鄧淯宸,黃兆瑋,陳紅梅

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

沿江濱湖等地區(qū)常常因其地勢低洼，當圍內(nèi)遭遇大雨又受外江水位的頂托時極易因排水不暢發(fā)生內(nèi)澇[1-2]，因此要提高圍內(nèi)的防洪排澇能力。在建設水閘抵御外江洪水的基礎上，配套建設適宜規(guī)模的排澇泵站是十分必要的。但要解決圍內(nèi)多個受災區(qū)的內(nèi)澇問題，如何合理布局泵站位置和規(guī)模則需要進行多方案論證分析[3-4]。

建城河流域?qū)偕絽^(qū)河流，靠近外江側(cè)地勢較為低平，而遠離外江側(cè)多為丘陵、山區(qū)。受其地形阻隔，建城河流域內(nèi)河受災區(qū)主要體現(xiàn)為澇區(qū)空間位置分散、數(shù)量多且靠近下游的特點。本文將以建城河流域為例，圍繞建城河流域分散式多點澇區(qū)的特點，從整體排澇效果出發(fā)，將排澇泵站納入整體防洪排澇系統(tǒng)中進行系統(tǒng)分析，通過計算不同排澇方案圍內(nèi)最高水位，選擇符合本地實際情況且經(jīng)濟最優(yōu)的防洪排澇建設方案。

1 澇區(qū)治理現(xiàn)狀及存在的問題

建城河地處郁南縣西北部，為西江一級支流，位于西江中游右岸，流經(jīng)郁南縣通門、建城、羅旁三鎮(zhèn)，從羅旁水閘注入西江。建城河流域集雨面積為606 km2，地勢南高北低，在北部與西江交匯。主要河流有建城河、桂河和寶珠河。建城河流域上游山高林密，河床比降大；中游河道彎曲、淺窄；下游沿岸為沖積地帶多屬砂泥，田面較寬闊，地勢低洼。建城河流域每年7—9月常有大雨和暴雨，每年6—9月是西江洪水期[5]，西江洪水頂托時導致各鎮(zhèn)澇災頻繁，對當?shù)厝嗣裾Ｉ钌a(chǎn)造成巨大影響。

目前，建城河上游建成的向陽水庫在流域中發(fā)揮調(diào)洪、滯洪作用，可一定程度減輕下游防洪負擔，但中游部分堤防設計標準較低，局部河道過洪能力不足，現(xiàn)狀支流桂河和寶珠河防洪能力不足5年一遇，沿岸的村莊和農(nóng)田常遭受洪澇災害。匯河口建有羅旁水閘，其主要任務是西江洪水期關閘隔斷外江洪水倒灌。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，近幾年流域內(nèi)受災較嚴重的地點為建城河右岸的梅花營村以及桂河右岸的羅子村(流域水系及受澇點位置見圖1)。

圖1 建城河流域主要防洪排澇工程示意

梅花營村前也即建城河右岸,現(xiàn)狀沒有建設堤防，地面高程約為15～16 m，羅子村現(xiàn)狀堤防堤頂高程為17 m，建城河河口未設排澇設施，羅旁內(nèi)堤頂高程為19 m。羅旁閘前、梅花營村、羅子村3個易澇點地理位置較為分散，本次研究方案將著重關注此3處的控制水位。

2 治理策略與防洪排澇方案

基于流域自然地理條件和已建成的水利工程，建城河流域規(guī)劃形成“蓄、泄兼顧”、“堤庫結(jié)合”的防洪工程布局，即上游水庫蓄洪，中游建城河內(nèi)堤防洪，外圍由建城鎮(zhèn)西江大堤聯(lián)合羅旁水閘抵御西江洪水。本次研究排澇體系則分別考慮“下排”和“分排”計算方案，根據(jù)流域?qū)嶋H情況均按20年一遇防洪標準、10年一遇24 h暴雨1 d排干的排澇標準設計進行考慮[6]。

上蓄：上游蓄水工程主要指向陽水庫。當水庫水位達到正常蓄水位小于防洪高水位時，打開溢洪道閘門泄洪，最大下泄流量不超過120 m3/s，當水庫水位超過防洪高水位時，即水庫上游來水超過20年一遇標準時，為確保大壩安全，閘門全開，不控泄。

中防：鑒于羅旁、建城等鎮(zhèn)農(nóng)田地區(qū)低洼，已有羅旁建城內(nèi)堤防洪標準偏低，堤身單薄，按20年一遇洪水水位加安全超高1.2 m設防。

外擋：建城鎮(zhèn)西江大堤聯(lián)合羅旁水閘共同構(gòu)成抵御西江洪水侵襲的外擋防線。目前建城鎮(zhèn)西江大堤經(jīng)過達標加固，已達到20年一遇防洪能力，羅旁水閘初步設計報告已通過主管部門審查，防洪標準為外江50年一遇、內(nèi)洪20年一遇。

匯排方案：建城河下游僅有羅旁水閘無電排站，外江水頂托時極易發(fā)生內(nèi)澇成災，為此擬在羅旁水閘處建設一電排站，與羅旁水閘聯(lián)排，通過控制常年受災黑點區(qū)域水位，計算滿足排澇要求的泵站規(guī)模，整個流域形成“上蓄、中防、下排、外擋”的防洪治澇體系。

分排方案：常年受災的梅花營、羅子村兩片澇區(qū)分別采取防護措施，自獨立建設堤防、竇閘及泵站等防洪排澇設施，整個流域形成“上蓄、中防、分排、外擋”的防洪治澇體系。

3 方案計算

3.1 模型構(gòu)建

本次研究采用MIKE 11水動力學模型[7-10]探討分析建城河流域“下排”方案泵站建設規(guī)模,在分析現(xiàn)狀基本情況、防洪排澇體系總體布局的基礎上，根據(jù)建城河流域水系特征，將向陽水庫、建城河、桂圩河、寶珠河、三基塘蓄滯區(qū)[11]、羅旁水閘外的西江及擬建泵站作為一個完整的系統(tǒng)，建立建城河流域一維水動力數(shù)學模型進行模擬計算(一維計算域見圖2所示)。

圖2 建城河流域一維計算域示意

模型的上游邊界采用向陽水庫調(diào)洪計算各頻率的流量過程。建城河流域無水文站，設計洪水通過暴雨途徑推求。本次暴雨參數(shù)是以建城河羅旁水閘以上、向陽水庫以下流域為暴雨中心，依據(jù)《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(2003年)選定暴雨參數(shù)。下游邊界為對應西江各頻率的水位過程，外江水位過程采用羅旁水閘歷年實測水位數(shù)據(jù)，選擇峰高量大、對工程防洪運行較為不利的大洪水作為典型洪水過程。下游羅旁水閘及泵站按出流內(nèi)邊界處理。桂河下游三基塘蓄滯區(qū)在模型中概化為調(diào)蓄水庫處理。

3.2 率定驗證

模型率定采用建城河防洪規(guī)劃成果及調(diào)查當?shù)氐臍v史洪痕[12]，并暫不考慮三基塘以及建城河流域旁側(cè)農(nóng)田的蓄澇能力。建城河流域3條河流為天然河道，河道糙率參數(shù)依據(jù)河床組成及床面特性并參考《水力學計算手冊》，查閱后糙率范圍為0.03～0.035。

模型水面線率定采用建城河流域防洪規(guī)劃20年一遇水面線成果，即建城河流域發(fā)生20年一遇洪水遭遇多年平均西江高水位，并暫不考慮三基塘以及建城河流域旁側(cè)農(nóng)田的蓄澇能力。本次模型率定后水面線與規(guī)劃成果差異見圖3，可以看出模型計算的水面線與報告成果整體契合較好，水位誤差在±0.1 m之間，說明采用的糙率較為合理。

a 寶珠河

b 桂河

c 建城河圖3 建城河流域一維計算域示意

模型驗證依據(jù)郁南縣歷史山洪災害調(diào)查記錄，選取歷史洪痕點記錄相對較多的2008年6月發(fā)生的洪水做進一步驗證。由于2008年建城河流域尚未完成羅旁水閘重建工程，因此，本次與洪痕點對比驗證采用原羅旁水閘尺寸(閘寬為24 m)進行計算。根據(jù)羅旁閘前實測水位數(shù)據(jù)，2008年閘前水位最大值為20.05 m，接近20年一遇洪水標準時閘前最大值，因此,率定工況圍內(nèi)采用5%頻率設計洪水計算(歷史山洪災害調(diào)查洪痕與計算水位對比見表1)?？梢娝挥嬎阏`差在0.21 m以內(nèi)，與2008年洪水記錄水位的誤差最大為1%，誤差較小。

表1 歷史山洪災害調(diào)查洪痕與計算水位對比 m

通過以上率定與驗證充分表明：模擬水位與防洪規(guī)劃報告水面線整體吻合較好，模型模擬整體結(jié)果可信，模型可應用于進一步分析研究建城河流域羅旁泵站建設方案。

3.3 計算方案

3.3.1干支流遭遇

建城河流域內(nèi)洪與西江遭遇情況分析建城鎮(zhèn)雨量站、德慶水位站1962—2018年共57 d最大1 d、最大3 d降雨量與德慶站西江洪水位作遭遇分析得到。根據(jù)實測資料分析，西江發(fā)生較大洪水時，流域內(nèi)降雨較??；當流域內(nèi)發(fā)生較大降雨時，西江水位較低；流域發(fā)生同頻率雨洪遭遇概率較低。

根據(jù)《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準》，本次計算內(nèi)外雨洪遭遇如下，泵站規(guī)模采用兩種工況的大值綜合確定：① 建城河流域發(fā)生超過2年一遇及以上洪水遭遇西江2年一遇洪水位；② 西江發(fā)生2年一遇及以上洪水遭遇建城河2年一遇洪水。

3.3.2運行調(diào)度

1) 羅旁水閘

一維模型中羅旁水閘是依據(jù)內(nèi)外水位進行調(diào)度。當外江發(fā)生洪水，水位漲至19.0 m時，閘門關閉；當外江洪水位回至19.0 m以下且內(nèi)河具備自排條件時，開閘排澇。

2) 擬建羅旁泵站

擬建羅旁泵站于郁南都城大堤下游羅旁水閘堤上，其排澇原則是：① 閘前水位低于起排水位或低于閘底高程時，羅旁水閘關閘擋水；② 羅旁閘前水位高于起排水位且具有自排條件時泵關，羅旁閘開閘自排；③ 羅旁閘前水位高于起排水位但無自排條件時，泵站開啟抽排。

3) 起調(diào)水位

根據(jù)建城河河底高程、河涌安全和景觀要求等因素綜合考慮，確定建城河可承受的最低水位，即調(diào)蓄演算的起排水位為15.00 m。根據(jù)河涌兩岸堤頂高程，確定建城河流域可承受的最高水位，即內(nèi)河最高控制水位為21.00 m。

3.3.3計算方案

建城河流域防洪標準為20年一遇，排澇標準為10年一遇。根據(jù)“下排”防洪排澇體系布局，以羅旁閘前、梅花營、羅子村定為本次研究范圍內(nèi)的控制點，在確定的雨洪遭遇組合條件下，擬建泵站規(guī)模的計算方案具體計算方案見表2。設計防洪標準下現(xiàn)狀和設計方案：① 設計防洪標準下的組合工況，比較分析有閘無泵和不同排澇方案情況下各控制點水位；② 內(nèi)洪為主遭遇外江低水位方案：按照“內(nèi)洪20%遭遇外江50%洪水”，以各控制點的水位與無泵情況下“內(nèi)5%遭遇外江50%洪水”時水位為控制，通過試算，分析不同泵站規(guī)模對內(nèi)洪大、外洪小時降低水位的作用；③ 內(nèi)洪為主遭遇外江常遇頻率洪水方案：圍內(nèi)發(fā)生20%遭遇外江50%常遇水位時，試算匯排方案所需要的泵站規(guī)模。

表2 羅旁泵站規(guī)模計算方案

4 結(jié)果分析

4.1 泵站作用

方案1為設計頻率下無泵站的2種工況。內(nèi)洪5%遭遇外江50%洪水，通過水閘自排羅旁閘前最高水位為17.5 m，梅花營村水位為17.8 m，羅子村水位為17.6 m；內(nèi)洪50%遭遇外江5%時，由于外江水位高，水閘僅外江水位上漲前期能自排，下游水位頂托導致內(nèi)洪蓄積在圍內(nèi)，羅旁閘前、梅花營村、羅子村最高水位均為19.6 m。圍內(nèi)防洪設計水位采用兩種工況的大值，即各控制點的水位為19.6 m。

方案2為設計頻率下泵站的擬設75 m3/s的羅旁泵站兩種工況。內(nèi)洪5%遭遇外江50%洪水時各控制點水位與方案1無泵時工況1基本保持一致，泵站作用甚微；內(nèi)洪50%遭遇外江5%時，可將方案1無泵時各控制點19.6 m的水位降為17.6 m。

方案3則將泵站規(guī)模進一步加大至155 m3/s。內(nèi)洪5%遭遇外江50%洪水時各控制點水位基本無變化，泵站增大1倍圍內(nèi)水位不變，增大羅旁泵站的規(guī)模收效甚微。當遭遇內(nèi)洪50%對外江5%時，主要為泵站發(fā)揮排澇作用，可將各控制點的水位降低到控制水位以下。

方案1～3計算各澇區(qū)的水位成果可以充分表明，在圍內(nèi)發(fā)生常遇頻率洪水遭遇外江高水位情況時，泵站在整個體系中起主導作用，河口排澇泵站規(guī)模從0增加到155 m3/s可有效降低澇區(qū)各控制點水位。但決定排澇效果的則是圍內(nèi)發(fā)生設計頻率洪水遭遇外江常遇水位工況，此時水閘有條件排洪并且在整個過程中占主要排洪任務。與水閘排水能力相比，泵站排水能力有限，增大泵站規(guī)模對于地理位置較為分散的澇區(qū)不能發(fā)揮有效的排澇效果。

為了進一步分析雨洪遭遇對泵站規(guī)模的影響，方案4～6計算以內(nèi)洪為主遭遇外江常遇水位工況。“內(nèi)洪20%遭遇外江50%洪水時”，當泵的規(guī)模增加到200 m3/s，各控制點水位與無泵可自排時基本保持一致，泵的規(guī)模增加到480 m3/s接近5年一遇洪峰流量時，才能將各控制點水位降低到16.3 m。但無限加大泵站規(guī)模阻礙了水閘的自排，無端增加工程建設規(guī)模和運行成本，大流量泵站規(guī)模方案顯然不可取(見表3)。

表3 各方案控制點計算水位成果

4.2 方案分析

在河口建設匯排泵站的方案下，需要解決建城河防洪排澇問題首先要分析圍內(nèi)發(fā)生設計洪水遭遇外江常水位工況。相比圍內(nèi)遭遇的洪水，河口泵站的規(guī)模對整個流域的削峰排水作用非常小，增大泵站規(guī)模不僅增大工程投資和運行費用，還浪費了水閘自排的有利條件。要根本上解決分散式多點澇區(qū)的排澇問題，即使是匯排方案也需要提高各澇區(qū)的控制水位，羅子村和梅花營村也需按照17.6 m的設計水位配套建設堤防、竇閘和內(nèi)圍泵站控制，河口再配套建設 75 m3/s 規(guī)模的羅旁水閘抽排。當圍內(nèi)發(fā)生暴雨各澇區(qū)水位上漲時借助各片區(qū)泵站將澇水排至建城河，再由河口羅旁水閘排出外江，形成“上蓄、中防、匯排、外擋”的防洪治澇體系。

而分排方案下無需在河口建設泵站，當5%的內(nèi)洪遭遇外江50%的洪水時，由水閘自排，各控制點的水位分別為：羅旁閘前最高水位為17.48 m，梅花營村水位為17.8 m，羅子村水位為17.6 m。當50%的內(nèi)洪遭遇外江5%的洪水時，水閘不能自排，各控制點的水位均為19.62 m。分排方案在不建設羅旁泵站的情況下，各澇區(qū)需按照設計水位19.62 m進行防洪排澇設施建設，各自獨立防護，整個流域形成“上蓄、中防、分排、外擋”的防洪治澇體系。

參考相似工程的投資單價，計算分排與匯排方案的投資估算[11-14](見表4)，分排方案防洪排澇設施總費用匡算為1 991萬元，而建設羅旁泵站匯排方案投資約1.87億元，大于分排方案投資。

表4 各泵站規(guī)?？刂泣c計算水位成果

5 結(jié)語

1) 分片式分排與集中式匯排方案都可以解決山區(qū)地區(qū)分散式澇區(qū)的防洪排澇問題。基于建城河流域的雨洪遭遇特點，如若需要在河口建設匯排泵站，內(nèi)洪大外洪小為控制泵站規(guī)模及除澇效果的的限制工況。此時除澇應考慮以水閘自排為主導，增大泵站規(guī)模無益于除澇還浪費了水閘自排的有利條件，增大工程投資和運行費用。在此基礎上，再考慮內(nèi)洪小外洪頂托工況下配合建設排澇規(guī)模與排澇效果相匹配的泵站方能除災。

2) 建成河流域現(xiàn)狀為典型山丘地區(qū)分散的澇區(qū)分布，從設置不同泵站規(guī)模的治澇效果及工程投資的角度分析，各澇區(qū)建設堤防、竇閘和內(nèi)圍泵站取代河口建設大型匯排泵站，分布式針對性提高區(qū)域防洪排澇能力，才更有益于精準解決流域內(nèi)各澇區(qū)的防洪排澇問題。