中山市小欖鎮(zhèn)河網(wǎng)水動力改善及排澇整治方案研究

黎浩強(qiáng),徐士杰

(中山市小欖鎮(zhèn)水利所，廣東 中山 528415)

平原網(wǎng)河區(qū)地勢平坦，河涌比降較小，同時(shí)受外江潮位及涌口閘泵調(diào)度的影響，常出現(xiàn)往復(fù)流現(xiàn)象[1]，使得內(nèi)河涌水動力條件較弱。同時(shí)，隨著城市發(fā)展建設(shè)，圍內(nèi)河涌湖泊等水域受到侵占，農(nóng)田、綠地改造為硬質(zhì)化地面，導(dǎo)致城市水文特性發(fā)生變化[2]，地表徑流量增加，排澇壓力增大。因此，內(nèi)河涌調(diào)蓄能力降低，污水量排放增加，使得平原網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)面臨河涌水環(huán)境惡化及內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重等問題。

當(dāng)前針對網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)河涌水動力條件改善及排澇問題有較多相關(guān)研究，張海麗[3]等研究感潮河網(wǎng)區(qū)中順大圍在閘泵調(diào)控方案下骨干河涌的水動力水質(zhì)改善效果；蔣雪蓮[4]采用一維水動力水質(zhì)模型分析感潮河網(wǎng)的水流特性，結(jié)合外江潮汐動力及水閘調(diào)度優(yōu)化補(bǔ)水方案；趙爾官[5]基于MIKE11構(gòu)建廣州市南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)水動力模型，分析其水閘、泵站排澇能力；曾嬌嬌[2]等對比分析平原河網(wǎng)城市多種排澇流量計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)；唐造造[6]等構(gòu)建廣州市海珠區(qū)水動力模型進(jìn)行排澇整治方案研究。當(dāng)前研究多從水工建筑物調(diào)度出發(fā)，分析其對河涌水質(zhì)的改善及排澇的影響，較少研究分析河涌控制水位(景觀水位、預(yù)泄水位)對河涌水動力條件改善及排澇方案的影響。為此，本文選取典型平原河網(wǎng)區(qū)中山市小欖鎮(zhèn)為研究對象，采用MIKE11構(gòu)建一維水動力模型，分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀河涌水動力條件及排澇能力，研究閘泵建設(shè)、河涌整治及不同特征水位控制方案對河涌水動力改善及排澇整治的效果分析，以期為網(wǎng)河區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)河涌引水及排澇整治提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

小欖鎮(zhèn)位于中山市中順大圍北部，鎮(zhèn)內(nèi)集雨面積為68.25 km2，地勢平坦，平均地面高程為2.1 m，內(nèi)河涌共116條，河涌水域面積為2.3 km2。小欖鎮(zhèn)當(dāng)前主要防洪(潮)排澇水閘有17座，總凈寬為143.5 m，泵站10座，主要分布在東側(cè)小欖水道及西側(cè)鳧洲河(見圖1)，總設(shè)計(jì)流量為182 m3/s。小欖鎮(zhèn)四面環(huán)河，北臨東海水道，東臨小欖水道，西臨鳧洲河中山段，南臨隆升河，鎮(zhèn)內(nèi)主干內(nèi)河涌與外江相連處均有水閘控制。

小欖鎮(zhèn)存在河涌水動力條件差及排澇能力不足問題。小欖鎮(zhèn)日常工況下鎮(zhèn)內(nèi)河涌水流流速不足0.2 m/s，水動力條件較差，連接主干河涌的支涌存在往復(fù)流現(xiàn)象，河涌水動力條件需進(jìn)一步改善；小欖鎮(zhèn)當(dāng)前難以達(dá)到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，暴雨時(shí)小欖鎮(zhèn)時(shí)常發(fā)生水浸現(xiàn)象。根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求及相關(guān)規(guī)劃成果，小欖鎮(zhèn)應(yīng)達(dá)到20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨不成災(zāi)。因此，小欖鎮(zhèn)排澇能力需進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 小欖鎮(zhèn)水系及閘泵分布示意

2 模型構(gòu)建

小欖鎮(zhèn)內(nèi)水系復(fù)雜，河涌水動力條件受圍內(nèi)徑流、外江潮位及涌口閘泵調(diào)度共同調(diào)控。傳統(tǒng)除澇水文分析計(jì)算未考慮河涌水面坡降以及忽略主干河涌之間的水體交換，在合理分配排澇泵站設(shè)計(jì)流量方面存在一定缺陷，本次采用MIKE11構(gòu)建一維水動力模型模擬分析小欖鎮(zhèn)日常引水工況的河涌水動力特性及暴雨工況的排澇過程，模型原理見相關(guān)參考文獻(xiàn)[7-9]。

2.1 模型計(jì)算范圍

小欖水道及東海水道為中順大圍外江，沿程布有國家級水位測站；鳧洲河中山段及隆升河為中順大圍內(nèi)河，受中順圍內(nèi)水閘及泵站調(diào)控，無水位測站。為合理研究小欖鎮(zhèn)河網(wǎng)水動力，需綜合考慮中順大圍河網(wǎng)水系及水工建筑物調(diào)度，因此，本次研究構(gòu)建以中順大圍骨干水系為主體，局部細(xì)化小欖水系的水動力模型，模型河網(wǎng)概化圖見圖2所示，共收集河道斷面2 190個(gè)。

圖2 水動力模型河網(wǎng)概化示意

2.2邊界條件

本次共收集中順大圍外江南華、小欖、竹銀、橫門、東河、西河水位站多年潮位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及小欖站多年雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見圖3)。經(jīng)洪潮遭遇分析，中順大圍內(nèi)河洪水與外江洪水遭遇具有隨機(jī)性，因此本次研究小欖鎮(zhèn)日常引水工況，模型外江水位邊界取各水位站多年平均潮位過程，河涌與外江交匯口取各個(gè)水位站潮位過程內(nèi)插值；排澇工況外江水位邊界取各水位站多年平均高高潮位過程，流量邊界采用徑流系數(shù)法計(jì)算各排水分區(qū)設(shè)計(jì)流量。小欖鎮(zhèn)主干河涌與外江連接處皆有閘站控制，結(jié)合現(xiàn)狀運(yùn)行調(diào)度，日常引水工況閘站調(diào)度為：當(dāng)東側(cè)外江潮位高于內(nèi)河涌水位開閘時(shí)引水，在達(dá)到景觀水位上限時(shí)關(guān)閘，在西側(cè)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，開閘排水，在達(dá)到景觀水位下限是關(guān)閘；暴雨排澇工況閘站調(diào)度為：當(dāng)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，開閘排水，當(dāng)外江潮位高于內(nèi)河涌水位時(shí)，關(guān)閘開泵強(qiáng)排。

圖3 中順大圍外江水位站分布及潮位過程示意

2.3 模型率定

為驗(yàn)證所構(gòu)建模型能夠較為合理準(zhǔn)確反映小欖鎮(zhèn)內(nèi)河網(wǎng)水動力情況，本次收集小欖鎮(zhèn)內(nèi)流板大涌水位站近5 a實(shí)測水位數(shù)據(jù)，并以此作為率定點(diǎn)位，選擇24 h降雨量最大工況、1 h降雨量最大工況、圍內(nèi)暴雨，外江遭遇高潮位工況3種典型工況實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行率定模型，分別選取了2018-06-06—08、2018-05-07—09及2017-08-22—24實(shí)測水位及降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(見圖4)，以納什系數(shù)(NSE)系數(shù)及均方根誤差(RMSE)作為模型驗(yàn)證參數(shù)，驗(yàn)證成果見表1。由表1可知，納什系數(shù)大于0.83，均方根誤差小于0.12 m，反映所構(gòu)建模型能夠較好反映小欖鎮(zhèn)的水動力變化規(guī)律，可以用于小欖鎮(zhèn)河網(wǎng)水動力研究。

(a1) 2018-06-06—08

(a2) 2018-05-07—09

(a3) 2017-08-22—24

表1 流板水位站處驗(yàn)證指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3 引水工況現(xiàn)狀及方案研究

小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀日常引水運(yùn)行工況為定向引水，通過水閘調(diào)控在高潮時(shí)自東北側(cè)外江引水，在低潮時(shí)排至西側(cè)鳧洲河。外江多年平均潮位范圍為0.2～1.1 m，鎮(zhèn)內(nèi)河涌現(xiàn)狀景觀水位范圍保持在0.6～0.8 m。

通過所構(gòu)建的水動力模型模擬日常引水工況，分析小欖鎮(zhèn)河涌現(xiàn)狀水動力條件，計(jì)算成果表明1 d補(bǔ)水周期下主干河涌典型斷面平均流速為0.05～0.12 m/s，水流流速較慢，水動力條件較差，模擬計(jì)算小欖鎮(zhèn)西側(cè)各水閘1 d周期內(nèi)的出流量，結(jié)合常水位涌容計(jì)算得小欖鎮(zhèn)換水時(shí)間為3.47 d。分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀引水工況水動力條件較差原因：西側(cè)鳧洲河水道近年自上游均安鎮(zhèn)鳧洲河水閘開閘引外江水，使得小欖鎮(zhèn)東西側(cè)外江水頭差變小，其次當(dāng)前鎮(zhèn)內(nèi)景觀水位及變化范圍較小，使得引、排水量及時(shí)間不足。

結(jié)合小欖鎮(zhèn)涌口水閘管理調(diào)度，分析改變景觀水位變化范圍對河涌的水動力條件及換水效率的影響，本文共提出7種優(yōu)化景觀水位方案，通過水動力模型計(jì)算西側(cè)排水閘補(bǔ)水周期排水量，結(jié)合小欖鎮(zhèn)涌容計(jì)算換水時(shí)間，同時(shí)統(tǒng)計(jì)主干河涌典型斷面平均流速，見表2及圖5。

表2 小欖鎮(zhèn)景觀水位方案換水時(shí)間

圖5 景觀水位方案主干河涌平均流速統(tǒng)計(jì)示意

由表2及圖5可知，方案一換水效率最高，換水時(shí)間最短，為2.81 d，是方案七的64.2%，景觀水位上限越高，可引水量越多，景觀水位下限越低，外排水量越多，可排水時(shí)間越長，換水效率更高，隨著景觀水位范圍減小，主干河涌流速及整體趨勢下降，水動力條件變差。分析結(jié)果可知增加景觀水位變化浮動范圍有利于改善河涌水動力條件及提高換水效率。方案一、二、三換水效率接近，水動力條件變化不大。同時(shí)考慮水位對外江堤防的穩(wěn)定影響、鎮(zhèn)內(nèi)低洼地區(qū)地面高程、景觀水位要求，推薦選取景觀水位方案三：0.4～0.9 m，換水時(shí)間為現(xiàn)狀補(bǔ)水工況的83.3%，主干河涌典型斷面平均流速為現(xiàn)狀的1.1～1.6倍。

4 排澇工況現(xiàn)狀及方案研究

4.1 排澇現(xiàn)狀

小欖鎮(zhèn)發(fā)生暴雨時(shí)，澇水由東西側(cè)閘泵外排。結(jié)合相關(guān)規(guī)劃成果及地區(qū)地面高程共同考慮，小欖鎮(zhèn)內(nèi)河涌最高控制水位為1.6 m，網(wǎng)河區(qū)排澇工況不僅與圍內(nèi)澇水有關(guān)，外江潮位的影響不可忽略，當(dāng)外江潮位低于內(nèi)河涌水位時(shí)，主要利用水閘排澇；當(dāng)圍內(nèi)暴雨遭遇外江高潮位過程時(shí)(多年平均高潮位2.43～3.19 m，高于圍內(nèi)大部分地面高程)，小欖鎮(zhèn)內(nèi)河涌澇水難以依靠水閘自排，需利用泵站進(jìn)行強(qiáng)排。利用水動力數(shù)學(xué)模型模擬在20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨遭遇外江多年平均高潮位時(shí)內(nèi)河涌水面線變化，計(jì)算結(jié)果表明，主干河涌在暴雨工況下平均最大流速為0.2～0.64 m/s，主干河涌河長4～6 km，澇水外排時(shí)間需2.5～5 h，按洪水歸槽計(jì)算河道水面線高于3.2 m，高于控制水位，當(dāng)前小欖鎮(zhèn)排澇能力無法達(dá)到設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)，主要是因?yàn)椋汉拥朗芮终棘F(xiàn)象嚴(yán)重，河涌可調(diào)蓄容積不足；河底淤積嚴(yán)重，水流不暢；泵站排澇能力不足等原因。

4.2 排澇整治方案

針對小欖鎮(zhèn)排澇存在問題，本文提出包含河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)3種措施的整治方案，并對比分析3種措施對水面線的降低效果以及預(yù)泄水位對排澇工況的影響，見表3及表4。由表3可知，河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)3種措施水面線降低效果分別為0.12 m、0.26 m、1.25 m，在土地利用空間及工程投資有限的條件下，泵站建設(shè)措施對排澇整治效果較明顯，河道拓寬及清淤對水面線降低效果一般，但其對水景觀、水環(huán)境有較大改善作用。同時(shí)，采用水動力模型模擬計(jì)算在采取3種整治措施后小欖鎮(zhèn)在發(fā)生設(shè)計(jì)暴雨時(shí)內(nèi)河涌水面線，計(jì)算結(jié)果表明主干河涌最高洪水位為1.55 m左右，本次方案能夠滿足控制水位要求。

表3 小欖鎮(zhèn)各整治措施主干河涌設(shè)計(jì)洪水位統(tǒng)計(jì) m

4.3 控制水位

預(yù)泄水位是整個(gè)排澇體系重要的組成部分，提前預(yù)泄水位有利于騰空河涌涌容，增加可調(diào)蓄容積，降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)。本文研究分析不同預(yù)泄水位前提下，小欖鎮(zhèn)達(dá)到排澇標(biāo)準(zhǔn)需增加泵站流量，由表4可知，預(yù)泄水位越低，河涌可調(diào)蓄容積越大，需增加泵站流量越小。預(yù)泄水位的確定同時(shí)需綜合多方面要素考慮，小欖鎮(zhèn)地下水位較高，預(yù)泄水位過低不利于河道堤防安全，小欖鎮(zhèn)出現(xiàn)提前預(yù)泄水位過低但未降雨情況，內(nèi)河涌水位過低出現(xiàn)水景觀較差問題；針對臨時(shí)突發(fā)性暴雨未能及時(shí)預(yù)泄水位工況，若小欖鎮(zhèn)排澇體系設(shè)定預(yù)泄水位過低，則會存在一定排澇風(fēng)險(xiǎn)。因此，綜合考慮需增加泵站流量及多方面要素，同時(shí)結(jié)合本次景觀水位方案為0.4～0.9 m，排澇方案預(yù)泄水位取0.4 m，與景觀水位下限相銜接。

表4 小欖鎮(zhèn)不同預(yù)泄水位需增加泵站流量

5 結(jié)語

本文通過建立一維河網(wǎng)水動力模型研究小欖鎮(zhèn)日常引水工況的河涌水動力條件及暴雨工況的排澇過程，分析小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀引水及排澇存在問題，并進(jìn)行引水方案及排澇整治方案研究。

1) 基于所構(gòu)建模型對小欖鎮(zhèn)現(xiàn)狀日常引水工況及暴雨工況進(jìn)行模擬分析，日常引水工況鎮(zhèn)內(nèi)河涌流速平均流速為0.05～0.12 m/s，水流流速較慢，水動力條件較差；暴雨工況時(shí)鎮(zhèn)內(nèi)澇水外排時(shí)間需2.5～5 h，小欖鎮(zhèn)無法達(dá)到20 a一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨不成災(zāi)排澇標(biāo)準(zhǔn)。

2) 本文提出基于涌口水閘調(diào)度、增大景觀水位變化范圍的引水方案，與現(xiàn)狀引水方案對比，換水時(shí)間為現(xiàn)狀的83.3%，主干河涌水流流速為現(xiàn)狀的1.1～1.6倍，增加景觀水位變化浮動范圍有利于改善河涌水動力條件及提高換水效率。

3) 本文提出包含河道清淤、河道拓寬及泵站建設(shè)三種整治措施的排澇方案，能夠滿足內(nèi)河涌1.6 m的排澇控制水位要求，在土地利用空間及工程投資有限的條件下，泵站建設(shè)措施對河涌水面線降低效果最優(yōu)，不同預(yù)泄水位對鎮(zhèn)內(nèi)排澇能力有一定影響，所設(shè)定的預(yù)泄水位越低，河涌可調(diào)蓄容積越大，小欖鎮(zhèn)需增加排澇泵站流量越小，排澇體系一定存在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)泄水位的確定需綜合考慮地下水位、堤防安全、排澇風(fēng)險(xiǎn)及與景觀水位的銜接。