沙湾河截排工程对沙湾河与深圳水库防洪排涝的影响研究

陈丽贵，李天晓

(1.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000;2.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001)

习近平总书记提出的生态文明新战略，是把生态文明建设融入经济建设，用绿色、循环、低碳发展理念构建生态经济发展新模式。为加强饮用水源地环境保护，妥善解决水源保护区历史遗留问题，进一步提升饮用水源安全保障水平，深圳市创新性提出了都市型饮用水源地水质保障工程。沙湾河截排工程是确保深港两地重要的水源地[1]，是深圳水库水质保障的重要性工程，即通过物理隔离工程将不满足入库水质标准的河道汇水，旁路绕流出深圳水库，当满足入库水质后可直接进入水库，从而既实现水库水质保障又充分利用本地水资源的目的。

但由于城市快速发展，加之气候变化异常，极端天气多发，导致当前城市洪涝问题日益突出，“汛期看海”现象频繁发生[2]。因此，在水质保障工程规划阶段，需要合理确定工程规模和工程方案，以实现本地水资源的最大化最优化利用，又充分考虑不加大或零影响水库上下游的防洪排涝压力。

近年来，随着城市基础地理数据精度提升、水文气象统计资料积累，基于城市水文学、水动力学原理的城市洪涝模拟技术得到较快发展[3]，城市洪涝模型成果在水文预报、水工程调度、排涝决策等方面成果显著[4]，为城市的洪涝风险预测、调度等业务提供技术支撑[5]。其中中国水利水电科学研究院开发的城市洪涝模拟系统，分为基础资料数据库(地理信息、雨水情、遥感影像等)、城市外洪内涝耦合模型(水文模型、水动力模型)和面对用户的展示应用3个方面[6-8]。本文基于中国水利水电科学研究院开发的城市洪涝模拟系统，构建数值分析模型，将沙湾河流域洪涝精细模型与水工程调度模型耦合分析，研究了沙湾河截排工程对沙湾河流域洪涝排除效益、沙湾水闸与深圳水库调洪的影响，从而分析得出河流截排工程对城市流域防洪排涝的优化作用，为工程建设科学决策提供技术支撑[9]。

1 研究区及模型构建

1.1 研究区域概括

深圳河是深圳市的母亲河，发源于梧桐山牛尾岭，由东北向西南流入深圳湾，流域面积312.5 km2，河长37.6 km，河道比降1.1‰[10-11]。其中沙湾河位于深圳水库上游，位于深圳水库二级水源保护区，也是深圳河的一级支流，流经深圳市龙岗区南湾街道与平湖街道，最后经沙湾水闸汇入深圳水库，流域面积26.10 km2，占深圳水库集雨面积的43.14%，占深圳河集雨面积的8.35%，其河道长度10.5 km，河道比降4.6‰。此外，深圳市地处中国东南沿海台风频繁登陆地区，持续降雨和突然暴雨较多，雨季污染负荷进入沙湾河，导致沙湾河流域内涝严重。为缓解沙湾河两岸内涝，需开闸泄洪排入深圳水库，然而受限于深圳水库流域污水截排隧洞容量，开闸泄洪对深圳水库水质造成一定程度的影响，威胁深圳水库的水质安全[12]，因而研究沙湾河截排工程对沙湾河与深圳水库防洪排涝的影响、为工程规模和方案决策有一定指导作用。

1.2 模型构建

构建沙湾河流域洪涝精细模型(包括地表产汇流、水体零维、河道一维水力学、地下管网汇流等模型)和深圳河流域河道水动力与水工程调度模型(包括河道一维水力学、水工程调度等模型)，通过模型耦合开展沙湾河截排工程涉深圳河流域防洪排涝研究，其模型结构见图1[13]。

图1 城市洪涝模拟模型结构

1.2.1地表产汇流模型

地表产汇流模型包括地表水文水动力和地表产汇流水文模型2种，其中地表水文水动力模型采用经验水文算法计算降雨产流过程。传统水文方法中仅将降雨作为下渗水源，从降雨中扣除下渗损失得到净雨叠加到模型中，然而当地表没有降雨但存在积水淹没时，下渗过程依然存在且不可忽略，因此，本文使用初损后损法计算地表产流更为精准[14]。同时，鉴于城市地表较为平坦，地表水动力学模型采用二维圣维南方程组的扩散波公式计算净雨的地表坡面运动。

地表产汇流水文计算方法采用分布式三水源新安江模型[15]，由蒸散发、产流、分水源和汇流4个模块构成，其汇流过程包括坡地汇流、河网汇流和河道汇流3部分。此中，坡地汇流是指水体在不考虑地面径流坡地汇流时间时直接进入河网，壤中流和地下径流的坡面汇集过程，其采用线性水库方法计算[16]。

此外，河网汇流是指单元面积内部水流从坡面进入河槽后沿河网的汇集到出口的过程。在河网汇流阶段，由于汇流特性受制于河槽水力学条件，各种水源是一致的，采用滞后演算法，计算见式(1)、(2)[17-18]。

Q(t)=CS×Q(t-1)+(1-CS)×QT(t-L)

(1)

QT(t)=QS(t)+QI(t)+QG(t)

(2)

式中Q(t)——t时刻的单元面积河网汇流；QT(t)——t时刻的单元面积河网总入流；QI(t)——单元面积壤中总入流；QG(t)——单元面积地下总入流；t——河网汇流时间；L——滞后时间；CS——河网水流的消退系数。

河道汇流是指出口流量通过河道汇流演算至流域出口的过程，计算采用1962年赵人俊教授[19]提出的马斯京根分段连续演算法。

1.2.2水体零维模型

水体零维模型用以模拟水库、湖泊和蓄滞洪区等调蓄水体的洪水蓄排调度过程。水库、湖泊等水体的洪水波运动为明渠渐变不恒定流，水体的洪水调度计算时，对水体水面采取水平面近似处理计算蓄水量，忽略库区回水水面的不规则动态变化[20]。

1.2.3其他模型

河道一维水力学模型基于描述具有自由表面的浅水非恒定流的圣维南方程组研制而成。此外，结合Preissmann虚拟窄缝法与圣维南方程组，建立对管网自由表面水流和有压水流精确计算的地下管网汇流模型[21-22]。

1.3 截排工程方案

沙湾河截排工程通过流域内新建分散雨洪调蓄湖调蓄削峰，初雨弃流转输等水质改善措施，借助截排隧洞系统，实现入库水质达标、对下游河道防洪排涝零影响和对下游河道水质零影响。选取2种截排工程方案进行对比分析：方案一是流域内分洪和地下调蓄湖相结合，方案二是源头调蓄和复合型雨洪调蓄湖相结合。其中，方案二拟在沙湾河沿线新建雨洪调蓄湖4座，其调蓄湖特征见表1。两方案的详细信息见表2，布置见图2。

表1 方案二调蓄池特征

表2 截排工程方案详细信息

a)方案一

2 截排工程对沙湾河流域洪涝排除效益的影响

2.1 地表内涝排除效益分析

2.1.1基于最大积水深度的地表内涝排除效益分析

沙湾河流域遭遇50年一遇暴雨时，沙湾河流域地表淹没范围分级统计见表3。可以看出，沙湾截排方案实施后，最大积水深度大于5 cm的范围均较现状呈现一定程度的缩小，当积水深度在0.05～0.15 m和0.15～0.27 m时，方案一、二相较于现状条件下的淹没范围的面积最小，同时方案二淹没范围的面积较大，累计达到3 992 199 m2；当积水深度大于0.27 m时，方案一、二相较于现状条件下的淹没范围的面积最大，同时方案二淹没范围的面积较小，累计达到1 292 721 m2。总体而言，方案二的总体淹没面积比方案一少4 334 m2，并且积水深度较大时，淹没面积较方案一较小。

表3 沙湾截排方案下沙湾河流域淹没范围分级统计

2.1.2基于内涝点定义的地表内涝排除效益分析

在沙湾河流域遭遇50年一遇暴雨时，对沙湾河流域积水时间超过30 min且积水深度超过0.15 m的区域进行统计分析，统计结果见表4。可以看出，方案一、二相较于现状条件，其内涝范围均呈现一定程度的缩小，同时方案二的内涝面积比方案一小7 847 m2，平均最大淹没水深比方案一低2 mm。

表4 沙湾截排方案下沙湾河流域内涝统计

2.2 管网排水效益分析

从排水管网满管、检查井或雨水口两方面分析沙湾河流域50年一遇降雨条件下的管网排水效益，排水管网满管及检查井溢流信息见表5。可以看出，方案一、二的满管段数相较于现状情况分别少18、147个，溢流检查井或雨水口相较于现状情况分别少32、118个，其次方案二的管段满管和溢流检查井数量于方案一较少，即管网排水压力和因排水管网溢流导致的地表积水情况相对最小，对现状管网排水压力减缓作用较好。

表5 各沙湾截排方案排水管网满管及溢流检查井(或雨水口)信息 单位：个

3 截排工程对沙湾水闸调洪影响分析

3.1 现状工程

沙湾河遭遇100年一遇洪水时，沙湾水闸现状工况下泄流过程采用沙湾河沙湾水闸上游设计洪水，其沙湾水闸泄洪与深圳水库来洪过程对照见图3，深圳水库来洪总量3 321万m3，洪峰流量801 m3/s；沙湾水闸总泄洪量1 375万m3，洪峰流量386 m3/s。

图3 沙湾水闸泄洪与深圳水库来洪过程线

3.2 规划工况

针对规划工况，沙湾河流域内调度采用沙湾河截排方案二进行研究。当沙湾水闸上游水位达到29.31 m后，开启泄洪闸，且规划深圳水库调度方式为：①洪水流量较小时，来多少泄多少，水位维持在防洪控制水位；②当洪水逐渐增大，水位上升，未达到水库设计洪水位29.416 m时，控制泄流量不超过150 m3/s；③当深圳水库水位超过29.416 m时，闸门全开敞泄，直至水位降至起调水位，恢复最大控泄流量150 m3/s。根据《深圳水库调度规程》，无降雨、预报小雨—大暴雨、预报特大暴雨(或气象台暴雨红色预警)3种条件下深圳水库的汛限水位分别为27.6、27.2、26.6 m，换算为1956年黄海高程系，其分别为28.186、27.786、27.186 m。

沙湾河遭遇100年一遇洪水时，深圳水库不同起调水位条件下沙湾水闸的具体信息见表6，调度过程见图4。对比现状工况与规划工况调洪计算结果，可以看出沙湾河遭遇100年一遇洪水时，沙湾水闸现状工况下泄流为100年一遇设计洪水过程，沙湾水闸规划工况下泄洪的洪水总量、洪峰流量随着深圳水库起调水位的降低呈现增加趋势。

表6 沙湾水闸不同起调水位条件下调洪情况

a) 起调水位28.186 m

4 截排工程对深圳水库调洪影响分析

4.1 现状工况

针对深圳水库集水流域遭遇50年一遇洪水时，分别采用28.186、27.786、27.186 m为防洪控制水位对现状工况下深圳水库调洪过程展开分析。水库调度采用《深圳水库调度规程》：①洪水流量较小时，来多少泄多少，水位维持在防洪控制水位；②当洪水逐渐增大，水位上升，未达到水库设计洪水位29.416 m时，控制泄流量不超过270 m3/s；③当深圳水库水位超过29.416 m时，闸门全开敞泄，直至水位降至起调水位，并恢复最大控泄流量270 m3/s[23-24]。现状工况下，深圳水库不同起调水位计算过程见图5。

a)起调水位28.186 m

根据结果分析可得，当深圳水库遭遇50年一遇洪水，深圳水库起调水位28.186 m时，调洪演算最高水位为29.464 m，超过设计洪水位(P=1%)0.048 m；深圳水库起调水位27.786 m时，调洪演算最高水位为29.416 m，与设计洪水位一致；深圳水库起调水位27.186 m时，调洪演算最高水位为28.896 m，低于设计洪水位0.52 m。

4.2 规划工况

针对深圳水库集水流域遭遇100年一遇洪水，分别采用28.186、27.786、27.186 m为防洪控制水位，研究沙湾截排方案二对深圳水库的调洪影响，其不同起调水位下的调洪过程见图6，详细信息见表7。

a)起调水位28.186 m

表7 深圳水库不同起调水位条件下调洪信息

对比现状工况与规划工况调洪计算结果，可以看出，深圳水库集水流域遭遇100年一遇洪水时，由于规划工况下沙湾河进入深圳水库的洪水减少，3种起调水位下规划工况调洪演算最高水位普遍较现状偏低，深圳水库起调水位28.186 m时，规划工况调洪演算最高水位较现状工况降低0.23 m；深圳水库起调水位27.786 m时，规划工况调洪演算最高水位较现状工况降低0.11 m；深圳水库起调水位27.186 m时，规划工况调洪演算最高水位较现状工况降低0.33 m。总体上讲，沙湾截排工程实施后，由于沙湾河流域排入深圳水库洪量减少，深圳水库调洪演算的最高水位也普遍较现状偏低，深圳水库调洪压力得到一定程度缓解。

5 结论

基于沙湾河流域洪涝精细模型和深圳河流域河道水动力与水工程调度模型耦合，选取源头调蓄及复合型雨洪调蓄湖相结合的方案和流域内分洪及地下调蓄湖相结合的方案对比分析，定量评价了截排工程实施后对沙湾河流域洪涝排除效益。成果表明，在一定程度上，截排工程对于流域的防洪排涝是有正向有利作用，主要结论如下。

a)分析截排工程对沙湾河流域洪涝排除效益的影响可以看出：无论是基于最大积水深度，还是依据内涝点定义的统计结果，2种方案均呈现不同程度的地表内涝排除效益，源头调蓄和复合型雨洪调蓄湖相结合的方案地表内涝排除效益较优；无论是基于排水管网满管，还是检查井(或雨水口)溢流的统计结果，2种截排方案均呈现不同程度的管网排水效益，其中源头调蓄和复合型雨洪调蓄湖相结合的方案对现状管网排水压力减缓作用最大。

b)对比现状工况与规划工况下沙湾河水闸调洪计算结果表明：沙湾河遭遇100年一遇洪水时，沙湾水闸现状工况下泄流为100年一遇设计洪水过程，源头调蓄和复合型雨洪调蓄湖相结合的截排工程下泄洪洪水总量、洪峰流量随着深圳水库起调水位的降低呈现增加趋势，对流域防洪排涝作用较明显。

c)在源头调蓄和复合型雨洪调蓄湖相结合的沙湾截排工程方案中，100年一遇洪水情况下，由于沙湾河流域排入深圳水库洪量减少，深圳水库调洪演算的最高水位也普遍较现状偏低，深圳水库调洪压力得到一定程度缓解。