肖 江,胡 斌,王一嵐,王 偉,秦 祎,王建強
(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司,北京 100045;2.北京市園林古建設計研究院有限公司,北京 100081)
2018年12月20日,廣東省河長辦《關于開展萬里碧道建設試點工作的通知》,要求各地試點先行,迅速開展萬里碧道建設試點工作。深圳市率先“認領”了1 000 km的碧道建設任務,到2022年,全市將完成500 km碧道建設,到2025年完成1 000 km,率先在全省高質量實現碧道建設目標,讓市民全面享受治水成果[1]。
深圳市寶安區(qū)下涌碧道建設項目起點東起黨建公園附近,西至下涌匯入截流河河口處,碧道建設長度約2.7 km,現狀河底縱坡為0.35‰~0.48‰,河寬在10~20 m之間,流域面積為5.56 km2。碧道建設的水專項分析占據十分重要的地位,李漢川認為下涌碧道建設應以水體治理、駁岸整治和智慧系統(tǒng)作為重點項目[2];王賀飛[3]認為水資源保障、水安全提升、水環(huán)境治理和水生態(tài)保護與修復是中山市西江碧道的總體建設任務;唐雅雯等[4]以行洪安全、水質提升和水生動物保護作為深圳市龍崗區(qū)杶梓河碧道修復的核心任務;吳世輝[5]從水系連通、水質凈化、水源涵養(yǎng)、防洪整治方面對仁化縣錦江碧道進行了規(guī)劃設計;賴晶[6]認為大鵬新區(qū)碧道的水系治理方向包括防洪安全、生態(tài)基流、水生動植物、水質改善;《深圳市碧道設計導則》(試行)[7]水專項主要包括安全系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的設計。按照流域面積劃分,下涌應屬于中小河道,則可參考中小河道生態(tài)水利的治理框架和實踐進行水專項的設計分析[8-11]。
在符合下涌碧道相關規(guī)劃的要求下,下涌碧道的水系設計平面分布圖和設計俯瞰效果圖分別見圖1和圖2。
圖1 下涌碧道建設水系設計平面分布示意
因下涌于2018年經歷綜合整治工程,故碧道設計時盡可能利用現狀設施,并且在設計后分析對現狀設施的影響。整個下涌碧道建設基于現狀河道,秉持“不大拆大建”的原則,實現“清川展綠、下涌織新”的總體目標,其中涉水設施主要包括碧道建設起點(XC2+702.70)處的現狀沙井再生水廠補水點、碧道建設終點(XC0+000.00)下涌匯入截流河河口現狀截污擋潮閘處,在現狀松福大道橋涵東側有一座塘下溝排澇泵站,在現狀錦程路橋涵西側附近有一座民主三間仔排澇泵站、下涌兩岸沿線堤腰路下方存在現狀截污管線等。
下涌河寬較為筆直、順直段長度較長,初步按照明渠均勻流公式[12]估算常水深不足20 cm,結合多次現場調研驗證,基本符合估算結果??紤]水生態(tài)系統(tǒng)建設需要一定深度的水深,故通過在錦程路橋涵以東100 m處新建生態(tài)溢流堰和汀步結合(XC0+892.37),滿足景觀設計水深0.5 m和連通兩岸居民親水的需求,并在靠近下涌匯入截流河河口處新建一座一體化泵站(XC0+000.00),排水流量按照沙井再生水廠補水量確定(Q=1 350 m3/h)。在截污閘擋潮關閉后(截流河水位受潮水位影響時、下涌兩岸面源污染流入時)、周邊地下工程施工降排水匯入時(例如地鐵12號線海上田園東站)啟動一體化泵站,以此控制常水位的穩(wěn)定。
下涌碧道建設中的水專項主要圍繞實現水安全和水生態(tài)兩個子目標出發(fā),其中水安全主要分析防洪安全和水質安全兩個專業(yè)目標,水生態(tài)主要分析生態(tài)補水和水生動植物兩個專業(yè)目標。
2.1.1防洪標準及斷面劃分
依據《深圳市防洪(潮)排澇規(guī)劃(2021—2035)說明書》[13],確定下涌碧道建設為50年一遇防洪標準,Q50=86.8 m3/s。
依據《河道整治設計規(guī)范》5.1.3條:“計算斷面間距宜在1~4倍河槽寬范圍內取值。計算斷面間距在比降較大河段宜取小值,比降較小河段宜取大值?!盵14]下涌河道比降較小,河寬約10~20 m,故按照每100 m劃分一個斷面。由《堤防工程設計規(guī)范》[15]表3.1.3和表3.2.1可知:下涌碧道建設的建筑物級別為2級,按照允許越浪考慮的安全加高值為0.4 m。
2.1.2相關參數確定及水流模型建立
以100 m為一個斷面間距,對于新建生態(tài)溢流堰、人行景觀橋、現狀橋涵和部分轉彎河段增加斷面,下涌全段共劃分為55處設計斷面,提取相關斷面參數,使用HEC-RAS對設計斷面進行行洪安全復核,同時考慮了新建生態(tài)溢流堰(樁號XC0+892.37處)和現狀6座橋梁的壅水影響。
1)糙率選取
以《水工設計手冊(第2版)第9卷》[16]及《下涌整治工程初步設計報告》[17]中糙率選擇為參考,因碧道建設后河槽內水生植物增多導致糙率會適當增加,取值0.03,堤腰路以上部分按照砌磚護面取值0.017。
2)現狀橋涵壅水
新建人行景觀橋A、B均一跨過河,不在河道內設置橋墩,且橋梁梁底高程高于洪水位0.5 m以上。
現狀橋梁共有6座,自下游向上游依次為現狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現狀沙一工業(yè)1#橋(XC1+850.39)、現狀沙一工業(yè)2#橋(XC2+016.61)、現狀西環(huán)路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30)、黨建公園處現狀橋涵(XC2+572.38)。因鐵科院的曹瑞章公式考慮因素多,適應性較強,成果相對較為合理[18-20],故采用鐵科院曹瑞章公式計算現狀橋梁壅水值,公式如下(結果見表1):
表1 現狀6座橋梁壅水計算結果
(1)
式中:
Vm——橋下平均流速,Vm=KpQp/Aj;
Qp——設計流量;
Aj——橋下凈過水面積;
Kp——考慮沖刷引起的流速折減系數;Kp=1/[1+A(p-1)];
P——沖刷系數,取1.0;
d50——橋下河床中值粒徑,mm;
V0m——天然狀態(tài)下平均流速,V0m=Q0m/A0m;
Q0m——天然狀態(tài)下通過的設計流量;
A0m——橋下過水面積;
K——壅水系數,K=2/(Vm/V0m-1)^ 0.5;
g——重力加速度。
3)水面線計算成果
HEC—RAS模型運用伯努利能量方程原理,根據模型要求輸入幾何數據和恒定流數據,下涌起推水位為1.73 m,為下涌匯入截流河河口處。結果顯示下涌碧道建設后50年一遇洪水位介于1.73~3.88 m(見表2)。
表2 下涌全段水面線計算成果
2.1.3行洪安全綜合評價
1)防洪安全
通過對現狀左岸部分花池擋墻加高30 cm、右岸部分空心欄桿改造為實體擋墻、或是兩岸部分綠地地形調整等手段,使下涌碧道建設后原本堤頂欠高的河段滿足防洪要求。對于西環(huán)路橋涵以及東側現狀人行橋經過行洪分析,現狀橋梁梁底高程略低于50年一遇洪水位,在發(fā)生設防標準洪水時,可能會存在水位漫過部分橋面的情況,故需在汛期組織防汛搶險工作。
改造后河道駁岸生態(tài)性、親水性大大增強,同時兩岸植入了較多的海綿措施,例如雨水花園、透水路面、下凹式綠地等等,在一定程度上減少了徑流系數,緩解了下涌暴雨期的行洪壓力。
2)行洪沖刷安全
下涌碧道建設后的行洪期間,斷面平均流速、水深等數值基本與下涌綜合整治工程中設計值一致,加之本項目河床改造時避讓河底現有管線、距離兩岸護坡坡腳一定距離,對現狀堤腰路結構不進行調整,不改變現狀駁岸及堤腰路基礎埋深[21]。
行洪時下涌全段弗勞德數均小于1,水流流態(tài)為緩流,除現狀橋梁行洪處斷面平均流速較高,最高為錦程路橋涵處,斷面平均流速達2.88 m/s,其余斷面平均流速介于0.5~2.0 m/s,可滿足河槽內鋼筋混凝土構筑物表面抗沖刷要求(4 m/s),其中中段和東段行洪期間斷面平均流速小于1.5 m/s。故碧道建設后,仍舊滿足水工建筑物的沖刷埋深要求和表面抗沖要求。
在水流沖刷作用下,防護工程護坡、護腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖折算粒徑d按下式計算[15]:
(2)
式中:
d——抗沖粒徑,m;
V——水流流速,m/s;
rs——石塊容重,取值25 kN/m3;
r——水容重,取值10 kN/m3;
g——重力加速度,9.8 m/s2;
C——穩(wěn)定系數,按水平底坡取值1.2。
計算結果見表3。經分析,新建生態(tài)河床所用石子粒徑≥2 cm即可滿足抗沖要求。
表3 抗沖粒徑計算結果
3)橋梁過流安全
按照滿管流公式[22]對下涌沿線3座主要現狀橋梁進行最大過流能力分析,公式如下:
(3)
(4)
式中:
Q——過流流量,m3/s;
A——過流斷面面積,m2;
R——水力半徑,矩形管道時,R為過流斷面面積A與濕周的比值,圓管滿流時,R為管道內徑的1/4,m;
i——管底縱坡,%;
n——管道內壁糙率;
C——謝才系數。
自下游向上游依次為現狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現狀西環(huán)路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30,3孔進,單孔出),結果顯示3座現狀橋涵均滿足過流要求,即最大過流量滿足設防標準下的洪峰流量,斷面平均流速均小于現狀橋涵表面混凝土材質的抗沖流速(4 m/s)(見表4)。
表4 現狀橋梁過流能力及斷面平均流速計算結果
4)行洪對植物影響
下涌在行洪期間,水流流態(tài)為緩流,斷面平均流速介于0.5~2.0 m/s,水生植物可承受短暫沖刷。計算結果可對后期植物選擇作為依據,盡可能挑選抗沖、抗淹性能強的水生植物。
5)行洪對沿河排口影響
下涌碧道建設不包含新建雨水排口。
結合實測管線圖,下涌沿河共有83處現狀雨水口,其中上游段(寶安區(qū)段)24處,下游段(前海區(qū)段)59處?,F狀雨水排口內頂高程與常水位、50年一遇洪水位的關系見圖3。
圖3 沿河現狀雨水排口內頂高程與常水位關系(左)、與50年一遇洪水位關系(右)
依據《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》第3.5.6條及條文說明[23],“排水管渠出水口內頂高程宜高于收納水體的多年平均水位。有條件時宜高于設計防洪(潮)水位?!薄俺鏊诟叱痰脑O計要兼顧南北方城市的不同特點,對于高差較小的城市允許淹沒出流”。按照設計常水位水深為0.3~0.5 m考慮,下涌沿線現狀雨水排口內頂高程高于常水位的排口共有82處,占99%;現狀雨水排口內頂高程高于50年洪水位的排口共有18處,占22%。
經過多方考量,改造雨水排口的實施性較差,故不對沿河雨水排口高程進行調整。收集堤頂路面雨水的排口數量共有37處,占比為45%,行洪時河道能滿足50年一遇防洪標準,超此標準時,現狀排水管道臨時起到調蓄功能,能減緩一定程度行洪壓力,此時現狀雨水排口為淹沒出流。
下涌規(guī)劃水質為Ⅳ類,2021年3—4月份部分日采集的氨氮指標檢測結果如下,判斷出下涌目前水質基本穩(wěn)定于Ⅳ~Ⅴ類(見圖4)。
圖4 下涌實測水質情況(氨氮指標檢測結果)
下涌兩岸目前通過綜合整治的截污工程、全面消黑、正本清源、重點面源污染治理等項目,逐漸實現雨污分流,確保下涌水質狀況的良好轉變,故碧道建設不再采取工程措施,僅通過水生植物等非工程措施進行水質提升。
下涌目前補水量來自沙井再生水廠出水、通過沙井補水泵站供給。補水點位于下涌上游段黨建公園南側附近,補水水質為一級A,下涌日補水量為3.05萬t。2021年沙井補水泵站供水量月份變化情況見圖5。
圖5 沙井補水泵站年運行天數及供水水量情況
目前沙井補水泵站日均供水量約35萬t,達到設計規(guī)模(50萬t)的70%。同時,年運行天數約318 d,全年運行天數占比達到87%?;究杀U舷掠垦a水量穩(wěn)定和補水時間連續(xù)的需求,后期隨著沙井補水泵站達產后的穩(wěn)健運行,下涌需水量基本可以得到保障,故碧道建設不再采取補水工程措施。
在河底建設相應的礫石群落,用于改善河床基質,形成水下異質空間,為魚類提供部分庇護、產卵和索餌的場地,礫石群頂高程盡量不高于現狀河底高程,做好與現狀橋涵底板、河底現狀埋設管道的高程銜接關系,礫石群直徑不小于2 cm,滿足抗沖要求。結合行洪分析中水流流速的特點,優(yōu)先選擇抗沖、耐淹、耐鹽堿、根系發(fā)達、自凈效果強、美觀性好且便于后期運維管理的水生植物布置在坡腳處,在一定程度上能夠對下涌水質進行提升。
1)通過分析計算,深圳市下涌碧道建設后滿足50年一遇防洪要求;行洪時對既有橋梁、堤岸沖刷影響較??;根據行洪流速對水生植物選擇提供了參考意見;沿河雨水排口改造困難,在行洪期間為淹沒出流;水質狀況正常,不再采取工程措施;補水水量穩(wěn)定、連續(xù)性較好,基本滿足景觀需求;提供生態(tài)河床構建的礫石群直徑參考數值等。為碧道水安全、水生態(tài)設計提供數據支撐,系統(tǒng)完整地提出了相關設計過程,為其他碧道建設提供了借鑒經驗。
2)因下涌碧道流域范圍小,水生態(tài)資料較為匱乏,故缺乏對水生動物的設計考慮。隨著業(yè)界對河道內水生動物的關注度越來越高,例如魚類“三場一道”的專項設計,地方主管部門應建立完善的水生動物檔案,在設計中進一步考慮對水生動物的保護。