基于河網(wǎng)水動力模型的廣州市珠江三角洲河涌整治方案研究

基于河網(wǎng)水動力模型的廣州市珠江三角洲河涌整治方案研究

0廣州市河道概況江灣位于廣州市中心西部。是廣州獨(dú)特的嶺南特色城市和中心城市，也是廣東佛都市圈的中心區(qū)域。西關(guān)是一個有著美麗風(fēng)景的大城市，盛開著嶺南灣和美麗的荔枝灣。全區(qū)由珠江廣州河道的西航道、后航道以及三尾沖、佛山水道和平洲水道所環(huán)繞,是廣州市唯一擁有一河兩岸的城區(qū),區(qū)內(nèi)河涌縱橫,水岸線長42.4km,其中珠江岸線長25.3km,河涌103條,總長達(dá)98.5km。荔灣區(qū)河涌沒有統(tǒng)一整治,大多數(shù)河涌淤積嚴(yán)重。由佛山方向進(jìn)入廣州市的河流污染重,區(qū)內(nèi)大部分河涌污染嚴(yán)重,大多數(shù)河涌水質(zhì)較差,涌水黑臭。現(xiàn)有河涌防洪排澇能力普遍偏低,大部分河涌沒有達(dá)到20年一遇防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。荔灣區(qū)河涌與水利工程現(xiàn)狀跟城市建設(shè)及總體規(guī)劃不相適應(yīng),需要對區(qū)內(nèi)的河涌進(jìn)行整治。本文采用河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型,從排澇的角度進(jìn)行荔灣區(qū)河涌整治方案的比較、分析和研究。1暴雨強(qiáng)度大,降雨多,影響開發(fā)廣州市瀕臨南海,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長、霜期短等氣候特征。據(jù)統(tǒng)計(jì),廣州市多年平均降水量為1758mm。降水量年內(nèi)分配不均,冬春少,夏秋多,降雨多集中于汛期(4-9月),占全年的80.6%,尤其以5-6月雨量最大,占全年的32.7%,降雨最小是12月,占全年的1.8%,24小時最大降雨量281.9mm(1955年6月6日)。廣州市區(qū)暴雨以鋒面雨和臺風(fēng)雨為主,大暴雨中臺風(fēng)雨占主要地位。臺風(fēng)雨的特點(diǎn)是雨區(qū)范圍廣,量級高,時程分配較均勻,三天雨量不大,降雨主要集中在前12h內(nèi)。非臺風(fēng)雨雖然量級不及臺風(fēng)雨,但局部性強(qiáng),時程分配很集中,一般由2～3場雨組成,所以三天雨量相對較大,對排澇很不利。廣州片水系河網(wǎng)縱橫交錯,其徑流主要來自流溪河、北江,影響荔灣區(qū)的外圍洪水主要來自流溪河和北江分流的洪水。本區(qū)的潮汐為不規(guī)則半日潮,廣州片河網(wǎng)屬強(qiáng)潮河段,受潮汐影響顯著。本區(qū)河道汛期既受上游流溪河的洪水和來自北江分流洪水的影響,又受東江洪水的頂托,更受來自珠江口伶仃洋的潮汐作用,在上游徑流和下游潮汐的共同作用下,洪潮交匯,水流形態(tài)十分復(fù)雜。2數(shù)學(xué)模型2.1閘、泵水力學(xué)特征荔灣區(qū)河涌水系屬感潮河網(wǎng)水系,采用河網(wǎng)水動力模型進(jìn)行荔灣區(qū)南片——芳村地區(qū)河涌整治方案的比較研究。河網(wǎng)水流控制方程為描述一維非恒定流運(yùn)動的圣維南方程組:??????A?t+?Q?x=q?Q?t+??x(αQ2A)+gA?h?x+g|Q|QC2AR=0(1){?A?t+?Q?x=q?Q?t+??x(αQ2A)+gA?h?x+g|Q|QC2AR=0(1)式中:x、t分別為距離和時間的坐標(biāo),m,s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Q為流量,m3/s;h為水位,m;q為旁側(cè)入流流量,m3/s;C為謝才系數(shù),m1/2/s;R為水力半徑,m;α為動量校正系數(shù)(無量綱數(shù));g為重力加速度,m/s2。荔灣區(qū)河網(wǎng)內(nèi)有大量的水閘、泵站等水工構(gòu)筑物。在這些構(gòu)筑物處,根據(jù)閘、泵的水力學(xué)特征作特殊處理。荔灣區(qū)河網(wǎng)水系的水閘絕大多數(shù)屬于寬頂堰式水閘,在模型中閘、泵通常作為流量點(diǎn)處理,根據(jù)相鄰水位點(diǎn)水位關(guān)系采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計(jì)算過閘流量。2.2河流地形及排放系統(tǒng)模型計(jì)算范圍為自老鴉崗至黃埔站的珠江廣州河段、佛山水道、平洲水道、陳村水道、三尾沖以及荔灣區(qū)南片——芳村地區(qū)所有主要的河涌,見圖1。計(jì)算范圍內(nèi)白坭水、前航道、后航道、佛山水道、平洲水道等外江和花地河的河道地形采用1999年測繪的地形資料,區(qū)內(nèi)河涌斷面地形采用2003年年底測量的河涌橫斷面地形數(shù)據(jù)。荔灣區(qū)已建城區(qū)、規(guī)劃城區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24h暴雨不成災(zāi),農(nóng)業(yè)區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇24h暴雨不成災(zāi)。河涌排澇受外江水位的影響,根據(jù)以往的規(guī)劃與研究,選用20年一遇和10年一遇24h暴雨碰外江年最高洪潮水位均值潮型為排澇計(jì)算條件。2.3實(shí)測水位變化本研究選用2008年3月20-25日芳村圍的實(shí)測資料對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定,部分率定站驗(yàn)證結(jié)果見圖2。率定結(jié)果顯示,F2閘、F5閘、F6閘以及F3、F4、F8、F9、F13、F16等測站的實(shí)測水位與計(jì)算水位變化規(guī)律基本一致,計(jì)算值與實(shí)測值的誤差都在允許的范圍內(nèi),說明模型基本反映了計(jì)算河網(wǎng)水域的水流運(yùn)動規(guī)律,可利用率定后的模型進(jìn)行荔灣區(qū)河網(wǎng)水系規(guī)劃方案的比較和計(jì)算。3計(jì)算和分析系統(tǒng)3.1潮位過程線確定采用已經(jīng)率定的荔灣區(qū)河涌水系水動力數(shù)學(xué)模型,對荔灣區(qū)芳村地區(qū)的河涌水系格局和工程布局方案進(jìn)行排澇計(jì)算。根據(jù)本區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)對20年一遇暴雨洪水進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)荔灣區(qū)外圍站實(shí)測潮位資料分析,選取廣州浮標(biāo)廠站1994年7月23日0時-24日0時的潮位過程線作為廣州浮標(biāo)廠站年最高潮位均值潮型和荔灣區(qū)排澇計(jì)算的外江設(shè)計(jì)潮型,荔灣區(qū)外圍老鴉崗、沙洛圍、大石、黃埔站等邊界站亦采用同期的潮位過程線。荔灣區(qū)內(nèi)河涌暴雨產(chǎn)流流量過程線作為內(nèi)部流量邊界條件納入模型進(jìn)行計(jì)算,各涌產(chǎn)流按點(diǎn)源處理,計(jì)算中各涌洪水均按歸槽處理。排澇計(jì)算各內(nèi)河涌初始水位統(tǒng)一采用0.30m(芳村圍汛期的景觀低水位),水閘調(diào)度采用排澇調(diào)度規(guī)則,各水閘均按盡量排水(閘內(nèi)水位高于閘外水位就開閘排水,閘內(nèi)水位低于閘外水位則關(guān)閘擋水)進(jìn)行調(diào)度。3.2河涌清淤和疏浚根據(jù)芳村地區(qū)河涌與工程情況,擬定排澇計(jì)算方案如下:(1)現(xiàn)狀方案:將芳村地區(qū)現(xiàn)狀河涌、連通情況和河涌工程布局作為排澇計(jì)算的基準(zhǔn)方案,稱為“現(xiàn)狀方案”。(2)疏浚方案:在“現(xiàn)狀方案”基礎(chǔ)上進(jìn)行河涌清淤或疏浚的方案,稱為“疏浚方案”,疏浚/清淤控制高程為-1.0m、-1.5m。(3)基本規(guī)劃方案:將在現(xiàn)狀河涌和工程布局上進(jìn)行河涌疏浚和河涌出口新建水閘的方案作為河涌整治規(guī)劃的基本工程方案,稱為“基本規(guī)劃方案”,基本規(guī)劃方案1新建塞壩閘、葵蓬閘,基本規(guī)劃方案2進(jìn)一步新建花地河南、北閘和廣佛閘。(4)連通方案:在基本規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上,通過河涌連通和打通斷頭涌實(shí)現(xiàn)水系的調(diào)整,稱為“連通方案”,進(jìn)行5種水系連通方案的比較。(5)推薦方案:通過排澇與水環(huán)境計(jì)算成果分析,綜合選定的河涌疏浚、水系連通、河涌規(guī)模及水閘規(guī)劃的工程方案。3.3排水計(jì)算的結(jié)果分析(1)河涌未達(dá)到20年一遇排放目標(biāo)的干旱因素計(jì)算結(jié)果顯示,芳村地區(qū)現(xiàn)有河涌斷面堤岸高程高于20年一遇排澇峰值水位的主要有劍沙涌、地鐵B涌、地鐵C涌、滘口涌、南漖西涌、塞壩涌、小渦涌等河涌,區(qū)內(nèi)大多數(shù)河涌未完全達(dá)到20年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn),河涌沿岸部分位置峰值水位高于堤岸高程,海龍圍內(nèi)沒有一條河涌完全達(dá)到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。(2)河涌疏浚方案對現(xiàn)狀河涌進(jìn)行疏浚后,芳村地區(qū)絕大多數(shù)內(nèi)河涌峰值水位有所降低,菊樹北涌、牛肚灣涌、塞壩涌、郭村涌、生南涌等河涌峰值水位約降低0.04～0.08m,其他河涌與現(xiàn)狀方案的差值在0.03m以內(nèi),說明河涌疏浚或疏浚對降低芳村地區(qū)的河涌排澇水位有一定效果,但作用較小。(3)河涌排鹽方案計(jì)算成果分析顯示,基本規(guī)劃方案1疏浚河涌及新建塞壩閘、葵蓬閘后,郭村涌、秀水涌、牛肚灣涌等斷頭涌閘內(nèi)計(jì)算斷面峰值水位均較現(xiàn)狀方案明顯下降,五眼橋涌、塞壩涌等非斷頭涌峰值水位較現(xiàn)狀方案有所上升,葵蓬圍與新建水閘有水力聯(lián)系的河涌新建水閘后峰值水位較疏浚方案有所升高(郭村涌除外),這可能與塞壩閘、葵蓬閘排水能力比天然河涌低有關(guān)。其他片區(qū)的河涌排澇水位變化不大?；疽?guī)劃方案2進(jìn)一步新建花地河南、北閘及廣佛閘后,除海龍圍的江尾涌、蝦廟涌等河涌峰值水位基本不變外,區(qū)內(nèi)與新建水閘和花地河有水力聯(lián)系的河涌排澇水位明顯下降。這些情況說明,新建塞壩閘、葵蓬閘對葵蓬圍排澇總體上弊大于利,基本規(guī)劃方案2新建5座水閘可明顯提高芳村地區(qū)的防洪排澇能力,其效果優(yōu)于基本規(guī)劃方案1。(4)洪水水位分析成果比較分析顯示,對連通方案1,郭村涌、秀水涌與塞壩涌的峰值水位較現(xiàn)狀方案明顯降低,其中秀水涌下降了0.21m,郭村涌下降了0.06m,牛肚灣涌下降了0.07m,但五眼橋涌、滘口涌、大沖口涌等涌排澇水位明顯上升;對連通方案2,除郭村涌、滘口涌、塞壩涌的峰值水位較連通方案1約高0.05m外,其余斷面排澇峰值水位與連通方案1基本相當(dāng)。對連通方案3、4,除滘口涌的峰值水位較現(xiàn)狀方案1約高0.13m外,大多數(shù)斷面峰值水位較現(xiàn)狀方案、連通方案1、連通方案2明顯降低,連通方案4除郭村涌、增漖涌的峰值水位較連通方案3約高0.06m外,其余斷面排澇峰值水位與連通方案3基本相當(dāng)。因此,連通方案對降低其關(guān)聯(lián)河涌排澇水位效果明顯,新建水閘、河涌連通是改善芳村地區(qū)排澇狀況、降低內(nèi)河涌排澇水位的有效措施。(5)河涌斷面水位上升分析跟現(xiàn)狀方案相比,除葵蓬圍的郭村涌、秀水涌、牛肚灣涌等河涌水位有所上升外,推薦方案多數(shù)河涌排澇峰值水位有所降低,多數(shù)河涌和斷面排澇水位明顯降低。跟連通方案4和廣州水電設(shè)計(jì)院深化方案相比,除葵蓬圍的郭村涌、秀水涌、牛肚灣涌等河涌水位有所上升外,推薦方案大多數(shù)河涌計(jì)算斷面排澇水位與連通方案4、廣州水電設(shè)計(jì)院深化方案基本相當(dāng)。因此,推薦方案可明顯降低芳村地區(qū)內(nèi)河涌河網(wǎng)區(qū)的排澇水位,其規(guī)劃的河涌水系格局、河涌規(guī)模和工程布局對排澇而言是合理的。由于部分?jǐn)嗝娣逯邓蝗匀桓哂诋?dāng)?shù)氐贪陡叱?20年一遇最高計(jì)算水位基本在2.50m以內(nèi),如芳村地區(qū)沿涌地臺高程能逐步達(dá)到2.50m以上,則各河涌堤岸高程將高于20年一遇排澇峰值水位?？紤]到海龍圍和部分建成區(qū)抬高沿涌地臺高程實(shí)施難度很大,多數(shù)河涌近期還須結(jié)合沿涌堤岸加高加固來達(dá)到相應(yīng)的排澇標(biāo)準(zhǔn)。4駁岸洪水排鹽型。在20年一遇在根據(jù)荔灣區(qū)河涌水系整治研究的需要,在現(xiàn)場調(diào)查、資料成果收集與分析的基礎(chǔ)上,建立并采用河網(wǎng)一維水動力數(shù)學(xué)模型對廣州市芳村地區(qū)不同河涌整治方案的排澇狀況進(jìn)行了計(jì)算、分析。主要結(jié)論如下:(1)排澇狀況分析顯示,芳村地區(qū)現(xiàn)有河涌斷面堤岸高程高于20年一遇排澇計(jì)算峰值水位的主要有劍沙涌、地鐵B涌、地鐵C涌、滘口涌、南滘西涌、塞壩涌、小渦涌等河涌,區(qū)內(nèi)大多數(shù)河涌未完全達(dá)到20年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn),河涌沿岸部分位置排澇峰值水位高于堤岸高程,海龍圍內(nèi)沒有一條河涌完全達(dá)到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。(2)河涌出口