劉達 黃本勝 劉中峰 譚超 洪昌紅

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，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國家級蓄滯洪區(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 萬人，耕地面積為0.53 萬hm2。潖江蓄滯洪區(qū)對北江洪水有分流和滯洪作用，可減輕下游地區(qū)的防洪負擔，其主要任務是輔助飛來峽水利樞紐、北江大堤、清遠各堤圍防洪，使北江大堤防洪標準由100年一遇提高到300年一遇，并使北江中下游堤圍（如清遠市的清東、清西、清城等）的防洪標準由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)既要承擔蓄滯超額洪水的防洪任務，又是區(qū)內(nèi)居民賴以生存和發(fā)展的基地[2]。由于歷史和社會經(jīng)濟等原因，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、繁衍的野生動植物極為豐富。近年來，在人類活動和自然因素的共同影響下，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，濕地面積減少、濕地功能喪失或退化嚴重。據(jù)統(tǒng)計，潖江蓄滯洪區(qū)現(xiàn)有濕地面積約6.5 km2，主要為河道和魚塘，較20世紀50年代減少約80%。

從其他地區(qū)的蓄滯洪區(qū)先進經(jīng)驗看，把蓄滯洪區(qū)建設成濕地是較為可行的選擇。日本渡良瀨蓄滯洪區(qū)就是主要通過濕地對洪水進行儲蓄，經(jīng)過濕地內(nèi)各種植物的吸附和沉淀作用，去除水中的氮和磷等，以達到對水體自然凈化的目的。在新的歷史時期，潖江蓄滯洪區(qū)宜積極借鑒國內(nèi)外先進地區(qū)蓄滯洪區(qū)的管理理念[3-6]，適時將蓄滯洪區(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、自然災害防治、污染物降解、自然觀光、旅游、娛樂等多功能的濕地化運用，這是破解蓄滯洪區(qū)防洪減災、經(jīng)濟發(fā)展、濕地保護三重矛盾的關鍵。

2“三核一帶”局部濕地化運行模式研究

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)可以建設具備觀光旅游功能的精細化人工濕地或生態(tài)農(nóng)業(yè)園。完全濕地化建設模式雖然只是在枯水期控制濕地水位，在洪水期恢復天然，但是仍然可能對蓄滯洪區(qū)的分洪能力造成較大的影響，其主要原因在于：子圍拆除導致整個蓄滯洪區(qū)形成連片區(qū)域，加之沒有排澇設施對已有蓄洪進行靈活預排，中小洪水時大部分蓄滯容量就已被占用，造成特大洪水來臨時已經(jīng)沒有足夠的剩余容量。尤其是幾個重要子圍如大廠圍、獨樹圍、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行連片運營會對整個蓄滯洪區(qū)的蓄滯洪功能產(chǎn)生較大影響。此外，由于進行大面積的濕地化開發(fā)，大廠圍等內(nèi)部約2.85 萬人須進行轉(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模式不可行。

與完全濕地化建設模式相比，若能將大廠圍、獨樹圍、鳳洲圍3個子圍全部保留，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）+獨樹圍核心區(qū)（有子圍保護）+鳳洲圍核心區(qū)（有子圍保護），“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”濕地化建設模式（圖2）?！叭艘粠А睗竦鼗ㄔO模式下，在大洪水來臨前，可利用原有排澇泵站騰空各子圍內(nèi)的蓄水，需要分洪時不影響分洪能力，對潖江蓄滯洪區(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”濕地化建設總體布局

（1）工程布局。在大廠圍、獨樹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、獨樹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，由于濕地營造的水深不能太深，因此需要分兩級進行控制。其中，現(xiàn)狀大廠圍圍內(nèi)主要是魚塘等，高程13.0～14.5 m，獨樹圍圍內(nèi)主要是林地和耕地，高程13.3～14.6 m，因此第一級的潖江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，因此第二級的潖江2#水閘控制閘前水位為20.5 m，這樣兩級回水可以較好地銜接。

（2）工程調(diào)度運用。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 的水位差便于隨時進行引水換水。獨樹圍在枯水期利用獨樹水閘引水，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施，一般性的洪水不影響圍內(nèi)的濕地正常運行，當江口圩水位達到20.4 m 時提前用排澇泵站騰空圍內(nèi)的水，當江口圩水位大于21.4 m 且繼續(xù)上漲、并預報上游來水將超過100 年一遇時才會啟動分洪，因此運用的概率非常小。大廠圍、獨樹圍可以進行精細化的人工濕地營造，打造美麗的濕地旅游景觀，同時可以作為區(qū)域備用水源。鳳洲圍由于地面高程較高，且分洪時屬于較遲運用的，可以進行嶺南水鄉(xiāng)生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園的規(guī)劃建設。對于“一帶”的濕地開發(fā)模式：因為20年一遇洪水都要發(fā)生淹沒，應主要以基本免維護的天然蘆葦?shù)戎参餅橹?，濕地?nèi)可以設置縱橫連通的觀光木棧道，同時具有避洪轉(zhuǎn)移的功能。

3 濕地化建設運行模式的蓄滯洪影響分析

采用二維水流數(shù)學模型[8-9]計算分析評估潖江蓄滯洪區(qū)“三核一帶”濕地化建設對蓄滯洪功能的影響。

3.1 設計洪水

潖江蓄滯洪區(qū)大部分區(qū)域地勢低洼，加上丘陵山區(qū)地質(zhì)地貌的復雜變化，該區(qū)域既受內(nèi)澇影響，也受北江洪水頂托倒灌，承擔削減洪峰、蓄滯超標準洪水的任務，新中國成立后的大洪水有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計站點，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，見表1。本研究主要考慮北江干流洪水對潖江蓄滯洪區(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)間洪水相應組合。

表1 北江干流設計洪水成果

3.2 數(shù)學模型構(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于平面兩個方向較小，可以采用平面二維淺水方程進行描述。平面二維數(shù)學模型主要用于較為細致地計算工程河段局部的流速和流場形態(tài)變化，其基本方程由水流連續(xù)性方程和運動方程組成。

水流連續(xù)性方程：

水流運動方程：

式中：u、v為垂向平均流速在x、y方向的分量；H=h0+η，h0為靜水時的水深；η為自由水面在豎直方向的位移；ε為紊動黏性系數(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為底應力在x、y方向的分量。

3.2.2 計算方法

基本方程組采用ADI法離散，經(jīng)推導，上述方程在n層上x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)。

對離散后的基本方程組采用追趕法進行求解。

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，計算范圍包括整個潖江蓄滯洪區(qū)，面積約229.4 km2。潖江蓄滯洪區(qū)地形資料采用2016 年實測大范圍地形資料。

圖3 蓄滯洪區(qū)“三核一帶”模式地形概化結(jié)果（含4個計算采樣點位置）

（2）網(wǎng)格劃分及計算參數(shù)選取。二維模型計算區(qū)域網(wǎng)格劃分節(jié)點個數(shù)為20 068，三角形網(wǎng)格總數(shù)為39 763。計算最大網(wǎng)格單元邊長約500 m，最小網(wǎng)格單元邊長小于20 m，從而能夠較為精細概化地形。二維數(shù)學模型最大時間步長取60 s，最小時間步長為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上，對新建工程所在網(wǎng)格的糙率進行修正并相應抬高網(wǎng)格高程，將工程作為過水區(qū)域處理，這樣的處理模式不必描出新建工程的輪廓，可以減少計算網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算時間；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際網(wǎng)格高程，所得流場較為真實可靠。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 蓄滯洪影響計算結(jié)果分析

本次計算在蓄滯洪區(qū)“三核一帶”沿線共布設4個采樣點t1—t4（圖3），對比分析現(xiàn)狀蓄滯洪區(qū)和按照“三核一帶”模式進行濕地建設后的洪水位過程的差異，計算結(jié)果見圖4。由圖可見，采樣點距離潖江河口位置越遠，水位變化越滯后，總體表現(xiàn)為t4 采樣點水位變化相對較晚。對比天然滯洪和按照“三核一帶”模式滯洪的水位過程線可以看出，天然滯洪條件下的水位過程出現(xiàn)持續(xù)增長，而按照“三核一帶”模式滯洪的水位過程線較晚且有突變，表明靠近潖江河口附近的“一核、二核”和“一帶”先滯納洪水，當水位進一步升高后，逐漸通過更遠的“三核”滯納洪水，即表明“三核一帶”模式對洪水的調(diào)控能力有所增強，即可根據(jù)洪水大小靈活確定分洪區(qū)域。經(jīng)過約12 h 的計算后，各采樣點天然滯洪的水位和“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）。同時可以看到，t1—t4 上漲時間較天然模式均靠后，說明該模式在一定程度上降低了對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”濕地化建設模式對整個蓄滯洪區(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程線對比

4 結(jié) 論

潖江蓄滯洪區(qū)既要承擔蓄滯超額洪水的防洪任務，又是區(qū)內(nèi)居民賴以生存和發(fā)展的基地。在新的歷史時期，潖江蓄滯洪區(qū)宜借鑒國內(nèi)外先進地區(qū)蓄滯洪區(qū)的管理理念，適時將蓄滯洪區(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、自然災害防治、污染物降解、自然觀光、旅游、娛樂等多功能的濕地化運用，這是破解蓄滯洪區(qū)防洪減災、經(jīng)濟發(fā)展、濕地保護三重矛盾的關鍵。本文提出了“三核一帶”濕地化建設模式，并通過二維水流數(shù)學模型計算了濕地化建設對蓄滯洪功能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）完全濕地化對蓄滯洪功能影響大。如果將所有子圍拆除，將蓄滯洪區(qū)完全濕地化，在中小洪水時就已經(jīng)占用了分洪容量，北江特大洪水來臨時已經(jīng)沒有足夠的分洪容量用于洪水蓄滯，這樣對蓄滯洪區(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，又能因地制宜建設不同類型的濕地。采取將3 個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）+獨樹圍核心區(qū)（有子圍保護）+鳳洲圍核心區(qū)（有子圍保護）+潖江河道及灘地的帶狀區(qū)域（一帶）。大廠圍、獨樹圍可以進行精細化的人工濕地營造，打造美麗的濕地旅游景觀，同時可以作為區(qū)域備用水源。鳳洲圍由于地面高程較高，且分洪時屬于較遲運用的，可以進行嶺南水鄉(xiāng)生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園的規(guī)劃建設。“一帶”的濕地開發(fā)應主要以基本免維護的天然蘆葦?shù)戎参餅橹?，濕地?nèi)可以設置縱橫連通的觀光木棧道，同時具有避洪轉(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程線較晚且有突變，但經(jīng)過約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”濕地化建設模式對整個蓄滯洪區(qū)的洪水調(diào)蓄影響不大。