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      筍崗滯洪區(qū)及下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度研究

      2022-07-25 00:54:34梁巧茵
      水利規(guī)劃與設(shè)計 2022年3期
      關(guān)鍵詞:滯洪區(qū)防洪河道

      梁巧茵

      (深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東 深圳 518001)

      洪水是困擾人類的主要自然災(zāi)害之一,在我國洪澇損失居各種自然災(zāi)害的首位[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,洪水災(zāi)害產(chǎn)生的損失在城市地區(qū)更為嚴(yán)重。人們一直在探索有效的途徑抵御洪水災(zāi)害,從消極躲避到修建防洪工程,再到防洪工程措施與非工程措施相結(jié)合[2]。在智慧城市發(fā)展的背景下,信息技術(shù)手段日新月異,防洪調(diào)度技術(shù)獲得了長足的發(fā)展,經(jīng)歷了由簡單、粗放的經(jīng)驗調(diào)度到復(fù)雜的聯(lián)合調(diào)度的演化過程[3]?,F(xiàn)階段,防洪調(diào)度研究對成果的可操作性與實用性的要求越來越高[4]。

      作為深圳市快速城市化過程的一個典型流域,布吉河河道穿越城區(qū),流域內(nèi)下墊面的硬化減小了下滲,增加了地表徑流的比例,同時縮短了坡面匯流的時間。布吉河流域內(nèi)暴雨頻發(fā),洪水災(zāi)害頻繁,城市化的發(fā)展導(dǎo)致布吉河干支流的地表河道趨于減少,河道趨于順直,河床趨于硬化,河道行洪任務(wù)重,防洪壓力大[5]。滯洪區(qū)作為流域防洪減災(zāi)體系中的重要組成部分,在防御流域大洪水、保障下游重要防洪地區(qū)的安全方面,發(fā)揮著不可替代的作用[6]。作為布吉河中下游防洪體系的重要組成部分,筍崗滯洪區(qū)可以在防汛應(yīng)急中發(fā)揮削峰及蓄滯洪水的作用,是布吉河中下游防洪調(diào)度的重要措施。隨著城市化的發(fā)展,對筍崗滯洪區(qū)調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化,減少洪水災(zāi)害損失,更大限度提高流域的防洪效益,具有十分重要的意義。

      筍崗滯洪區(qū)由于近年來城市化發(fā)展及市政交通建設(shè)侵占了部分庫容,加上泥沙淤積,滯洪區(qū)庫容日趨減少,影響了滯洪區(qū)防洪功能的發(fā)揮。筍崗滯洪區(qū)所在的布吉河流域,其防洪標(biāo)準(zhǔn)已從50年一遇提高至100年一遇,相應(yīng)地對滯洪區(qū)的滯洪提出了更高的要求。滯洪區(qū)庫容的減少與流域防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高形成了突出矛盾,筍崗滯洪區(qū)能否按照現(xiàn)狀調(diào)度方案保障自身及下游的防洪安全,需要進(jìn)一步研究;在城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、極端天氣頻發(fā)、流域防洪壓力明顯增大的背景下,需要評估滯洪區(qū)及其下游河段的整體防洪能力,以此提出防洪優(yōu)化調(diào)度方案,為滯洪區(qū)及布吉河安全度汛提供保障。

      1 研究區(qū)域概況

      布吉河為深圳河的一級支流,上游由水徑水、塘徑水支流在牛嶺嚇匯合成干流,自北向南于漁民村附近匯入深圳河,流域面積63.41km2,其中筍崗滯洪區(qū)控制流域面積42.9km2。筍崗滯洪區(qū)以下為布吉河下游段,長度約2.7km。

      筍崗滯洪區(qū)又稱洪湖公園,非洪水期主要為市民提供休閑活動,洪水期主要用于滯洪以保護(hù)布吉河下游,是布吉河流域內(nèi)唯一的蓄滯洪區(qū)。筍崗滯洪區(qū)在西南角設(shè)置1座泄洪閘(筍崗閘)與布吉河下游段相連接。筍崗閘是1座設(shè)有胸墻的潛孔水閘,汛期攔蓄洪水,控制洪水下泄流量,枯水期擋水成湖。閘底板高程為3.9m(56黃海高程,下同),胸墻底高程7.3m,共4孔,每孔凈寬7m、高3.4m。筍崗滯洪區(qū)面積約0.61km2,正常蓄水位7m,正常庫容27萬m3。滯洪區(qū)地形北高南低,高程介于3.9~15m之間,大部分高程在13m以下。筍崗滯洪區(qū)的防洪調(diào)度類似于水庫調(diào)度,原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,設(shè)計洪水位11.30m;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇,校核洪水位12.15m。布吉河流域地形及水系如圖1所示。

      圖1 布吉河流域地形及水系圖

      2 滯洪區(qū)現(xiàn)狀調(diào)度方案

      2.1 現(xiàn)狀調(diào)度方案運行原則

      現(xiàn)狀調(diào)度方案下,筍崗滯洪區(qū)運行原則如下:

      (1)當(dāng)上游來水小于下游河道安全流量420m3/s時,來水多少,泄多少。

      (2)當(dāng)上游來水大于下游河道安全流量420m3/s而小于等于100年一遇洪水時,控制下泄流量為420m3/s。

      (3)當(dāng)上游來水大于100年一遇洪水時,原則上以保壩為主,水庫下泄流量不受下游河道安全泄量限制,可結(jié)合上下游具體水情適當(dāng)掌握。

      2.2 現(xiàn)狀調(diào)度方案閘門開啟度控制

      現(xiàn)狀調(diào)度方案下,實際操作時為兼顧下游兩岸的安全和滯洪區(qū)主壩的安全,相應(yīng)筍崗閘閘門開啟度的要求為:

      (1)當(dāng)庫水位Z<起調(diào)水位7.0m時,四孔閘門全開。

      (2)當(dāng)庫水位7.0m≤Z<11.3m時,四孔閘門開啟度為2.05m,控制下泄流量最大為420m3/s。

      (3)當(dāng)庫水位Z≥11.3m,四孔閘門全開,滯洪區(qū)下泄流量不受下游安全流量限制。

      根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)度方案與最新實測筍崗滯洪區(qū)地形圖得到的水位-庫容關(guān)系曲線,基于水量平衡原理對滯洪區(qū)遭遇各重現(xiàn)期設(shè)計洪水(采用廣東省綜合單位線法計算成果)進(jìn)行調(diào)洪演算,計算結(jié)果見表1。由于筍崗滯洪區(qū)庫容的減少,現(xiàn)狀調(diào)度方案遭遇50年一遇設(shè)計洪水時,滯洪區(qū)最高水位已達(dá)到11.77m,超過滯洪區(qū)50年一遇原設(shè)計水位11.30m,對于滯洪區(qū)自身來說處于防洪不安全工況。

      表1 基于現(xiàn)狀調(diào)度方案的筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計算結(jié)果

      3 滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案及下游河道行洪能力復(fù)核

      3.1 滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案

      布吉河下游段經(jīng)過整治,防洪標(biāo)準(zhǔn)已提高至100年一遇。從流域統(tǒng)籌角度考慮,筍崗滯洪區(qū)設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高至100年一遇。遭遇100年一遇設(shè)計洪水時,在確保滯洪區(qū)自身安全的前提下,通過筍崗閘控制滯洪區(qū)的下泄流量,使布吉河下游安全度汛。

      3.1.1優(yōu)化調(diào)度方案運行原則

      優(yōu)化調(diào)度方案下,筍崗滯洪區(qū)運行原則如下:

      (1)當(dāng)上游來水流量小于446m3/s(對應(yīng)的筍崗閘閘上水位不高于8.70m)時,來水多少,下泄多少。

      (2)當(dāng)筍崗閘閘上水位達(dá)到8.70m時,則控制筍崗閘下泄流量為446m3/s,其閘門開啟按閘上水位-閘門開啟度-泄流曲線控制。

      (3)當(dāng)筍崗閘閘上水位達(dá)到11.30m時,原則上以保壩為主,筍崗閘下泄流量不受下游河道安全泄量限制,可結(jié)合上下游具體水情,適當(dāng)掌握。

      3.1.2優(yōu)化調(diào)度方案閘門開啟度控制

      優(yōu)化調(diào)度方案下,相應(yīng)筍崗閘閘門開啟度的要求為:

      (1)當(dāng)上游來水流量小于446m3/s(對應(yīng)的筍崗閘閘上水位小于8.70m)時,四孔閘門全開,來水多少,泄多少。

      (2)當(dāng)滯洪區(qū)水位8.70m≤Z≤11.30m時,按閘上水位-閘門開啟度-泄流關(guān)系曲線控制,控制下泄流量最大為446m3/s。

      (3)當(dāng)滯洪區(qū)水位Z>11.30m,四孔閘門全開,筍崗閘下泄流量不受下游河道安全流量限制。

      筍崗閘閘上水位-閘門開啟度-泄流關(guān)系曲線如圖2所示?;趦?yōu)化調(diào)度方案,筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計算成果見表2。當(dāng)遭遇100年一遇設(shè)計洪水時,筍崗滯洪區(qū)設(shè)計水位為11.30m,對于滯洪區(qū)來說處于防洪安全工況。

      圖2 筍崗閘閘上水位-閘門開啟度-泄流關(guān)系曲線圖

      表2 基于優(yōu)化調(diào)度方案的筍崗滯洪區(qū)調(diào)洪計算結(jié)果

      3.2 下游河道行洪能力復(fù)核

      3.2.1模型構(gòu)建及參數(shù)選取

      河道行洪與上游流量、下游潮位以及沿線水利工程運行關(guān)系密切,采用非恒定流計算河道水面線能較好反映河道行洪實際情況[7]。筍崗滯洪區(qū)下游河道行洪能力采用MIKE 11水動力模型進(jìn)行水面線計算,其原理為采用Abbott六點隱式差分法對一維Saint-Venant方程組進(jìn)行離散,并采用追趕法求解[8]。本文選取筍崗閘至布吉河河口約2.7km長的河道作為水動力模型的計算范圍。依據(jù)布吉河河道中心線構(gòu)建一維水動力模型河網(wǎng)文件,河道斷面設(shè)計資料及實測成果設(shè)置斷面文件[9],斷面間距平均為100m,共設(shè)置27個河道斷面。

      一維水動力模型上邊界為筍崗閘下泄流量,下邊界為布吉河口的(潮)水位過程。模擬時間步長取2s。糙率系數(shù)反映了河床、河岸及地形對水流阻力的綜合影響,是水力計算的重要靈敏參數(shù),也是水動力模型中最重要的參數(shù)[10]。布吉河下游段穿越城區(qū),無實測水位流量資料,但經(jīng)過水環(huán)境綜合整治,河床及沿岸無明顯的起伏變化,根據(jù)河道斷面材質(zhì),并參照水環(huán)境綜合整治工程的參數(shù),確定一維模型的河道糙率n為0.028。

      3.2.2河道水面線結(jié)果分析

      基于筍崗滯洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案,遭遇100年一遇設(shè)計洪水時,布吉河下游段水面線計算成果如圖3所示。

      圖3 布吉河下游段100年一遇設(shè)計水面線

      當(dāng)考慮河道的防浪墻時,布吉河下游段兩岸安全超高最小值為0.55m(距離布吉河口約400m處)大于0.5m,滿足100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。若布吉河口水位抬升或者筍崗滯洪區(qū)下泄流量增加,則布吉河下游段不能滿足100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

      4 滯洪區(qū)及下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度方案

      根據(jù)布吉河下游段水面線計算成果,當(dāng)布吉河流域發(fā)生100年一遇設(shè)計洪水時,若布吉河河口水位在3.50m以下時,筍崗閘可不實施限制泄流,布吉河下游段河道仍處于安全狀態(tài)。

      利用MIKE水動力模型通過多方案組合,使布吉河口起推水位盡量達(dá)到最高,筍崗滯洪區(qū)下泄流量達(dá)到最大,而布吉河下游河道仍處于安全狀態(tài)。通過試算,當(dāng)布吉河流域發(fā)生100年一遇設(shè)計洪水時,若布吉河口水位為4.20m,筍崗閘控制下泄流量為410m3/s,布吉河下游段河道仍處于安全狀態(tài)(兩岸無安全超高)。

      對筍崗滯洪區(qū)及下游河道進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度,即筍崗閘下泄流量遭遇布吉河口潮(水)位,如果布吉河下游段控制斷面的水位未超過安全水位,則可加大下泄流量;否則減少下泄流量[11]。當(dāng)遭遇100年一遇設(shè)計洪水時,根據(jù)布吉河下游段水面線計算結(jié)果,河道水面線考慮0.5m的安全超高,利用MIKE水動力模型通過多方案組合與試算,得到布吉河口水位與筍崗閘安全泄量關(guān)系見表3。

      表3 布吉河口水位與筍崗閘安全泄量關(guān)系

      由表3可知,遭遇100年一遇設(shè)計洪水時,當(dāng)布吉河河口水位在3.50m以下時,筍崗閘可不調(diào)度;當(dāng)布吉河河口水位在3.50~3.79m(正常運用工況)時,筍崗閘按照優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度,布吉河下游段與滯洪區(qū)均處于安全狀態(tài);當(dāng)布吉河河口水位在3.80~4.20m(非常運用工況)時,滯洪區(qū)的最高水位為12.13m,低于校核水位12.15m,布吉河下游河段安全超高不足,滯洪區(qū)與下游河道處于安全的極限狀態(tài);當(dāng)布吉河河口水位超過4.20m時,筍崗閘調(diào)度無法同時保證滯洪區(qū)及下游河道的安全,布吉河流域?qū)l(fā)生洪澇災(zāi)害。

      5 結(jié)語

      依照現(xiàn)狀調(diào)度方案,遭遇50年一遇設(shè)計洪水時筍崗滯洪區(qū)已處于防洪不安全工況;優(yōu)化調(diào)度方案可使筍崗滯洪區(qū)自身及布吉河下游段達(dá)到100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn);在此基礎(chǔ)上實施筍崗滯洪區(qū)及下游河道的聯(lián)合防洪調(diào)度,能更好兼顧滯洪區(qū)及下游河道的防洪安全。研究成果具有可操作性與實用性,可為筍崗滯洪區(qū)及布吉河下游段的防洪調(diào)度提供參考。

      為了更好論證筍崗滯洪區(qū)與下游河道聯(lián)合防洪調(diào)度,盡快開展布吉河下游段防洪瓶頸的水位變化規(guī)律研究工作,建立深圳河灣水位與布吉河防洪瓶頸段水位的實時監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng),實現(xiàn)下游低水位時盡快泄洪,下游高水位時錯峰泄洪的聯(lián)合防洪調(diào)度體系,具有重要現(xiàn)實意義。

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