)樹(shù)圍在枯水期利用獨(dú)樹(shù)水閘引水，控制圍內(nèi)水位15.5 m。鳳洲圍在中部利用新建的鳳洲圍引水閘引水，控制圍內(nèi)水位20.5 m。由于保留了堤圍和分洪閘及排澇設(shè)施，一般性的洪水不影響圍內(nèi)的濕地正常運(yùn)行，當(dāng)江口圩水位達(dá)到20.4 m 時(shí)提前用排澇泵站騰空圍內(nèi)的水，當(dāng)江口圩水位大于21.4 m 且繼續(xù)上漲、并預(yù)報(bào)上游來(lái)水將超過(guò)100 年一遇時(shí)才會(huì)啟動(dòng)分洪，因此運(yùn)用的概率非常小。大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍可以進(jìn)行精細(xì)化的人工濕地營(yíng)造，打造美麗的濕地旅游景觀，同時(shí)可以作為區(qū)域備用水源。鳳洲圍由于地面高程較高，且分洪時(shí)屬于較遲運(yùn)用的，可以進(jìn)行嶺南水鄉(xiāng)生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園的規(guī)劃建設(shè)。對(duì)于“一帶”的濕地開(kāi)發(fā)模式：因?yàn)?0年一遇洪水都要發(fā)生淹沒(méi)，應(yīng)主要以基本免維護(hù)的天然蘆葦?shù)戎参餅橹?，濕地?nèi)可以設(shè)置縱橫連通的觀光木棧道，同時(shí)具有避洪轉(zhuǎn)移的功能。

3 濕地化建設(shè)運(yùn)行模式的蓄滯洪影響分析

采用二維水流數(shù)學(xué)模型[8-9]計(jì)算分析評(píng)估潖江蓄滯洪區(qū)“三核一帶”濕地化建設(shè)對(duì)蓄滯洪功能的影響。

3.1 設(shè)計(jì)洪水

潖江蓄滯洪區(qū)大部分區(qū)域地勢(shì)低洼，加上丘陵山區(qū)地質(zhì)地貌的復(fù)雜變化，該區(qū)域既受內(nèi)澇影響，也受北江洪水頂托倒灌，承擔(dān)削減洪峰、蓄滯超標(biāo)準(zhǔn)洪水的任務(wù)，新中國(guó)成立后的大洪水有1964 年、1966 年、1968 年、1982 年、1983 年、1994 年、1997 年、2006 年、2013 年和2014 年等年份。本文以北江干流橫石站和石角站為設(shè)計(jì)站點(diǎn)，其中橫石站采用《珠江流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》成果，石角站采用《珠江流域防洪規(guī)劃》成果，見(jiàn)表1。本研究主要考慮北江干流洪水對(duì)潖江蓄滯洪區(qū)的影響，因此洪水遭遇按如下情況考慮：以北江為主，石角站與橫石站洪水同頻率、區(qū)間洪水相應(yīng)組合。

表1 北江干流設(shè)計(jì)洪水成果

3.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)潖江蓄滯洪區(qū)所處地理位置及流域水系特征，構(gòu)建了二維水流數(shù)學(xué)模型。

3.2.1 基本方程

工程所在的河段、河面與水深相比較為寬闊，流量的垂向變化相對(duì)于平面兩個(gè)方向較小，可以采用平面二維淺水方程進(jìn)行描述。平面二維數(shù)學(xué)模型主要用于較為細(xì)致地計(jì)算工程河段局部的流速和流場(chǎng)形態(tài)變化，其基本方程由水流連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。

水流連續(xù)性方程：

水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：u、v為垂向平均流速在x、y方向的分量；H=h0+η，h0為靜水時(shí)的水深；η為自由水面在豎直方向的位移；ε為紊動(dòng)黏性系數(shù)；f為科氏系數(shù)；τbx、τby為床面阻力在x、y方向的分量；τsx、τsy為底應(yīng)力在x、y方向的分量。

3.2.2 計(jì)算方法

基本方程組采用ADI法離散，經(jīng)推導(dǎo)，上述方程在n層上x(chóng)向的離散格式整理如下：

式中：A、B、C、f、A1、B1、C1、f1、A2、B2、C2、f2為離散系數(shù)。

對(duì)離散后的基本方程組采用追趕法進(jìn)行求解。

3.2.3 模型范圍、地形資料及網(wǎng)格劃分

（1）模型范圍及地形資料。蓄滯洪區(qū)“三核一帶”模式地形概化結(jié)果如圖3 所示，計(jì)算范圍包括整個(gè)潖江蓄滯洪區(qū)，面積約229.4 km2。潖江蓄滯洪區(qū)地形資料采用2016 年實(shí)測(cè)大范圍地形資料。

圖3 蓄滯洪區(qū)“三核一帶”模式地形概化結(jié)果（含4個(gè)計(jì)算采樣點(diǎn)位置）

（2）網(wǎng)格劃分及計(jì)算參數(shù)選取。二維模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20 068，三角形網(wǎng)格總數(shù)為39 763。計(jì)算最大網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)約500 m，最小網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)小于20 m，從而能夠較為精細(xì)概化地形。二維數(shù)學(xué)模型最大時(shí)間步長(zhǎng)取60 s，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，臨界克朗數(shù)為0.8。干水深為0.001 m，濕水深取0.1 m。渦黏系數(shù)根據(jù)Smagorinsky公式取0.28。

3.2.4 工程概化

目前對(duì)新建工程模擬主要有兩種模式：局部阻力修正法和直接模擬法。局部阻力修正法建立在等效阻力的基礎(chǔ)上，對(duì)新建工程所在網(wǎng)格的糙率進(jìn)行修正并相應(yīng)抬高網(wǎng)格高程，將工程作為過(guò)水區(qū)域處理，這樣的處理模式不必描出新建工程的輪廓，可以減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間；直接模擬法采用加密網(wǎng)格，精確描述新建工程的邊界并修正其實(shí)際網(wǎng)格高程，所得流場(chǎng)較為真實(shí)可靠。本文采用的是直接模擬法，在數(shù)值模型中，采用三角形無(wú)結(jié)構(gòu)加密網(wǎng)格模擬堤防等，模擬較為精確。

3.3 蓄滯洪影響計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算在蓄滯洪區(qū)“三核一帶”沿線共布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)t1—t4（圖3），對(duì)比分析現(xiàn)狀蓄滯洪區(qū)和按照“三核一帶”模式進(jìn)行濕地建設(shè)后的洪水位過(guò)程的差異，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，采樣點(diǎn)距離潖江河口位置越遠(yuǎn)，水位變化越滯后，總體表現(xiàn)為t4 采樣點(diǎn)水位變化相對(duì)較晚。對(duì)比天然滯洪和按照“三核一帶”模式滯洪的水位過(guò)程線可以看出，天然滯洪條件下的水位過(guò)程出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)，而按照“三核一帶”模式滯洪的水位過(guò)程線較晚且有突變，表明靠近潖江河口附近的“一核、二核”和“一帶”先滯納洪水，當(dāng)水位進(jìn)一步升高后，逐漸通過(guò)更遠(yuǎn)的“三核”滯納洪水，即表明“三核一帶”模式對(duì)洪水的調(diào)控能力有所增強(qiáng)，即可根據(jù)洪水大小靈活確定分洪區(qū)域。經(jīng)過(guò)約12 h 的計(jì)算后，各采樣點(diǎn)天然滯洪的水位和“三核一帶”模式滯洪水位最終基本一致，充分利用了蓄滯洪區(qū)的調(diào)蓄容積（與天然狀況相差不大，約為1.8 億m3）。同時(shí)可以看到，t1—t4 上漲時(shí)間較天然模式均靠后，說(shuō)明該模式在一定程度上降低了對(duì)北江洪水的分洪和削峰作用，但是基本上不影響最終的分洪量，表明“三核一帶”濕地化建設(shè)模式對(duì)整個(gè)蓄滯洪區(qū)的洪水調(diào)蓄影響不大。

圖4 天然蓄滯洪模式和“三核一帶”濕地化模式的洪水過(guò)程線對(duì)比

4 結(jié) 論

潖江蓄滯洪區(qū)既要承擔(dān)蓄滯超額洪水的防洪任務(wù)，又是區(qū)內(nèi)居民賴以生存和發(fā)展的基地。在新的歷史時(shí)期，潖江蓄滯洪區(qū)宜借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)地區(qū)蓄滯洪區(qū)的管理理念，適時(shí)將蓄滯洪區(qū)內(nèi)的主要人口轉(zhuǎn)移，將其單一的防洪功能轉(zhuǎn)為具有洪水調(diào)蓄、自然災(zāi)害防治、污染物降解、自然觀光、旅游、娛樂(lè)等多功能的濕地化運(yùn)用，這是破解蓄滯洪區(qū)防洪減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、濕地保護(hù)三重矛盾的關(guān)鍵。本文提出了“三核一帶”濕地化建設(shè)模式，并通過(guò)二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算了濕地化建設(shè)對(duì)蓄滯洪功能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）完全濕地化對(duì)蓄滯洪功能影響大。如果將所有子圍拆除，將蓄滯洪區(qū)完全濕地化，在中小洪水時(shí)就已經(jīng)占用了分洪容量，北江特大洪水來(lái)臨時(shí)已經(jīng)沒(méi)有足夠的分洪容量用于洪水蓄滯，這樣對(duì)蓄滯洪區(qū)的分洪能力造成較大的影響。

（2）“三核一帶”濕地既能保證蓄滯洪功能，又能因地制宜建設(shè)不同類型的濕地。采取將3 個(gè)主要子圍保留的濕地化模式，則可以形成“三核一帶”濕地格局，即大廠圍核心區(qū)（有子圍保護(hù)）+獨(dú)樹(shù)圍核心區(qū)（有子圍保護(hù)）+鳳洲圍核心區(qū)（有子圍保護(hù)）+潖江河道及灘地的帶狀區(qū)域（一帶）。大廠圍、獨(dú)樹(shù)圍可以進(jìn)行精細(xì)化的人工濕地營(yíng)造，打造美麗的濕地旅游景觀，同時(shí)可以作為區(qū)域備用水源。鳳洲圍由于地面高程較高，且分洪時(shí)屬于較遲運(yùn)用的，可以進(jìn)行嶺南水鄉(xiāng)生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園的規(guī)劃建設(shè)?！耙粠А钡臐竦亻_(kāi)發(fā)應(yīng)主要以基本免維護(hù)的天然蘆葦?shù)戎参餅橹?，濕地?nèi)可以設(shè)置縱橫連通的觀光木棧道，同時(shí)具有避洪轉(zhuǎn)移的功能。

（3）相比天然蓄滯洪區(qū)，“三核一帶”濕地模式滯洪的水位過(guò)程線較晚且有突變，但經(jīng)過(guò)約12 h 后，天然滯洪的水位和“三核一帶”模式滯洪水位最終基本一致，充分利用了蓄滯洪的調(diào)蓄容積，表明“三核一帶”濕地化建設(shè)模式對(duì)整個(gè)蓄滯洪區(qū)的洪水調(diào)蓄影響不大。