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(xiàng)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(duì)水系生態(tài)環(huán)境的沖擊，擬對(duì)截流河及南、北連通渠進(jìn)行綜合整治，總整治長(zhǎng)度約8.8 km，其中新開挖截流河長(zhǎng)為6.4 km，在原有河涌上拓寬加深南、北連通渠，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，防潮標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

新建截流河河底寬為80～120 m，河堤設(shè)計(jì)控制高程為4.84 m，河道采用梯形復(fù)式斷面。截流河起點(diǎn)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(jìn)行布置(見圖1)，北連通渠長(zhǎng)度為2.1 km，河底寬度為44 m，河堤設(shè)計(jì)控制高程為3.5 m，河道采用梯形復(fù)式斷面；南連通渠長(zhǎng)度為2.4 km，河底寬度為4 0 m，河堤設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度大、季節(jié)長(zhǎng)。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(shí)間。同時(shí)，由于該區(qū)域暴雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，決定了該區(qū)域的洪水具有陡漲陡落的特性。

2.2 設(shè)計(jì)洪水

采用設(shè)計(jì)暴雨推求各河涌截流河及上游控制斷面設(shè)計(jì)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(jì)洪水。

表1 各河涌主要控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果

2.3 洪水過程線計(jì)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(dòng)力模型進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)為控制，最高控制水位為1.65 m。采用各河涌設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度、河口潮水位及這些影響在時(shí)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(shí)段雨量與對(duì)應(yīng)的潮位進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)潮洪組合方式。

因此，采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)水面線是合理的并且是安全的。

3 工程設(shè)計(jì)

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(dòng)區(qū)構(gòu)建完善的防洪潮治澇體系，同時(shí)緩解舊城區(qū)的排澇壓力。

3.1 防洪工程

防洪工程需對(duì)截流河，南、北連通渠和現(xiàn)狀9條河涌進(jìn)行綜合治理，其中9條河涌總長(zhǎng)度為44.19 km。防洪工程在滿足河道防洪標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，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(yíng)造濱海城市特色。

1)現(xiàn)狀河道防洪能力復(fù)核

由現(xiàn)狀河涌防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：現(xiàn)狀區(qū)域河道防洪工程對(duì)應(yīng)20年一遇標(biāo)準(zhǔn)下不滿足防洪要求的河長(zhǎng)約30%，對(duì)應(yīng)50年一遇標(biāo)準(zhǔn)下不滿足防洪要求的河長(zhǎng)約為37%(見表2)。

表2 現(xiàn)狀河涌防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

2)擬建河道防洪能力分析

利用MIKE 水動(dòng)力模型從行洪能力的角度對(duì)截流河及連通渠的堤距進(jìn)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(jì)堤距的情況下對(duì)截流河行洪能力的影響。選取A、B、C、D、E 5個(gè)斷面位置的水位進(jìn)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(jì)洪水工況下，截流河與連通渠的水域?qū)挾冗x擇對(duì)防洪高水位影響很大。當(dāng)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(shí)，遭遇100年一遇洪水時(shí)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(jìn)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(jì)

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

采用緩坡形式，護(hù)岸材料在二級(jí)平臺(tái)水下采用擋墻或是灌注樁作永久堤岸，二級(jí)平臺(tái)以上采用草皮護(hù)坡。截流河南段為與會(huì)展中心功能需求匹配，護(hù)岸形式采用梯級(jí)護(hù)坡，護(hù)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(huì)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(dú)立防潮方案是針對(duì)總體規(guī)劃中的各個(gè)地塊分別建設(shè)獨(dú)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(dú)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(dú)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(shí)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(dú)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治。獨(dú)立防潮、半獨(dú)立防潮方案平面示意見圖9。

圖9 獨(dú)立防潮、半獨(dú)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(chǎng)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(duì)現(xiàn)狀易澇區(qū)分布及受澇原因進(jìn)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(jìn)行集中抽排。南片區(qū)整體地勢(shì)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(jì)分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)易澇點(diǎn)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(jì) 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(dǎo)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(shí)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(jì)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(jì)算分析

該方案的運(yùn)行方式為：平時(shí)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(shí)，截流河北閘開閘泄洪，擋外江潮位高于排澇控制水位時(shí)，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(duì)大空港截流河以東舊城區(qū)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 計(jì)算模型

內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)采用DHI MIKE FLOOD軟件進(jìn)行分析[13]，調(diào)用3個(gè)獨(dú)立的軟件模塊進(jìn)行耦合計(jì)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(gè)，節(jié)點(diǎn)為5 419個(gè)，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(jì)暴雨的內(nèi)澇積水過程，由于導(dǎo)致內(nèi)澇的暴雨一般為短歷時(shí)強(qiáng)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(jì) mm

4.3 現(xiàn)狀內(nèi)澇計(jì)算結(jié)果

2年一遇、50年一遇降雨情況下，溢流點(diǎn)最長(zhǎng)的溢流時(shí)間分別為2.5 h和8.3 h；溢流時(shí)間超過5 h分別有2個(gè)、45個(gè)。

當(dāng)發(fā)生2年一遇降雨時(shí)，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積總計(jì)為0.58 km2；當(dāng)發(fā)生50年一遇降雨時(shí)，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積達(dá)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(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，2年一遇、50年一遇降雨情況下，溢流點(diǎn)最長(zhǎng)的溢流時(shí)間分別為0.9 h和3.6 h。

當(dāng)發(fā)生2年一遇降雨時(shí)，積水深度大于15 cm且超過30 min的面積總計(jì)為0.08 km2；當(dāng)發(fā)生50年一遇降雨時(shí)，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(shí)的承泄能力得到極大提高，在暴雨時(shí)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(duì)大空港新城防洪排澇情勢(shì)，提出了對(duì)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(hù)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(hù)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(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明，采取工程措施后，發(fā)生50年一遇降雨時(shí)，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(huì)的審批，并于2018年1月開工，計(jì)劃于2022年12月完工，工程的實(shí)施對(duì)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。