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吴瑞霖，王 鑫，林蓉璇
(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)
1.1 研究必要性及现状
水安全是城市安全的重要组成部分，是关系生存的基础性问题[1]，城市高质量发展要高度重视水安全风险。顺德区位于广东省的南部，珠江三角洲平原中部，是广佛一体化建设的重要核心区域之一，2021年全年地区生产总值为4 064.38亿元[2]，位居全国综合实力百强区榜首，现状堤防已达50 a一遇规划标准，但由于该区域地势较低，水高田低，雨洪同期，同时部分河道受到淤积束窄、行洪纳潮通道被侵占、排涝能力不足、调蓄空间不够及潮汐等因素叠加影响，往往造成外洪内涝。佛山市受强降雨、洪水等灾害影响，仅2020年已出现94次城乡内涝，近1 800棵树木倒伏或折断，165间房屋、商铺等受浸，超0.086万hm2农作物受浸，直接经济损失约3 155万元。洪涝灾害可谓是佛山市的心腹大患，开展区域防洪排涝方案研究非常必要。
佛山市等珠三角城市防洪排涝问题受到广泛关注，许多专家学者开展了系列研究并提出了相应的措施建议。其中，刘俊勇[3]通过总结分析近年来珠江三角洲外洪与内涝的特点及变化趋势，提出适当保留或增加一定调蓄水域以缓减城市内涝与河口泄洪防潮压力；
徐张帆等[4]通过对中顺大围模拟计算分析提出，泵站排涝稳定可控，是辅助排涝的重要手段；
邓东升等[5]通过编制专业程序求解的方式对佛山市禅城区罗格围进行了排涝方案计算，提出了新建排涝电站、重建水闸、高标准整治内河涌等措施建议；
宋丹虹[6]通过对佛山市顺德区排水规划设计现状评估剖析，提出了新建调蓄湖泊等措施建议。
1.2 地形地貌
伦教街道地处广东省南部顺德第一联围，位于世界上最复杂河网地区之一的珠江三角洲腹地，北临顺德水道、西至顺德支流、南临容桂水道、东至李家沙水道(如图1所示)。
图1 顺德第一联围水系示意
顺德区在地貌上属地势低洼的河流冲积平原，地势西北略高，东南略低，大部分地区海拔为0.2～2 m。全区地域中，平原面积为473.2 km2，占总面积的58.7%；
河流水面为301.5 km2，占总面积的37.3%；
低山丘陵和台地为31.43 km2，占总面积的4%。与全省平均水平相比，顺德区的平原和水面所占的比例较高，而山地和丘陵所占的比例较低。
1.3 河流水系
顺德第一联围外围水系主要包括顺德水道、潭州水道、陈村水道、沙湾水道、李家沙水道、顺德支流、容桂水道。伦教街道有主干、支干和分支河涌约61条，总长为104.2 km。
1.4 排涝标准
参照《佛山市城市排水防涝设施建设规划大纲》，经实地调研查勘，并与当地水行政主管部门及群众座谈沟通，确认佛山市顺德区伦教街道排涝标准近期为20 a一遇、远期为30 a一遇24 h设计暴雨1 d排完，内河涌排涝控制水位按照1.0 m(珠基)考虑。
2.1 计算分区及边界
按照顺德第一联围地形地貌、河网汇水范围将集水区划分为33个排涝分区，并根据《广东省水资源调查评价》(2004)及1981—2010年日降雨资料计算设计径流及年径流月分配值，设计暴雨采用广东省综合单位线、推理公式法及径流系数法等3种方法推求，计算得到设计洪水过程后综合比选，采用综合单位线法计算成果。同时考虑遭遇外江多年平均洪峰流量和多年平均高潮位过程。
2.2 计算范围
模型的计算范围包括珠江三角洲主要河道和顺德第一联围内主要河涌，河网概化模型如图2、图3所示。上边界为上游西江控制站高要站、北江控制站石角站、东江控制站博罗站的流量过程，下边界为下游虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡鸣门、虎跳门和崖门八大口门的潮位过程。数学模型对联围内73条主要内河涌均进行了概化，河长约213 km，每条内河涌断面间距约为300 m。此外，围内所有水闸和泵站均纳入数学模型，并按相应调度原则进行调度。
图2 珠江三角洲一维河网模型概化示意
图3 顺德第一联围一维河网模型概化示意
2.3 计算方法
MIKE 11在河网模拟、排涝计算等方面已得到广泛应用[7-12],水流数学模型采用圣维南方程中的连续性方程和动量方程进行联立，如公式(1)(2)所示，并用6点Abbott-Ionescu隐式格式进行离散求解。
(1)
(2)
式中:
A——过水面积；
t——时间；
Q——流量;
x——沿河距离;
α——动力扩散系数;
h——水位;
R——水力半径;
C——谢才系数;
g——重力加速度;
q——单位河长侧向流量，流入为正，流出为负。
珠江三角洲一维水动力数学模型主要河道地形采用2008年期间的地形资料进行概化。同时考虑地形及水文资料的实际条件，选取“08.6”洪水对珠江三角洲一维数学模型进行率定。
图4为“08.6”洪水条件下模型计算结果与实测数据的比较，从计算结果看，模型能够较好地模拟珠江三角洲复杂水网在洪水及潮汐共同作用下的水动力分布特性。各站水位及流量的计算值与实测值吻合良好，水位最大误差为0.17 m，流量误差不超过10%，符合有关规范要求，且变化跟随性较强，基本能满足模型验证要求，说明模型能正确反映网河水位及流量的空间分布特性。
同时在计算的长历时过程中潮位及流量相位关系计算与实测同步性也很好，能较好地再现网河区各站水位流量随时间的变化特征。
图4 “08.6”洪水条件下模型计算结果与实测数据的比较示意
考虑地形及水文资料的实际条件，选取“05.6”洪水对珠江三角洲一维数学模型进行验证。
图5为“05.6”洪水水文条件下模型计算结果与实测数据的对比，从计算结果看，系统模型能够良好地模拟三角洲复杂水网在洪水及潮汐共同作用下的水动力分布特性。各站水位及流量的计算值与实测值吻合良好，水位最大误差为0.19 m，流量误差不超过10%，符合有关规范，且变化跟随性较强，基本能满足模型验证要求，同时在计算的长历时过程中潮位及流量相位计算值与实测值同步性也较好，基本可以再现模拟区域各站水位流量随时间的变化特征。
图5 “05.6”洪水珠江三角洲主要水位站实测与数模计算成果比较示意
为使顺德区伦教街道达到20 a一遇24 h设计暴雨1 d排完的排涝标准(即该区域内河涌排涝控制水位按照1.0 m(珠基)来控制)，按照《佛山市城市排水防涝设施建设规划大纲》等有关防洪排涝规划及水利工程建设方案，在新建水闸、泵站方面，考虑在黄麻涌泵站旁新建黄麻涌二站；
在河道整治方面，对良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等不满足排涝过流要求的主排河涌进行拓宽整治；
在新建调蓄湖泊方面，规划在大良街道顺德新城东区新建桂畔湖，水面面积约25.33 hm2，调蓄容积为22.7万m3，在伦教城区新建人工湖，水面面积约41 hm2，调蓄容积为45.1万m3，在勒流南部组团新建南水湖，水面面积约50.67 hm2，调蓄容积为45.5万m3。
方案计算按照较不利工况进行考虑，计算边界统一为上游使用多年平均洪峰流量，采用2006年7月高要站和1998年6月石角站洪水过程作为典型，以洪峰流量比值为放大系数，按同倍比放大法推求设计洪水过程线，下游使用多年平均高高潮，采用1998年6月洪水期间下游八大口门相应潮位过程，按多年平均高高潮位进行缩放，同时遭遇20 a一遇设计暴雨。综合考虑增设工程措施及调整调度方式，设计工况1到工况7，其中工况1、工况2为现状调整调度方式工况，工况3、工况4为规划内新增工程措施工况，工况5、工况6、工况7为规划外新增工程措施工况：
工况1：围内禾兴围闸、羊大河闸、灰炉涌闸、通天河闸等4个节制闸全部保持开启；
工况2：围内4个节制闸关闭；
工况3：围内4个节制闸关闭，新建黄麻涌二站流量为48 m3/s；
工况4：围内4个节制闸关闭，新建黄麻涌二站流量为48 m3/s，在新城东区、伦教城区及勒流南部组团等处新建3个调蓄湖；
工况5：新建3宗节制闸(分别建于官沙第二涌、羊额涌、龙田涌河口)，除禾兴围节制闸外，围内其余节制闸全部关闭；
工况6：新建3宗节制闸(分别建于官沙第二涌、羊额涌、龙田涌河口)，扩建鸡洲泵站流量为至98 m3/s，除禾兴围节制闸外，围内其余节制闸全部关闭；
工况7：新建3宗节制闸(分别建于官沙第二涌、羊额涌、龙田涌河口)，扩建鸡洲泵站流量为至88 m3/s，新建羊额涌泵站流量为10 m3/s及仕版涌泵站流量为15 m3/s，对良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌进行河道清淤，除禾兴围节制闸外，围内其余节制闸全部关闭。
不同设计工况下典型断面处的控制水位见表2。
表2 不同设计工况下典型断面水位值 m
① 在开启节制闸情况下，受上游洪峰来水及下游高高潮位顶托叠加影响，研究范围内水位较高，均远高于控制水位(1.0 m)，特别是最上游良仁涌水闸处达到1.98 m。② 相比工况1，关闭节制闸后，导致围内降雨及上游来洪无法及时通过羊大河及良仁涌等河道排出，良仁涌水闸处水位升高到2.21 m，同时也阻止了辖区外涝水进入，使得其余典型断面处水位降幅均超过0.6 m，但仍高于控制水位0.3 m左右。③ 在工况2基础上，关闭节制闸的同时再新建泵站黄麻涌二站，可将良仁涌水位再降低0.26 m。④ 在工况3基础上，考虑在顺德第一联围内新建3个调蓄湖将整体降低研究范围内水位，降幅达到0.2 m，但乌洲水闸、大成水闸、鸡洲水闸等多处水位仍高于控制水位。⑤ 在官沙第二涌、羊额涌、龙田涌河口新建3宗节制闸，可使伦教大涌以北河涌与伦教大涌断开，仅保持禾兴围节制闸开启，对比工况2，良仁涌水闸处水位降低0.44 m，但其他水闸处水位均有不同程度升高，平均升高0.33 m。⑥ 在工况5基础上，扩建鸡洲泵站，良仁涌水闸处水位降低0.19 m，但仍高于要求水位0.67 m，其他处水位均有大幅降低，其中大洲水闸、大成水闸及鸡洲水闸处水位已达到控制水位。⑦ 在工况4基础上，经各河道排涝能力复核、多方案计算对比分析，综合确定各泵站规模，扩建(新建)3座泵站并对范围内部分河涌进行清淤疏浚，各处水位基本达到规划要求。综上所述，经计算比选，工况7可作为顺德区伦教街道防洪排涝推荐方案，即在官沙第二涌、羊额涌、龙田涌河口处新建节制闸，扩建鸡洲泵站、新建羊额涌泵站及仕版涌泵站，并对良仁涌、新仕涌、曙光涌、天塔涌等河涌进行河道清淤，调度运用时，仅需关闭禾兴围节制闸，即可基本满足近期防洪排涝要求。
新设、关闭节制闸可有效控制辖区外涝水进入，新建、扩建排涝泵站，可增大伦教街道的行洪排涝能力，新建调蓄湖、疏浚河道，可增大伦教街道的洪水蓄泄能力，均可在一定程度上降低围内水位；
但单一措施均无法达到规划目标要求，需要多措并举、合理调度、联合运用，方可将内河涌排涝水位控制到1 m左右。
对如何进一步缓解城市排涝问题开展深入研究，将结合海绵城市建设及城市发展规划[13]，考虑运用水安全、水资源等方面策略[14]。
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