建城河流域分散式多点涝区防洪治涝体系分析

邓淯宸,黄兆玮,陈红梅

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

沿江滨湖等地区常常因其地势低洼，当围内遭遇大雨又受外江水位的顶托时极易因排水不畅发生内涝[1-2]，因此要提高围内的防洪排涝能力。在建设水闸抵御外江洪水的基础上，配套建设适宜规模的排涝泵站是十分必要的。但要解决围内多个受灾区的内涝问题，如何合理布局泵站位置和规模则需要进行多方案论证分析[3-4]。

建城河流域属山区河流，靠近外江侧地势较为低平，而远离外江侧多为丘陵、山区。受其地形阻隔，建城河流域内河受灾区主要体现为涝区空间位置分散、数量多且靠近下游的特点。本文将以建城河流域为例，围绕建城河流域分散式多点涝区的特点，从整体排涝效果出发，将排涝泵站纳入整体防洪排涝系统中进行系统分析，通过计算不同排涝方案围内最高水位，选择符合本地实际情况且经济最优的防洪排涝建设方案。

1 涝区治理现状及存在的问题

建城河地处郁南县西北部，为西江一级支流，位于西江中游右岸，流经郁南县通门、建城、罗旁三镇，从罗旁水闸注入西江。建城河流域集雨面积为606 km2，地势南高北低，在北部与西江交汇。主要河流有建城河、桂河和宝珠河。建城河流域上游山高林密，河床比降大；中游河道弯曲、浅窄；下游沿岸为冲积地带多属砂泥，田面较宽阔，地势低洼。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]，西江洪水顶托时导致各镇涝灾频繁，对当地人民正常生活生产造成巨大影响。

目前，建城河上游建成的向阳水库在流域中发挥调洪、滞洪作用，可一定程度减轻下游防洪负担，但中游部分堤防设计标准较低，局部河道过洪能力不足，现状支流桂河和宝珠河防洪能力不足5年一遇，沿岸的村庄和农田常遭受洪涝灾害。汇河口建有罗旁水闸，其主要任务是西江洪水期关闸隔断外江洪水倒灌。根据现场调查，近几年流域内受灾较严重的地点为建城河右岸的梅花营村以及桂河右岸的罗子村(流域水系及受涝点位置见图1)。

图1 建城河流域主要防洪排涝工程示意

梅花营村前也即建城河右岸,现状没有建设堤防，地面高程约为15～16 m，罗子村现状堤防堤顶高程为17 m，建城河河口未设排涝设施，罗旁内堤顶高程为19 m。罗旁闸前、梅花营村、罗子村3个易涝点地理位置较为分散，本次研究方案将着重关注此3处的控制水位。

2 治理策略与防洪排涝方案

基于流域自然地理条件和已建成的水利工程，建城河流域规划形成“蓄、泄兼顾”、“堤库结合”的防洪工程布局，即上游水库蓄洪，中游建城河内堤防洪，外围由建城镇西江大堤联合罗旁水闸抵御西江洪水。本次研究排涝体系则分别考虑“下排”和“分排”计算方案，根据流域实际情况均按20年一遇防洪标准、10年一遇24 h暴雨1 d排干的排涝标准设计进行考虑[6]。

上蓄：上游蓄水工程主要指向阳水库。当水库水位达到正常蓄水位小于防洪高水位时，打开溢洪道闸门泄洪，最大下泄流量不超过120 m3/s，当水库水位超过防洪高水位时，即水库上游来水超过20年一遇标准时，为确保大坝安全，闸门全开，不控泄。

中防：鉴于罗旁、建城等镇农田地区低洼，已有罗旁建城内堤防洪标准偏低，堤身单薄，按20年一遇洪水水位加安全超高1.2 m设防。

外挡：建城镇西江大堤联合罗旁水闸共同构成抵御西江洪水侵袭的外挡防线。目前建城镇西江大堤经过达标加固，已达到20年一遇防洪能力，罗旁水闸初步设计报告已通过主管部门审查，防洪标准为外江50年一遇、内洪20年一遇。

汇排方案：建城河下游仅有罗旁水闸无电排站，外江水顶托时极易发生内涝成灾，为此拟在罗旁水闸处建设一电排站，与罗旁水闸联排，通过控制常年受灾黑点区域水位，计算满足排涝要求的泵站规模，整个流域形成“上蓄、中防、下排、外挡”的防洪治涝体系。

分排方案：常年受灾的梅花营、罗子村两片涝区分别采取防护措施，自独立建设堤防、窦闸及泵站等防洪排涝设施，整个流域形成“上蓄、中防、分排、外挡”的防洪治涝体系。

3 方案计算

3.1 模型构建

本次研究采用MIKE 11水动力学模型[7-10]探讨分析建城河流域“下排”方案泵站建设规模,在分析现状基本情况、防洪排涝体系总体布局的基础上，根据建城河流域水系特征，将向阳水库、建城河、桂圩河、宝珠河、三基塘蓄滞区[11]、罗旁水闸外的西江及拟建泵站作为一个完整的系统，建立建城河流域一维水动力数学模型进行模拟计算(一维计算域见图2所示)。

图2 建城河流域一维计算域示意

模型的上游边界采用向阳水库调洪计算各频率的流量过程。建城河流域无水文站，设计洪水通过暴雨途径推求。本次暴雨参数是以建城河罗旁水闸以上、向阳水库以下流域为暴雨中心，依据《广东省暴雨参数等值线图》(2003年)选定暴雨参数。下游边界为对应西江各频率的水位过程，外江水位过程采用罗旁水闸历年实测水位数据，选择峰高量大、对工程防洪运行较为不利的大洪水作为典型洪水过程。下游罗旁水闸及泵站按出流内边界处理。桂河下游三基塘蓄滞区在模型中概化为调蓄水库处理。

3.2 率定验证

模型率定采用建城河防洪规划成果及调查当地的历史洪痕[12]，并暂不考虑三基塘以及建城河流域旁侧农田的蓄涝能力。建城河流域3条河流为天然河道，河道糙率参数依据河床组成及床面特性并参考《水力学计算手册》，查阅后糙率范围为0.03～0.035。

模型水面线率定采用建城河流域防洪规划20年一遇水面线成果，即建城河流域发生20年一遇洪水遭遇多年平均西江高水位，并暂不考虑三基塘以及建城河流域旁侧农田的蓄涝能力。本次模型率定后水面线与规划成果差异见图3，可以看出模型计算的水面线与报告成果整体契合较好，水位误差在±0.1 m之间，说明采用的糙率较为合理。

a 宝珠河

b 桂河

c 建城河图3 建城河流域一维计算域示意

模型验证依据郁南县历史山洪灾害调查记录，选取历史洪痕点记录相对较多的2008年6月发生的洪水做进一步验证。由于2008年建城河流域尚未完成罗旁水闸重建工程，因此，本次与洪痕点对比验证采用原罗旁水闸尺寸(闸宽为24 m)进行计算。根据罗旁闸前实测水位数据，2008年闸前水位最大值为20.05 m，接近20年一遇洪水标准时闸前最大值，因此,率定工况围内采用5%频率设计洪水计算(历史山洪灾害调查洪痕与计算水位对比见表1)。可见水位计算误差在0.21 m以内，与2008年洪水记录水位的误差最大为1%，误差较小。

表1 历史山洪灾害调查洪痕与计算水位对比 m

通过以上率定与验证充分表明：模拟水位与防洪规划报告水面线整体吻合较好，模型模拟整体结果可信，模型可应用于进一步分析研究建城河流域罗旁泵站建设方案。

3.3 计算方案

3.3.1干支流遭遇

建城河流域内洪与西江遭遇情况分析建城镇雨量站、德庆水位站1962—2018年共57 d最大1 d、最大3 d降雨量与德庆站西江洪水位作遭遇分析得到。根据实测资料分析，西江发生较大洪水时，流域内降雨较小；当流域内发生较大降雨时，西江水位较低；流域发生同频率雨洪遭遇概率较低。

根据《广东省防洪(潮)标准和治涝标准》，本次计算内外雨洪遭遇如下，泵站规模采用两种工况的大值综合确定：① 建城河流域发生超过2年一遇及以上洪水遭遇西江2年一遇洪水位；② 西江发生2年一遇及以上洪水遭遇建城河2年一遇洪水。

3.3.2运行调度

1) 罗旁水闸

一维模型中罗旁水闸是依据内外水位进行调度。当外江发生洪水，水位涨至19.0 m时，闸门关闭；当外江洪水位回至19.0 m以下且内河具备自排条件时，开闸排涝。

2) 拟建罗旁泵站

拟建罗旁泵站于郁南都城大堤下游罗旁水闸堤上，其排涝原则是：① 闸前水位低于起排水位或低于闸底高程时，罗旁水闸关闸挡水；② 罗旁闸前水位高于起排水位且具有自排条件时泵关，罗旁闸开闸自排；③ 罗旁闸前水位高于起排水位但无自排条件时，泵站开启抽排。

3) 起调水位

根据建城河河底高程、河涌安全和景观要求等因素综合考虑，确定建城河可承受的最低水位，即调蓄演算的起排水位为15.00 m。根据河涌两岸堤顶高程，确定建城河流域可承受的最高水位，即内河最高控制水位为21.00 m。

3.3.3计算方案

建城河流域防洪标准为20年一遇，排涝标准为10年一遇。根据“下排”防洪排涝体系布局，以罗旁闸前、梅花营、罗子村定为本次研究范围内的控制点，在确定的雨洪遭遇组合条件下，拟建泵站规模的计算方案具体计算方案见表2。设计防洪标准下现状和设计方案：① 设计防洪标准下的组合工况，比较分析有闸无泵和不同排涝方案情况下各控制点水位；② 内洪为主遭遇外江低水位方案：按照“内洪20%遭遇外江50%洪水”，以各控制点的水位与无泵情况下“内5%遭遇外江50%洪水”时水位为控制，通过试算，分析不同泵站规模对内洪大、外洪小时降低水位的作用；③ 内洪为主遭遇外江常遇频率洪水方案：围内发生20%遭遇外江50%常遇水位时，试算汇排方案所需要的泵站规模。

表2 罗旁泵站规模计算方案

4 结果分析

4.1 泵站作用

方案1为设计频率下无泵站的2种工况。内洪5%遭遇外江50%洪水，通过水闸自排罗旁闸前最高水位为17.5 m，梅花营村水位为17.8 m，罗子村水位为17.6 m；内洪50%遭遇外江5%时，由于外江水位高，水闸仅外江水位上涨前期能自排，下游水位顶托导致内洪蓄积在围内，罗旁闸前、梅花营村、罗子村最高水位均为19.6 m。围内防洪设计水位采用两种工况的大值，即各控制点的水位为19.6 m。

方案2为设计频率下泵站的拟设75 m3/s的罗旁泵站两种工况。内洪5%遭遇外江50%洪水时各控制点水位与方案1无泵时工况1基本保持一致，泵站作用甚微；内洪50%遭遇外江5%时，可将方案1无泵时各控制点19.6 m的水位降为17.6 m。

方案3则将泵站规模进一步加大至155 m3/s。内洪5%遭遇外江50%洪水时各控制点水位基本无变化，泵站增大1倍围内水位不变，增大罗旁泵站的规模收效甚微。当遭遇内洪50%对外江5%时，主要为泵站发挥排涝作用，可将各控制点的水位降低到控制水位以下。

方案1～3计算各涝区的水位成果可以充分表明，在围内发生常遇频率洪水遭遇外江高水位情况时，泵站在整个体系中起主导作用，河口排涝泵站规模从0增加到155 m3/s可有效降低涝区各控制点水位。但决定排涝效果的则是围内发生设计频率洪水遭遇外江常遇水位工况，此时水闸有条件排洪并且在整个过程中占主要排洪任务。与水闸排水能力相比，泵站排水能力有限，增大泵站规模对于地理位置较为分散的涝区不能发挥有效的排涝效果。

为了进一步分析雨洪遭遇对泵站规模的影响，方案4～6计算以内洪为主遭遇外江常遇水位工况。“内洪20%遭遇外江50%洪水时”，当泵的规模增加到200 m3/s，各控制点水位与无泵可自排时基本保持一致，泵的规模增加到480 m3/s接近5年一遇洪峰流量时，才能将各控制点水位降低到16.3 m。但无限加大泵站规模阻碍了水闸的自排，无端增加工程建设规模和运行成本，大流量泵站规模方案显然不可取(见表3)。

表3 各方案控制点计算水位成果

4.2 方案分析

在河口建设汇排泵站的方案下，需要解决建城河防洪排涝问题首先要分析围内发生设计洪水遭遇外江常水位工况。相比围内遭遇的洪水，河口泵站的规模对整个流域的削峰排水作用非常小，增大泵站规模不仅增大工程投资和运行费用，还浪费了水闸自排的有利条件。要根本上解决分散式多点涝区的排涝问题，即使是汇排方案也需要提高各涝区的控制水位，罗子村和梅花营村也需按照17.6 m的设计水位配套建设堤防、窦闸和内围泵站控制，河口再配套建设 75 m3/s 规模的罗旁水闸抽排。当围内发生暴雨各涝区水位上涨时借助各片区泵站将涝水排至建城河，再由河口罗旁水闸排出外江，形成“上蓄、中防、汇排、外挡”的防洪治涝体系。

而分排方案下无需在河口建设泵站，当5%的内洪遭遇外江50%的洪水时，由水闸自排，各控制点的水位分别为：罗旁闸前最高水位为17.48 m，梅花营村水位为17.8 m，罗子村水位为17.6 m。当50%的内洪遭遇外江5%的洪水时，水闸不能自排，各控制点的水位均为19.62 m。分排方案在不建设罗旁泵站的情况下，各涝区需按照设计水位19.62 m进行防洪排涝设施建设，各自独立防护，整个流域形成“上蓄、中防、分排、外挡”的防洪治涝体系。

参考相似工程的投资单价，计算分排与汇排方案的投资估算[11-14](见表4)，分排方案防洪排涝设施总费用匡算为1 991万元，而建设罗旁泵站汇排方案投资约1.87亿元，大于分排方案投资。

表4 各泵站规模控制点计算水位成果

5 结语

1) 分片式分排与集中式汇排方案都可以解决山区地区分散式涝区的防洪排涝问题。基于建城河流域的雨洪遭遇特点，如若需要在河口建设汇排泵站，内洪大外洪小为控制泵站规模及除涝效果的的限制工况。此时除涝应考虑以水闸自排为主导，增大泵站规模无益于除涝还浪费了水闸自排的有利条件，增大工程投资和运行费用。在此基础上，再考虑内洪小外洪顶托工况下配合建设排涝规模与排涝效果相匹配的泵站方能除灾。

2) 建成河流域现状为典型山丘地区分散的涝区分布，从设置不同泵站规模的治涝效果及工程投资的角度分析，各涝区建设堤防、窦闸和内围泵站取代河口建设大型汇排泵站，分布式针对性提高区域防洪排涝能力，才更有益于精准解决流域内各涝区的防洪排涝问题。