深圳河流域防洪调度预演研究

冷玉波，刘训平，刘 川

(1.深圳市深圳河湾流域管理中心，广东 深圳 518040；2.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518011)

深圳市地处广东南部低纬度滨海台风频繁影响地区，属海岸山脉地貌带，每年汛期受锋面雨、台风雨影响，洪、涝、潮灾害频发[1]。深圳河流经深圳市罗湖区、福田区等城市中心区，区域内人口密集、经济产值高，保障深圳水库和深圳河的防汛安全至关重要。鉴于近期开展流域大型防洪工程建设的难度较大，周期较长，深圳水库作为深圳河流域内最大的防洪供水水库，水库总库容达到4 496万m3，充分挖掘深圳水库应对大暴雨时的削峰错潮潜力，实施深圳水库与深圳河联合调度成为近期保障深圳河流域防洪安全的有效手段。

预演作为“四预”的关键部分，基于预演目标等约束条件，通过数字化场景、模拟仿真，演练控制断面洪水过程、水库水位过程等，为调度方案优选，制定预案提供了科学依据。珠江水利委员会[2]探索构建了数字孪生珠江全要素多尺度的洪水预演数字化场景，提高了流域防洪管理和工程调度水平。淮河水利委员会[3]通过流域水旱灾害防御“四预”演练，为提升流域防洪智慧化水平做出了探索。而水库防洪调度是一个多阶段的复杂决策过程，常规防洪调度一般利用半经验半理论方法，所指导的防洪调度并非最优解[4]。为进一步提高水库的防洪效益，保证水库和下游防洪安全，结合水库防洪调度目标和约束情况，基于数值模拟法进行水库防洪优化调度研究是必要的[5]。吴海燕等[6]通过建立水库防洪优化调度模型，并利用非均匀离散动态规划算法求解，充分发挥了有限防洪库容的调节作用。郭爱军等[7]采用K-means聚类法对洪水过程进行分类，并应用蒙特卡洛法对不同类型洪水过程进行随机模拟，获取了考虑不确定性的大量水库设计洪水过程，推求了安康水库不同风险系数下水库防洪调度规则。

本文基于深圳市已建深圳河湾洪涝模型，针对深圳水库和深圳河进行联合调度演练，模拟分析不同雨潮遭遇工况下，水库泄洪对河道水位的影响，充分发挥防洪减灾工程的能力，提升区域洪水抵御能力和风险管理决策水平，减轻洪灾损失。

1 区域概况

深圳河和深圳湾流域简称深圳河湾流域，流域总面积596 km2，香港侧256 km2，深圳侧340 km2。其中深圳河流域面积297 km2，深圳侧172 km2，香港侧125 km2。深圳河流域内共有河道35条，河道水闸7座，中型水库1座、小型水库11座，蓄滞洪区3处。

近年来，随着深圳河干流一至四期综合整治工作完工，河道防洪能力较治理前的2至20年一遇有所提升。但因河道淤积、糙率增加、海平面上升等因素[8]影响导致中上游仍存在瓶颈段，其现状防洪能力仍不足50年一遇，还远达不到200年一遇的规划防洪标准。

深圳水库控制集雨面积为60.5 km2，占深圳河流域深圳侧集雨面积的35%，设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准2 000年一遇，水库最大泄洪流量为661 m3/s，调蓄总库容为4 496.56万m3，为滞洪调蓄和错潮调度提供了可行性。深圳河流域范围见图1。

图1 深圳河流域示意

2 研究方法

2.1 模型构建

以深圳河湾流域为建模对象，模型所需的基础地理数据格式及精度见表1。河湾流域深圳侧构建“水文-河道-地表-管网”耦合模型，香港侧则为“水文-河道”耦合模型[9]。共计考虑流域内25条河道、18座水库、24个闸门、2个滞洪区、14个泵站、2 179.4 km管网等相关水务设施。模型示意见图2。

表1 基础地理数据概况

a)水文+河道模型

b)管网模型

c)地表土地利用

d)局部地表模型

河湾洪涝模型中，一维河道模拟及二维地表模采用国家防汛抗旱总指挥部办公室发布的《重点地区洪水风险图编制项目软件名录》中推荐的“洪水分析系列软件”；非建成区的产汇流计算采用“三水源新安江模型”；地下管网水动力计算则采用“SWMM模型”。各类模型的基本原理参见相关文献[10-12]。模型耦合方式概述如下。

a)河道模型与地表模型耦合。河道断面水位超过堤顶高程或溃口底高程，则由堤顶或溃口处向地表漫溢；而地表水位超过堤顶高程时，也会流入河道。河道与地表之间的水量交换，与两者的水位密切相关。河道一维模型中，河道被抽象为断面点。地表二维模型中，河道堤防被概化成堤防型单元边。因此，一维模型断面点与地表二维模型的单元边的连接关系，是一、二维模型耦合连接的基础。一、二维模型耦合计算时，河道一维模型和地表二维模型，统一由耦合调度模型控制推进，并根据河道和地表的实时水位计算河道与地表之间的水量交换。

b)河道模型与管网模型耦合。管网模型与河道模型在排水口处发生水量交换，如果河道水位低于出水口则管网正常向河内排泄雨水，而当河道水位高于管道内压力水头时则河水向管网内倒灌。因此，针对每个排水口，均须建立排水口与河道断面之间的耦合关系。模型实时计算时，将河道一维模型计算的断面水位实时传递给管网模型，管网模型根据管道内水头与断面水位，计算排水口的流量，并传递给河道一维模型。

c)地表模型与管网模型耦合。在管网建成区，根据每个检查井划分的区域，在规划排水能力以内的降雨产流直接进入对应的检查井，超出部份在地面参与二维演进计算。当管道已经充满处于有压状态且水压力高于地面水头时，在检查井处出现管道雨水的反灌。在没有管网的非建成区或者无管网资料的地区，其雨水产流在规划排水能力以内的部份按照小流域的汇流关系进入对应的河道断面，超出部份参与地表演进。

2.2 模型校正与验证

洪涝模型的关键参数有糙率、下渗参数等。下渗参数及地表糙率根据地块类型选取，河道糙率则依据深圳河相关设计报告选择，具体见表2。

表2 模型关键参数取值

以2020年6月7—8日的降雨条件、潮位过程作为模型计算边界，水务设施则根据调度预案或实际情况进行调控。采用当日深圳河实测水位、片区内实际积水情况对耦合模型进行合理性分析。

河道模拟水位与实际情况对比见图3，统计情况见表3。深圳河各典型断面峰现时间误差在30 min以内，其中深圳河口误差在5 min以内，罗湖、鹿丹村提前15 min，三岔河口、平原河口提前25 min。洪峰水位模拟较好，各断面水位绝对误差在-0.13～0.15 m，相对误差在-5.5%～6.2%。

a)平原河口断面

此次降雨共产生2处积水点，模拟积水数据与实际对比见表3，模拟结果基本与实际情况吻合。综上，所构建模型总体较为合理，模拟结果较为可靠，可用于后续研究分析。

表3 河道水位计算成果统计

表4 积水情况模拟与实际对比

2.3 边界条件及工况设置

作为模型重要的输入条件，边界条件的全面性、合理性直接关系到整个预演结果的可靠性[13]。因此在演练前，应综合考虑影响模拟结果的各种因素设置演练条件。本文结合演练应急响应等级、历史观测数据、相关成果报告等，考虑最不利工况，选择深圳水库泄洪、流域洪水、天文大潮在深圳河鹿丹村瓶颈断面遭遇，对各相关要素进行综合分析如下。

a)设计潮位。深圳河口附近的潮位站有烂角咀站和赤湾站，可以提供未来潮汐预报过程。通过对比分析无台风暴雨时烂角咀站、赤湾站实测与预报潮位过程与深圳河口实测水位过程，可知赤湾站的潮位过程与深圳河口的水位过程较为一致，见图4。结合海洋局赤湾站预报潮位过程，根据最不利原则，选定2022年6月16日年度天文大潮作为本次演练的设计潮位边界。

图4 潮位过程与深圳河口水位过程比较

b)设计降雨。降雨是城市洪涝问题的关键，且高度建成区局部小气候更易促发强降水事件，使城市防洪排涝压力增大[14]。降雨量资料的可靠性、一致性以及代表性审查是推求设计暴雨的基础，决定了设计暴雨计算的代表性和可靠性[15]。雨型作为描述暴雨过程的概念，表现了暴雨强度在时间尺度上的分配过程，其对于城市防洪排涝的影响不可忽视[16]。根据现有成果及相关分析计算理论，本研究选取深圳水库设计暴雨成果[17]与珠江三角洲24 h雨型[18]。10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇24 h降雨量分别为289、344、418、472 mm，设计降雨过程见图5。

图5 设计降雨过程

c)雨潮遭遇。深圳河为感潮河段，无雨时水位受外海潮位影响，降雨时受河段洪水与潮位共同影响[19]。根据深圳河历年水文观测数据，2018年8月29日20:00至20:30，三岔河口、罗湖桥、梧桐河、鹿丹村4个典型站点水位值超过历史最高水位。鹿丹村站最高水位达到3.94 m，超过抢险水位3.9 m，最高水位距堤顶仅0.7 m，是上述特征断面中风险最大位置。因此，选定鹿丹村断面为本次演练中最不利雨潮遭遇断面。此外，本文依据试算结果设置演练场景的降雨起始时间，使雨峰与最高潮位保持一定时差，以确保洪峰与最高潮位在鹿丹村瓶颈断面遭遇，结果见图6。

图6 鹿丹村断面雨潮遭遇示意

d)水库水位及控泄流量。根据深圳水库防洪调度预案[20]，流域内无降雨时，控制水库水位在防洪控制水位27.79 m以下；预报小雨—大暴雨(预报降雨量小于250 mm/d)时，控制水库水位在防洪控制水位27.79 m以下，如需泄洪，泄流量不超过入库流量，尽量维持水位稳定；预报特大暴雨(预报降雨量达250 mm/24h及以上)时，提前通过供水调度或泄洪的方式，将水库水位降至特大暴雨洪水调度水位27.19 m以下，若需泄洪，考虑下游河道排洪能力，最大控泄流量为270 m3/s，当水库水位持续上涨超过设计洪水位时，完全开启泄水建筑物进行敞泄，直至水位降至特大暴雨洪水调度水位27.19 m，并恢复最大控泄流量270 m3/s。本次演练设定深圳水库遭遇重现期20年一遇及以上的降雨，同时水库水位不超设计洪水位29.42 m。深圳水库遭遇20年一遇时的降雨量满足水库特大暴雨情境下的调度原则，故以深圳水库特大暴雨洪水调度水位27.19 m作为演练的起调水位，设计洪水位29.42 m作为上限水位。

e)工况设置。依照演练要求，以深圳河不漫堤，同时深圳水库不超设计水位作为水库调度及工况设置的前提条件。根据试算结果，深圳河流域发生20年一遇降雨时，无论深圳水库控泄与否，深圳河部分河段水位均超过堤顶；深圳河流域发生10年一遇降雨时，深圳河不漫堤。因此选定10年一遇降雨作为除深圳水库之外的深圳河流域的降雨条件。此外，因深圳水库设计洪水标准为100年一遇，故设定深圳水库分别遭遇20年一遇降雨、50年一遇降雨、100年一遇降雨等。

综上，演练工况即为：①深圳水库之外的深圳河流域发生10年一遇降雨叠加深圳水库20年一遇降雨；②深圳水库之外的深圳河流域发生10年一遇降雨叠加深圳水库50年一遇降雨；③深圳水库之外的深圳河流域发生10年一遇降雨叠加深圳水库100年一遇降雨。

3 结果与分析

考虑不同工况下深圳水库水位及深圳河水位的变化情况，基于洪涝模型提出对应情景下深圳水库调度方案，以及对照调度方案。深圳水库泄洪过程见图7，深圳河水面线模拟结果见图8，不同调度方案下河道关键断面水位对比见表5。

a)水库最高水位29.253 m

图8 不同工况下深圳河沿程最高水面线模拟结果

表5 不同调度方案下河道关键断面水位对比 单位：m

1)方案a。11—19时为落潮期，趁落潮期进行水库泄洪。11—13时控泄流量为150 m3/s，13—19时控泄200 m3/s。19—24时潮位逐渐增加，水库下泄流量适度降低，维持150 m3/s。模拟结果表明，深圳水库最高水位未超设计水位，于24时深圳水库水位降至汛限水位以下，深圳河沿线不漫堤。

2) 方案b。5—11时为涨潮期，其中5—6时尚处低潮位，降雨量较少，水库下泄流量适度加大，维持100 m3/s；6—7时，潮位、降雨量增加，水库泄量降至50 m3/s；7—11时，雨峰与最高潮位相继到达，风险较大，水库不泄洪。11—19时潮位逐渐降低，水库大流量泄洪，11—15时控泄270 m3/s，15—19时控泄200 m3/s。19—24时为涨潮期，其中19—22时降雨量较小，潮位较低，水库继续大流量泄洪，控泄200 m3/s；此后潮位逐渐增加，水库泄量降低，22—23时控泄150 m3/s，23—24时控泄100 m3/s。模拟结果表明，深圳水库最高水位未超设计水位，于24时水库水位降至汛限水位以下，深圳河沿线不漫堤。

3) 方案c。5—11时为涨潮期，水库维持小流量泄洪，控泄70 m3/s。11—19时潮位为落潮期，水库大流量泄洪，11—17时控泄270 m3/s，17—19时控泄200 m3/s。19—24时为涨潮期，其中19—22时降雨量较小，潮位较低，水库继续大流量泄洪，19—22时控泄200 m3/s；此后潮位逐渐增加，水库泄量降低，22—24控泄150 m3/s。模拟结果表明，深圳水库最高水位未超设计水位，于24时深圳水库水位降至汛限水位以下，深圳河沿线不漫堤。

4) 对照方案。根据深圳水库防洪调度预案[20]，遭遇特大暴雨时，应考虑下游河道排洪能力，水库最大控泄流量不超270 m3/s。但在实际执行过程中，常以经验判断为主，未充分考虑下游河道行洪能力，致使下游河道漫溢风险增加。本文以对照调度方案控泄200 m3/s，代表以经验判断制定的水库泄洪方案。模拟结果结果表明，此时深圳河约有5.5 km河段的水位高于堤顶；若不泄洪或泄洪较小，水库水位超过设计洪水位的风险较大。

由图8、表5可知，水库泄洪时河道水位相比水库未泄洪时略有增加，但未高于堤顶。a、b、c三种调度方案下，通过错峰错潮调控手段，使不同情景下水库下泄不增加深圳河洪峰流量，深圳河最高水位一致且不漫堤。对照调度方案下，河道水位抬升明显，部分河段发生漫堤。综上，本文基于洪涝模型提出的3种水库调度方案，充分考虑下游河道的行洪能力，通过定量分析，可在一定程度上消除主观性、经验性判断导致的不确定性，在保证深圳水库水位不超设计水位的同时，降低下游河水出槽风险。

虽然在实际工作中受雨量、潮位、深圳水库水位及泄量多因素的影响，实际情况与本次演练采用的工况会有差异，但运用数字化、智慧化手段，强化水工程预报信息与调度运行信息的集成耦合，根据雨水情预报情况，对水库、河道、蓄滞洪区蓄泄情况进行模拟预演，为工程调度提供科学决策支持的方法仍科学可行[3]，且本文提出的优化调度方案也具备一定参考意义。

4 结论与展望

基于深圳河湾洪涝模型，通过深圳水库泄洪演练，得出主要结论如下：①在近期难以兴建大型工程的背景下，当深圳河流域普降10年一遇降雨，深圳水库局部降雨不超100年，同时遭遇天文大潮的不利情形时，通过水库调蓄滞洪、错潮控泄等调度手段，可保障深圳水库及深圳河的防洪安全；②结合水工程调度规则，通过深圳河湾洪涝模型在预演中的应用，可以科学合理地实现深圳河和深圳水库的联合调度，充分发挥防洪减灾工程体系的作用，提升区域灾害风险管理和决策水平，减轻洪水灾害给城市造成的损失。

水利工程防洪调度是水旱灾害防御工作的重要途径，而模型已成为新体制新形势下，推进“四预”工作的关键手段[21]。本研究模拟演练了深圳水库泄洪调度的不同情景，建立了深圳河干流与深圳水库泄洪联合调度会商研判决策机制及流程。基于现有深圳河湾洪涝模型和预警调度系统可在后续工作中强化“四预”措施，实现流域联合调度以及城市洪涝风险分析，提高抵御洪涝灾害风险的能力以及防汛处置工作的前瞻性和准确性。