基于非工程措施的沿海河道防洪排涝联合调度方案研究

周小珍

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

沿海城市地理位置特殊，台风频繁，沿海河道极易遭受潮位顶托。受潮水“潮起潮落”的影响，沿海河道防洪排涝调度面临更大的挑战。深圳地处珠江流域下游，河网密布，水问题十分复杂，洪潮涝灾害、水质型缺水等水安全问题日益频发。深圳市近海区域为感潮河段，因受天文高潮影响和台风频繁侵袭，珠江口水系河流的中下游纵比降小，地势平缓低洼，河道洪水渲泄缓慢。若洪流与潮流遭遇，近海区域的洪涝灾害则更加严重。非工程措施是除了工程措施以外的城市防洪排涝的一种重要措施。如何在不增加现有防洪排涝工程建设的情况下，结合气象预报，通过优化调度方案，最大程度的发挥现有工程措施的效益，一直是沿海河道防洪排涝的研究重点。

1 项目区概况

茅洲河流域位于深圳市西北部，属珠江口水系。发源于石岩水库的上游—阳台山，流经石岩、公明、光明、松岗、沙井街道，在沙井民主村汇入伶仃洋。石岩水库的建设，改变了原有水系的汇流状况，石岩水库以上流域的径流不再汇入茅洲河，而成为西乡河流域的一部分。现状茅洲河的流域面积为388.23km2。沙井河为茅洲河下游左岸一级支流，流域面积为28.22km2，河长5.81km，现状防洪标准为20年一遇，位于深圳市宝安区。排涝河为茅洲河下游左岸一级支流，位于沙井河下游，流域面积40.34km2，河长3.79km，现状防洪标准为50年一遇。排涝河口与沙井河口距茅洲河入海口分别为3.35和4.85km。两条河通过岗头调节池连通，与茅洲河形成了环形的水流通道，整个通道均受到珠江口潮水的影响，河道水位及流向随着潮水位的变化而变化。沙井河、排涝河闸站工程统计表见表1，其中潭头闸为两河道交界处节制闸。

表1 沙井河、排涝河闸站工程统计表

沙井河—排涝河片区属于深圳西北部滨海平原区，地势低平，区域内大部分地区地势低于3.5m，且自东向西逐渐降低，片区地势如图1所示。由图1中可以看出，岗头调节池以下的沙井河——排涝河片区，地面高程低于3.5m的区域约占60%，其中更有近20%地面高程低于2.5m。

图1 沙井河片区、排涝河片区地势示意图

2 现有调度方案

沙井河片区排涝系统主要由沙井河、松岗河、排涝河以及沙井河河口枢纽构成，其特征水位示意图如图2所示。其中，排涝河作为岗头调节池上游较高区域汇水的自排通道。沙井河、松岗河沿线较低区域的降雨经雨水管网和河道收集后，通过河口枢纽(沙井水闸、沙井河口排涝泵站)排入茅洲河。茅洲河水位较低时开启水闸自排，茅洲河水位较高时水闸关闭通过泵站抽排，维持沙井河和排涝河较低水位。此外，以往的调度方案中并未明确沙井河片区与排涝河片区联合调度的控制参数，未明确以洪为主和以潮为主两种工况下实际调度规程。

图2 沙井河、排涝河特征水位示意图

3 联合调度方案

3.1 调度原则及控制条件

为了最大程度的发挥现有工程措施的效益整体，本文联合调度方案的整体思路是在现有水利设施基础上，实现沙井河片区和排涝河片区的水系连通。具体而言，以潭头闸两侧水位为控制条件，在沙井泵站有余度的情况下，抽排排涝河的涝水。根据茅洲河洪潮遭遇情况，本文将调度工况分为“以洪为主”和“以潮为主”两种，其对应的调度原则及控制条件如下。

(1)以洪为主：主要表现为流域内降雨较大，外江潮位维持在较低水平，此工况下流域主要威胁来自流域内降雨。该工况下，排涝河可以实现自排；沙井泵站抽排优先保证沙井河流范围内雨水的排除。若潭头水闸沙井侧水位低于1.96m且排涝河侧水位高于3.43m，则打开潭头水闸，由沙井泵站同时抽排排涝河片区雨水。

(2)以潮为主：主要表现为外江水位较高，但流域降雨重现期不高，此工况下主要威胁来自外江。该工况下河口水闸需关闭防止倒灌，流域内涝水的排除依靠泵站抽排。当排涝河无法自排时，在保证沙井片区不受涝的基础上，充分利用沙井泵站的抽排能力，最大限度的解决排涝河流域的受涝问题。具体而言，当沙井泵站抽排流量未达170m3/s，且潭头水闸沙井侧水位低于1.96m时，打开潭头水闸，由沙井泵站同时抽排排涝河片区雨水。

3.2 “以洪为主”联合调度实例分析

2018年8月30日降雨潮位情况：8.30赤湾站最高潮位为2.02m，低于高潮位多年平均值2.16m。万丰站24小时降雨量为286.4mm，超10年一遇(水利)，松岗站24小时雨量为254mm，为5～10年一遇(水利)。万丰站和松岗站24小时降雨量为气象标准的特大暴雨级别(>250mm)。可以判断，2018年8月30日降雨潮位过程为以洪为主的过程。因此，本文以2018年8月30日降雨期间调度分析为例说明以洪为主的调度方案。具体的调度方案如下：

第一步：根据降雨预报，关闭潭头水闸，打开排涝河河口水闸、沙井河口水闸。

第二步：当降雨开始，沙井河口水闸内河水位达到0.8m时关闭沙井河口水闸，开启泵站排水，并根据沙井河河口水闸的水位变化控制泵站的开启台数，直至泵站全部开启。

第三步：及时监测潭头河水闸两侧水位，若沙井侧水位低于1.96m且排涝河侧水位高于3.43m，则逐步打开潭头水闸，控制潭头水闸沙井侧水位不高于1.96m，由沙井泵站同时抽排排涝河片区雨水。

第四步：及时监测潭头河水闸两侧水位，排涝河侧水位持续低于3.43m，则逐步关闭潭头水闸。

第五步：逐步关停沙井泵站相应机组，直至将沙井河水位降至0.8m，关闭沙井泵站，打开沙井河河口水闸自排。

2018年8月30日期间沙井泵站工作记录见表2。其中，泵站共运行22小时03分钟，五台机组同时运行3小时59分钟；单机一次运行最长15小时22分钟，单机运行时间为72小时21分钟；共抽排885.56万m3，最高水位2.5m(16∶00)，高峰时，共启动5台机组同时运行。

表2 2018年8月30日期间沙井泵站工作记录表

3.3 “以潮为主”联合调度实例分析

2018年9月16日下午，台风“山竹”期间(2018年9月16日8：00～2018年9月17日2：00)潮位及降雨过程线如图3所示。由台风“山竹”引起的风暴潮与天文潮次高潮叠加，致使东、西部海域潮位暴涨。按2014年《深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划—防洪潮规划修编(2014—2020)》设计高潮位成果复核，东、西部实测潮位值均超过200年一遇。“山竹”台风期间，赤湾站潮位的最高潮水位为3.15m(黄海基面)，为有实测潮位资料以来的次大值(历史最大值为2017年8月23日3.217m)。山竹台风之后，重新复核设计潮位值，山竹台风期间赤湾站最高潮位达3.15m，接近修正后1%设计高潮位3.16m。

图3 山竹台风期间潮位及降雨过程线

山竹台风期间沙井河口水位过程线如图4所示。由图4中可以看出，茅洲河沙井河口断面水位在2018年9月16日18：00达到最大值3.64m，赤湾站潮位在2018年9月16日17：15达到最大值3.15m；最大水(潮)位发生时间差为0.75h，最大水(潮)位差0.49m。期间，茅洲河流域降雨为2年一遇(水利)，松岗站记录最大24小时降雨量为79.8mm，为气象标准的暴雨级别(50～99.9mm)。因此，山竹台风期间的雨潮遭遇工况为以潮为主，由于高潮位顶托，排涝河雨水无法自排。

图4 山竹台风期间沙井河口水位过程线

鉴于山竹台风期间排涝河雨水因受高潮位顶托而无法自排，本文采用联合调度方案应对，通过非工程措施来优化调度方案。具体的调度方案如下：

第一步：根据潮汐特征预报表，沙井河河口水闸在低潮位0.8m及以下打开；在外江水位低于排涝河口水位时打开排涝河河口水闸；随着潮位逐步增加，逐步关闭沙井河河口水闸和排涝河河口水闸；如由于客观原因未能够及时关闭水闸，关闸后沙井河内河口水位高于0.8m时，利用沙井泵站，将内河水位抽排至0.8m以下。

第二步：当降雨开始，沙井河口水闸内河水位达到0.8m时开启泵站排水，并根据沙井河河口水闸的水位变化控制泵站的开启台数，直至泵站全部开启。

第三步：实时监测潭头水闸沙井侧水位，控制其在1.96m以下时开闸运行；当水位达到1.96m时，逐渐关闭潭头水闸，控制排涝河流域的雨水进入沙井河流域的水量，直至潭头水闸全部关闭。

第四步：当潭头水闸全部关闭后，密切关注潭头水闸排涝河侧的水位变化、潭头水闸沙井侧水位变化、沙井泵站抽排流量，当沙井泵站抽排流量未达170m3/s，且潭头水闸沙井侧水位低于1.96m时，打开潭头闸，由沙井泵站抽排排涝河片区涝水。并根据情况，随时调整潭头水闸的运行状态。

第五步：逐步关停沙井泵站相应机组，直至将沙井河水位降至0.8m；当茅洲河水位低于沙井河水位时，再打开沙井河河口水闸。

2018年9月16日山竹台风期间沙井泵站工作记录见表3。其中，泵站共运行32小时08分钟，单机一次运行最长12小时17分钟，共抽排417.18万m3，高峰时，共启动4台机组同时运行。因此，通过沙井河和排涝河联合调度，能够最大限度发挥沙井泵站的工程效益。

表3 山竹台风期间沙井泵站工作记录表

表4 测点监控指标一览表

表5 指标评价集模糊隶属度

4 结语

沿海城市河道易受潮位顶托影响，防洪排涝问题更为复杂。如何在现有水务设施的基础上通过非工程措施优化调度实现工程效益最大化，具有重要意义。本文针对茅洲河流域沙井片区和排涝片区的防洪排涝联合调度，提出了两种工况的联合调度规程和详细调度参数。但是，入海河道有可能会遭遇“以洪为主”与潮位过程较高并存的工况，也可能遭遇“以潮为主”与降雨量较大并存的工况。针对上述两种极端工况，则需要综合更多因素，在现有调度方案的基础上制定更为完善的联合调度方案与规程。