流域水系的防洪排涝智慧管控规划体系建设研究——以茅洲河为例

李维燕

(深圳市水务局审计处，广东 深圳 518000)

1 工程概况

茅洲河流域面积266.83 km2，河流总长195.16 km，干流1条，一级支流23条，二、三级支流25条。现有排涝泵站83座，总装机40 227 kW，设计抽排流量615 m3/s。

茅洲河流域列入规划范围内的河流共18条，河道总长为126.61 km，规划治理河道长度65.11 km。茅洲河干流从石岩河水库以下至坊下涌防洪标准已满足100 a一遇：塘下涌至河口(界河段)防洪(潮)标准已满足200 a一遇。排涝河等7条河道已达到50 a一遇防洪标准。上寮河等12条河道整治基本完成。流域内规划治涝工程涉及沙浦北片区、塘下涌片区、新桥片区、李松萌片区、下村片区5个区域。规划外在宝安区山门社区第三工业区、燕罗片区、公明办事处松白工业园等区域新建、改建、扩建一批泵站[1]。

2 流域现状分析

2.1 外部因素

(1)极端气候，海平面上升等环境变化。广东省各潮位站的最高洪(湖)水位有逐年升高的趋势，平均每年抬高约7.5 mm。

(2)城市高速发展使防洪潮面临更大压力。未来高密度城市开发建设将使不透水面积扩大，导致径流量、汇流时间缩短、洪峰流量加大，一定程度上将加剧暴雨洪水对城市的影响。

(3)用地空间紧张加大制约防洪潮排涝设施落地。至2030年，深圳的建成区面积将达到可建设面积的95%，剩余的用地空间较少。大型的雨水管渠和深层利用系统难以找到布设的空间。

2.2 内部因素

(1)防洪潮排涝工程体系已基本形成，但应对极端天气仍存在短板。经过多年的防潮排涝体系建设，五大流域四大水系基本建成具有防御一定洪涝水能力的防洪减灾体系，但深圳作为超大城市，其内涝防治标准规划为100 a一遇，内涝防治水平仍需进一步提高。同时局部河道还存在瓶颈，部分支流河道防洪标准仅20～50 a一遇[2]。

(2)城市空间规划与防洪潮排涝规划衔接不足，城市空间布局规划未能充分考虑水的重要性，重地上、轻地下，与水务规划衔接不足。

(3)现有的规划边界条件发生改变。城市版图逐步扩大，已经建设区域的防洪、排涝工程体系的边界条件发生改变，城区集水面积增加，致使排水管渠延长、坡度放缓，受潮位顶托，造成原陆域片区排水能力急剧下降，形成易涝区，对现状防洪、排涝工程体系造成一定的影响[2]。

茅洲河干流已按100 a一遇进行达标建设，200 a一遇洪水条件下，中游白沙坑水至107国道5.2 km河段堤防欠高，欠高堤段总长9.6 km，最大欠高0.8 m。其堤顶和200 a一遇洪水面对比如图1所示。

3 主要规划布局

区域内主要分布有光明新城城市副中心，松岗、沙井组团中心，重点区域有光明科学城、光明凤凰城，以及规划大空港新城区，预计到2035年，当量经济规模(万人)超过300。该分区主要是防御茅洲河流域茅洲河干流洪水及珠江口海湖二项洪灾因子，目前，茅洲河干流已修建堤防，但茅洲河中游存在局部卡口，是本防洪分区洪灾发生的高风险区。因此，根据区域内的人口及城市发展定位，确定该防洪分区2035年的城市防洪(潮)标准为200 a一遇，茅洲河干流防洪(潮)标准为200 a一遇[3]。实现水量可削峰、内涝积水诊断、生态补水等多种综合效益。强化洪涝调度等非工程措施，多部门共同协作的“洪涝安全、联防联控提高监测预警预报，建立仿真调度模型，实现洪涝精细化管理，增强风险防控能力。

3.1 流域防洪体系布局

茅洲河流域受山地丘陵地貌及海洋气流的影响，汛期易发生暴雨或特大暴雨，洪涝灾害频繁，通过多年的防洪工程建设，流域内已基本形成了由水库、堤防组成的“上、下排”防洪体系[3]。

(1)流域调蓄水库布局。流城内共有水库19座，总集雨面积67.64 km2，总库容2.09亿m3，其中，大型水库1座即公明水库，鹅颈、罗田等中型水库2座，石狗公、老虎坑等小(1)型水库9座，后底坑、横坑、红均等小(2)型水库7宗。

(2)河道防洪挡潮堤防布局。通过堤防、防洪(挡湖)闸的建设，共同发挥防潮作用。茅洲河干流已建堤防21.51 km，从石岩河水库以下至塘下涌(深圳境内河段)，综合治理工程正在实施，2015年主体工程基本完成，设计洪水标准为100 a一遇。塘下涌至河口(界段)综合治理工程已进入实施阶段，设计洪(潮)水标准为200 a一遇。茅洲河流域规模以上防洪、挡潮闸共23座，主要分布于中下游区域。

(3)河道智慧生态碧道建设布局。工程措施：茅洲河干流碧道建设。茅洲河碧道总体定位为“湾区东岸绿脉，深圳西部门户”，打造“一河引领，六段生辉”碧道蓝图。其中，茅洲河干流宝安段(白沙坑水-塘下涌)6.1 km作为省级试点，以生态休闲、创新服务、滨水居住为主要功能，打造山水交汇的生态人文科技小镇。茅洲河干流光明段(楼村水-白沙坑水)6.8 km，通过优化滨水生态以提升宜居性，打造产业高端化的健康活力走廊和服务升级的生态活力城区。顺畅的行洪通道是碧道建设的基础，是碧道建设的安全保障。规划结合碧道工程建设，对中游白沙坑水至G107间5.2 km不达标河段(两岸欠高堤段总长9.6 km)进行达标加固[4]。 非工程措施：建立智慧化茅洲河流域。依托茅洲河流域管理中心筹备组，以“数字化、智能化和智慧化”三步走方式，深化物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术在茅洲河流域的应用，实现水务基础信息的全收集、全共享，水务数据的全覆盖、全连接，开展流域的智慧化模型调度研究，建立数字化流域的数据中心和智慧指挥平台，打造智能高效、开放共享的茅洲河智慧流域[4]。

3.2 流域排涝体系布局

茅洲河流域排涝分区布局。(1)主要为茅洲河干流的一级支流：鹅颈水区域、玉田河区域、东坑水区域、木墩河区域、楼村水区域、新陂头河区域、上下村区域、西田水区域、白沙坑区域、罗田水区域、龟岭东区域、老虎坑区域、塘下涌区域、公明排洪渠区域、沙浦区域、沙井河区域、排涝河区域共，17个区域。(2)茅洲河二级支流：石岩河区域、松岗河区域、新陂头北区域、新桥河区域、上素河区域5个区域。茅洲河流域排涝河区域：规划整治潭头河、新陂头水北支2条河流，总长度1.61 km。

茅洲河流域规划改建泵站5座，新建泵站1座，总流量193.03 m3/s。沙井河区域沙井泵站扩建泵站机组升级改造，增加抽排流量11.05 m3/s。马田排洪渠区域扩建河口马田泵站，增加排涝流量12.38 m3/s。白沙坑区域在白沙坑水河口新建排涝泵站1座，设计排涝流量53.00 m3/s。龟岭东区域下游段扩建燕山泵站，增加排涝流量5.90 m3/s。

茅洲河流域排涝河区域新建深层隧洞工程，长度7.2 km，直径8.5 m，出口泵站规模205 m3/s，排涝河可满足100 a一遇超高大于0.5 m的要求，潭头河、新桥河、上泰河、万丰河等支流全线均可满足100 a一遇不漫溢的要求。

茅洲河流域片区排水布局。规划布局26处调蓄设施，总调蓄容积565.02万m3，新建雨水泵站20座，总设计流量为589.1 m3/s，新建雨水行泄通道总长度为23.17 km，总设计流量为632.77 m3/s。

3.3 流域排涝工程规划

3.3.1 流域防洪总体策略

结合茅洲河流域区位特点及干流防洪存在的问题，提出两项待选策略：

(1)从直接解决中游段堤防欠高角度，考虑结合碧道建设，对中游段两岸堤防加高。

(2)从降低茅洲河干流中游水位角度，考虑对右岸支流上游马鞍山山脉进行高水截排，包括白沙坑水、罗田水、龟岭东水、老虎坑水和塘下涌。通过截洪渠、排洪隧洞等工程措施，将山地坡水排至下游[5]。

3.3.2 流域整治规划措施

流域整治规划措施主要涉及高水截排和河道整治两方面。

高水截排旨在结合现状地貌和城市总体规划，在规划建成区边界以外，自白沙坑水上游流域边界线开始，沿坡脚50 m等高线，新建截洪沟6.2 km，宽5～25 m，深1～3 m。在6.2 km截洪沟基础上，继续沿北侧山体建设截洪沟2.1 km，宽25～30 m，深3 m，往西接入塘下涌。该方案除罗田、老虎坑两座水库下泄洪水外，区间截洪部分集雨面积4.82 km，200 a一遇条件下共截排流量192 m3/s，将该段洪峰流量削减至100 a一遇以下。

河道整治旨在将塘下涌全线进行扩宽，上游3+000～3+998段扩宽15 m，中下游0+000～3+000段扩宽28 m。拓宽后，截排洪水经塘下涌排入茅洲河下游。但因塘下涌河口及下游洪峰仍维持200 a一遇不变，故对上游段还存在顶托，其中，左岸仍有0.90 km堤防欠高，最大欠高0.09 m：右岸仍有3.40 km堤防欠高，最大欠高0.50 m，故需结合碧道建设加高两岸堤防4.30 km。

3.3.3 工程治涝策略

排涝河区域的排涝工程体系中，中上游主要问题是排涝河本身过流能力不足，特别是岗头调蓄池下游共和大道以上1.5 km河段，宽度较其下游河段小约20 m，直接影响上游潭头河、新桥河、上寮河等区域的排涝，下游主要问题是沿岸高程低于排涝河水位导致沿岸各片区排水不畅，此外，排涝河下游两岸地势低洼，现状设计水面线已高过两岸部分地面，局部片区的雨水难以自排进入排涝河。此外，支流同时存在局部调蓄能力、过流能力不足等薄弱环节，潭头河由于承泄原潭头渠、五指把水库部分涝水导致排涝压力增大，万丰河低水区、上素河下游段由于暗涵过流不足导致中上游水位偏高[6]。

由于排涝河区域地势较平，城市化程度较高，下游沿岸的源头调蓄措施对排涝河作用有限，上游及支流沿岸可供洪水调蓄空间较少，上索河下游出口暗涵段上方为城市主干道(宝安大道)，暗涵揭盖对城市交通影响过大[6]。此外，由于水系结构不同，河道沿岸情况不一致，排涝河、沙井河原规划标准不一致，由潭头水闸隔开，分高低水排向茅洲河，本规划将两个流域内涝防治标准均提高到100 a一遇，因此，解决排涝河及上游区域洪涝问题，整个立体防洪排涝体系以降低承泄区水位为导向，上层主要采用水库挖潜模块措施削减下泄洪峰，中、低层则通过优选下游河道整治、水系连通、新辟深层排水通道等策略予以解决[7]。

4 智慧调度系统

4.1 智慧调度系统总体架构

依托茅洲河流域管理中心，开展茅洲河流域的智慧化模型调度研究，构建“一张网、一张图、一平台”的综合管理系统，一平台为流域指挥调度平台，一张图是综合GIS、倾斜摄影、三维建模、数据挖掘等技术，对河道进行可视化，一张网是通过通信网和互联网的融合，建立起覆盖茅洲河流域的有线、无线网络相结合的一张网，同时，利用视频、水位、PLC等各类传感器实时获得茅洲河流域工控信息，实现“一网全感知，一图知全局、一云助决策”的建设目标。融合峰雨量、河道水位、积水点情况、泵站运行情况，接入实时水情，构建水情监测与分析模型和泵站群联合调度模型，科学的调度泵站和闸门，为防汛调度提供支撑，将茅洲河打造成深圳市“智慧河道”、“智慧城市水务行业”示范、智能高效、开放共享的智慧流域[8]。

4.2 调度方案结果模拟

根据系统实际运行中可能面临的各类应急情况，选取3种应急调度场景进行系统模拟测试，场景一：下游污水厂部分停水检修。场景二：上游部分区域夜间水量过小。场景三：上游降雨造成部分区域管网存在冒溢风险。应急调度方案模拟结果见表1。

表1 应急调度方案模拟结果

从模拟结果来看，各预处理站水量均不超过预处理站设计上下限，且分配水量与各预处理站处理能力相匹配；调度方案的进水小时流量 24 h 保持稳定，且不超过设计流量上限，该稳定进水方式与实际运行要求一致，智慧调度系统有效可行。

4.3 调度体系工程分析评价

工程的建设将产生巨大效益，包括排涝效益、环境效益和社会效益等。其中，大部分效益属社会公益性质，难以量化，仅对其中可给区域国民经济发展带来潜在影响的防洪效益进行计算。排涝效益实质为治涝减灾效益，其效益体现由河涌和排涝泵站工程建设共同组成，根据两部分组成情况分析，确定各部分分摊50%。10 a社会经济的发展速度按照 10%进行估算，由此计算10 a内工程所产生的效益约为2.92亿元。

采用上述费用与效益计算经济内部收益率、经济净现值、经济效益费用比。评价指标：国民经济内部收益率(EIRR)为 16.21%，大于社会折现率8%；国民经济净现值(ENPV)为 12.76 亿元，说明建设本工程除可得到满足社会折现率的社会盈余外，还可得到超额社会盈余；国民经济效益费用比(EBCR)为 2.65>1。根据国民经济评价指标，工程在经济上是可行的。

5 结 论

本文以茅洲河防洪排涝智慧体系规划与建设为研究背景，在流域现状分析的基础上，提出茅洲河流域防洪排涝体系总体布局与工程治理措施，进而提出并论证适用于流域水系调度的智慧系统，得到主要结论为：

(1)茅洲河流域防洪排涝体系是以水库调蓄、堤防挡潮和河道生态建设为主的联防联控整体骨架。通过流域水库与滞洪区联合运用，茅洲河防洪标准达到50 a一遇。

(2)基于茅洲河智慧水调度系统选取3种应急调度场景进行模拟测试，分配水量与各预处理站处理能力相匹配，且不超过设计流量上限，智慧调度系统有效可行。

(3)工程建设具有排涝、环境和社会综合效益，根据国民经济评价，工程经济上可行。