周小珍

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

沿海城市地理位置特殊，臺風(fēng)頻繁，沿海河道極易遭受潮位頂托。受潮水“潮起潮落”的影響，沿海河道防洪排澇調(diào)度面臨更大的挑戰(zhàn)。深圳地處珠江流域下游，河網(wǎng)密布，水問題十分復(fù)雜，洪潮澇災(zāi)害、水質(zhì)型缺水等水安全問題日益頻發(fā)。深圳市近海區(qū)域為感潮河段，因受天文高潮影響和臺風(fēng)頻繁侵襲，珠江口水系河流的中下游縱比降小，地勢平緩低洼，河道洪水渲泄緩慢。若洪流與潮流遭遇，近海區(qū)域的洪澇災(zāi)害則更加嚴(yán)重。非工程措施是除了工程措施以外的城市防洪排澇的一種重要措施。如何在不增加現(xiàn)有防洪排澇工程建設(shè)的情況下，結(jié)合氣象預(yù)報，通過優(yōu)化調(diào)度方案，最大程度的發(fā)揮現(xiàn)有工程措施的效益，一直是沿海河道防洪排澇的研究重點。

1 項目區(qū)概況

茅洲河流域位于深圳市西北部，屬珠江口水系。發(fā)源于石巖水庫的上游—陽臺山，流經(jīng)石巖、公明、光明、松崗、沙井街道，在沙井民主村匯入伶仃洋。石巖水庫的建設(shè)，改變了原有水系的匯流狀況，石巖水庫以上流域的徑流不再匯入茅洲河，而成為西鄉(xiāng)河流域的一部分?，F(xiàn)狀茅洲河的流域面積為388.23km2。沙井河為茅洲河下游左岸一級支流，流域面積為28.22km2，河長5.81km，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，位于深圳市寶安區(qū)。排澇河為茅洲河下游左岸一級支流，位于沙井河下游，流域面積40.34km2，河長3.79km，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。排澇河口與沙井河口距茅洲河入海口分別為3.35和4.85km。兩條河通過崗頭調(diào)節(jié)池連通，與茅洲河形成了環(huán)形的水流通道，整個通道均受到珠江口潮水的影響，河道水位及流向隨著潮水位的變化而變化。沙井河、排澇河閘站工程統(tǒng)計表見表1，其中潭頭閘為兩河道交界處節(jié)制閘。

表1 沙井河、排澇河閘站工程統(tǒng)計表

沙井河—排澇河片區(qū)屬于深圳西北部濱海平原區(qū)，地勢低平，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)地勢低于3.5m，且自東向西逐漸降低，片區(qū)地勢如圖1所示。由圖1中可以看出，崗頭調(diào)節(jié)池以下的沙井河——排澇河片區(qū)，地面高程低于3.5m的區(qū)域約占60%，其中更有近20%地面高程低于2.5m。

圖1 沙井河片區(qū)、排澇河片區(qū)地勢示意圖

2 現(xiàn)有調(diào)度方案

沙井河片區(qū)排澇系統(tǒng)主要由沙井河、松崗河、排澇河以及沙井河河口樞紐構(gòu)成，其特征水位示意圖如圖2所示。其中，排澇河作為崗頭調(diào)節(jié)池上游較高區(qū)域匯水的自排通道。沙井河、松崗河沿線較低區(qū)域的降雨經(jīng)雨水管網(wǎng)和河道收集后，通過河口樞紐(沙井水閘、沙井河口排澇泵站)排入茅洲河。茅洲河水位較低時開啟水閘自排，茅洲河水位較高時水閘關(guān)閉通過泵站抽排，維持沙井河和排澇河較低水位。此外，以往的調(diào)度方案中并未明確沙井河片區(qū)與排澇河片區(qū)聯(lián)合調(diào)度的控制參數(shù)，未明確以洪為主和以潮為主兩種工況下實際調(diào)度規(guī)程。

圖2 沙井河、排澇河特征水位示意圖

3 聯(lián)合調(diào)度方案

3.1 調(diào)度原則及控制條件

為了最大程度的發(fā)揮現(xiàn)有工程措施的效益整體，本文聯(lián)合調(diào)度方案的整體思路是在現(xiàn)有水利設(shè)施基礎(chǔ)上，實現(xiàn)沙井河片區(qū)和排澇河片區(qū)的水系連通。具體而言，以潭頭閘兩側(cè)水位為控制條件，在沙井泵站有余度的情況下，抽排排澇河的澇水。根據(jù)茅洲河洪潮遭遇情況，本文將調(diào)度工況分為“以洪為主”和“以潮為主”兩種，其對應(yīng)的調(diào)度原則及控制條件如下。

(1)以洪為主：主要表現(xiàn)為流域內(nèi)降雨較大，外江潮位維持在較低水平，此工況下流域主要威脅來自流域內(nèi)降雨。該工況下，排澇河可以實現(xiàn)自排；沙井泵站抽排優(yōu)先保證沙井河流范圍內(nèi)雨水的排除。若潭頭水閘沙井側(cè)水位低于1.96m且排澇河側(cè)水位高于3.43m，則打開潭頭水閘，由沙井泵站同時抽排排澇河片區(qū)雨水。

(2)以潮為主：主要表現(xiàn)為外江水位較高，但流域降雨重現(xiàn)期不高，此工況下主要威脅來自外江。該工況下河口水閘需關(guān)閉防止倒灌，流域內(nèi)澇水的排除依靠泵站抽排。當(dāng)排澇河無法自排時，在保證沙井片區(qū)不受澇的基礎(chǔ)上，充分利用沙井泵站的抽排能力，最大限度的解決排澇河流域的受澇問題。具體而言，當(dāng)沙井泵站抽排流量未達(dá)170m3/s，且潭頭水閘沙井側(cè)水位低于1.96m時，打開潭頭水閘，由沙井泵站同時抽排排澇河片區(qū)雨水。

3.2 “以洪為主”聯(lián)合調(diào)度實例分析

2018年8月30日降雨潮位情況：8.30赤灣站最高潮位為2.02m，低于高潮位多年平均值2.16m。萬豐站24小時降雨量為286.4mm，超10年一遇(水利)，松崗站24小時雨量為254mm，為5～10年一遇(水利)。萬豐站和松崗站24小時降雨量為氣象標(biāo)準(zhǔn)的特大暴雨級別(>250mm)?？梢耘袛啵?018年8月30日降雨潮位過程為以洪為主的過程。因此，本文以2018年8月30日降雨期間調(diào)度分析為例說明以洪為主的調(diào)度方案。具體的調(diào)度方案如下：

第一步：根據(jù)降雨預(yù)報，關(guān)閉潭頭水閘，打開排澇河河口水閘、沙井河口水閘。

第二步：當(dāng)降雨開始，沙井河口水閘內(nèi)河水位達(dá)到0.8m時關(guān)閉沙井河口水閘，開啟泵站排水，并根據(jù)沙井河河口水閘的水位變化控制泵站的開啟臺數(shù)，直至泵站全部開啟。

第三步：及時監(jiān)測潭頭河水閘兩側(cè)水位，若沙井側(cè)水位低于1.96m且排澇河側(cè)水位高于3.43m，則逐步打開潭頭水閘，控制潭頭水閘沙井側(cè)水位不高于1.96m，由沙井泵站同時抽排排澇河片區(qū)雨水。

第四步：及時監(jiān)測潭頭河水閘兩側(cè)水位，排澇河側(cè)水位持續(xù)低于3.43m，則逐步關(guān)閉潭頭水閘。

第五步：逐步關(guān)停沙井泵站相應(yīng)機(jī)組，直至將沙井河水位降至0.8m，關(guān)閉沙井泵站，打開沙井河河口水閘自排。

2018年8月30日期間沙井泵站工作記錄見表2。其中，泵站共運行22小時03分鐘，五臺機(jī)組同時運行3小時59分鐘；單機(jī)一次運行最長15小時22分鐘，單機(jī)運行時間為72小時21分鐘；共抽排885.56萬m3，最高水位2.5m(16∶00)，高峰時，共啟動5臺機(jī)組同時運行。

表2 2018年8月30日期間沙井泵站工作記錄表

3.3 “以潮為主”聯(lián)合調(diào)度實例分析

2018年9月16日下午，臺風(fēng)“山竹”期間(2018年9月16日8：00～2018年9月17日2：00)潮位及降雨過程線如圖3所示。由臺風(fēng)“山竹”引起的風(fēng)暴潮與天文潮次高潮疊加，致使東、西部海域潮位暴漲。按2014年《深圳市防洪潮規(guī)劃修編及河道整治規(guī)劃—防洪潮規(guī)劃修編(2014—2020)》設(shè)計高潮位成果復(fù)核，東、西部實測潮位值均超過200年一遇?！吧街瘛迸_風(fēng)期間，赤灣站潮位的最高潮水位為3.15m(黃?；?，為有實測潮位資料以來的次大值(歷史最大值為2017年8月23日3.217m)。山竹臺風(fēng)之后，重新復(fù)核設(shè)計潮位值，山竹臺風(fēng)期間赤灣站最高潮位達(dá)3.15m，接近修正后1%設(shè)計高潮位3.16m。

圖3 山竹臺風(fēng)期間潮位及降雨過程線

山竹臺風(fēng)期間沙井河口水位過程線如圖4所示。由圖4中可以看出，茅洲河沙井河口斷面水位在2018年9月16日18：00達(dá)到最大值3.64m，赤灣站潮位在2018年9月16日17：15達(dá)到最大值3.15m；最大水(潮)位發(fā)生時間差為0.75h，最大水(潮)位差0.49m。期間，茅洲河流域降雨為2年一遇(水利)，松崗站記錄最大24小時降雨量為79.8mm，為氣象標(biāo)準(zhǔn)的暴雨級別(50～99.9mm)。因此，山竹臺風(fēng)期間的雨潮遭遇工況為以潮為主，由于高潮位頂托，排澇河雨水無法自排。

圖4 山竹臺風(fēng)期間沙井河口水位過程線

鑒于山竹臺風(fēng)期間排澇河雨水因受高潮位頂托而無法自排，本文采用聯(lián)合調(diào)度方案應(yīng)對，通過非工程措施來優(yōu)化調(diào)度方案。具體的調(diào)度方案如下：

第一步：根據(jù)潮汐特征預(yù)報表，沙井河河口水閘在低潮位0.8m及以下打開；在外江水位低于排澇河口水位時打開排澇河河口水閘；隨著潮位逐步增加，逐步關(guān)閉沙井河河口水閘和排澇河河口水閘；如由于客觀原因未能夠及時關(guān)閉水閘，關(guān)閘后沙井河內(nèi)河口水位高于0.8m時，利用沙井泵站，將內(nèi)河水位抽排至0.8m以下。

第二步：當(dāng)降雨開始，沙井河口水閘內(nèi)河水位達(dá)到0.8m時開啟泵站排水，并根據(jù)沙井河河口水閘的水位變化控制泵站的開啟臺數(shù)，直至泵站全部開啟。

第三步：實時監(jiān)測潭頭水閘沙井側(cè)水位，控制其在1.96m以下時開閘運行；當(dāng)水位達(dá)到1.96m時，逐漸關(guān)閉潭頭水閘，控制排澇河流域的雨水進(jìn)入沙井河流域的水量，直至潭頭水閘全部關(guān)閉。

第四步：當(dāng)潭頭水閘全部關(guān)閉后，密切關(guān)注潭頭水閘排澇河側(cè)的水位變化、潭頭水閘沙井側(cè)水位變化、沙井泵站抽排流量，當(dāng)沙井泵站抽排流量未達(dá)170m3/s，且潭頭水閘沙井側(cè)水位低于1.96m時，打開潭頭閘，由沙井泵站抽排排澇河片區(qū)澇水。并根據(jù)情況，隨時調(diào)整潭頭水閘的運行狀態(tài)。

第五步：逐步關(guān)停沙井泵站相應(yīng)機(jī)組，直至將沙井河水位降至0.8m；當(dāng)茅洲河水位低于沙井河水位時，再打開沙井河河口水閘。

2018年9月16日山竹臺風(fēng)期間沙井泵站工作記錄見表3。其中，泵站共運行32小時08分鐘，單機(jī)一次運行最長12小時17分鐘，共抽排417.18萬m3，高峰時，共啟動4臺機(jī)組同時運行。因此，通過沙井河和排澇河聯(lián)合調(diào)度，能夠最大限度發(fā)揮沙井泵站的工程效益。

表3 山竹臺風(fēng)期間沙井泵站工作記錄表

表4 測點監(jiān)控指標(biāo)一覽表

表5 指標(biāo)評價集模糊隸屬度

4 結(jié)語

沿海城市河道易受潮位頂托影響，防洪排澇問題更為復(fù)雜。如何在現(xiàn)有水務(wù)設(shè)施的基礎(chǔ)上通過非工程措施優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)工程效益最大化，具有重要意義。本文針對茅洲河流域沙井片區(qū)和排澇片區(qū)的防洪排澇聯(lián)合調(diào)度，提出了兩種工況的聯(lián)合調(diào)度規(guī)程和詳細(xì)調(diào)度參數(shù)。但是，入海河道有可能會遭遇“以洪為主”與潮位過程較高并存的工況，也可能遭遇“以潮為主”與降雨量較大并存的工況。針對上述兩種極端工況，則需要綜合更多因素，在現(xiàn)有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上制定更為完善的聯(lián)合調(diào)度方案與規(guī)程。