深圳碧道水安全、水生態(tài)設計方法及實踐

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]。

1 工程概況

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 水安全、水生態(tài)分析計算

2.1 防洪安全

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。

2.2 水質安全

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。

2.3 補水流量復核

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。

2.4 生態(tài)河床

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。

3 結語

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。