季永興,劉水芹

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061; 2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,上海 200061;3.上海市水文總站,上海 200332)

平原感潮地區(qū)雨型潮型組合對(duì)除澇規(guī)模的影響

季永興1,2,劉水芹3

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061; 2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,上海 200061;3.上海市水文總站,上海 200332)

以上海某感潮圩區(qū)水系除澇規(guī)模計(jì)算為例,采用水量平衡法和河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法,研究了平原感潮地區(qū)的雨型潮型組合對(duì)圩區(qū)除澇規(guī)模的影響,并對(duì)涉及除澇標(biāo)準(zhǔn)的暴雨歷時(shí)取值、澇水排除程度確定、起調(diào)水位與預(yù)降可能性、河道分期實(shí)施狀況、用地性質(zhì)變化、水面率控制等影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:在約100 km2區(qū)域內(nèi),采用水量平衡法和河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法計(jì)算的河道水力要素和除澇設(shè)施規(guī)模均可滿足工程精度要求;對(duì)確定的除澇規(guī)模,不同雨型潮型組合情況下,內(nèi)河最高水位和高水位持續(xù)時(shí)間不同,“麥莎”雨型潮型組合情況下內(nèi)河最高水位較高,而“63年”雨型潮型組合情況下高水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),后期河道水位也較高;平原感潮圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)的確定涉及設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、澇水排除時(shí)間、澇水排除程度、設(shè)計(jì)潮位與過(guò)程等因素,尤其是雨型潮型組合對(duì)除澇規(guī)模影響較大。

平原感潮地區(qū);圩區(qū);雨型潮型組合;除澇標(biāo)準(zhǔn);除澇規(guī)模

為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,緩解人口增長(zhǎng)對(duì)土地需求的壓力,保持耕地動(dòng)態(tài)平衡,我國(guó)沿海各省利用灘涂資源建設(shè)了大量的圍海造地工程,如河北曹妃甸[1]、江蘇沿海[2]、上海浦東機(jī)場(chǎng)[3]、浙江溫州淺灘[4]、福建東壁島[5]等圍海造地工程。位于沿海的新圍區(qū)域,成陸高程較低,有海堤保護(hù),圍區(qū)除澇排水有其共同特點(diǎn):外海高潮位時(shí),圍區(qū)內(nèi)水難以排出,需要泵站強(qiáng)排;外海低潮位時(shí),圍區(qū)內(nèi)水又可自流外排。新圍區(qū)域的圩區(qū)排水既可建成獨(dú)立排水體系,又可與內(nèi)陸水系合并排水。與內(nèi)陸水系合并的圍區(qū),其排水系統(tǒng)(包括河道與口門(mén)控制建筑物等)需綜合考慮原排水范圍及新圍區(qū)的上游來(lái)水與本地區(qū)降雨;獨(dú)立排水體系的新圍區(qū)一般僅考慮本區(qū)域降雨。但是,不管是否與內(nèi)陸水系合并排水,新圍區(qū)域排水系統(tǒng)的水系河道規(guī)模及口門(mén)控制建筑物的規(guī)模,均與降雨、潮位組合關(guān)系密切,屬于典型的平原感潮區(qū)排水除澇問(wèn)題。

2016年1月水利部頒布的SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了除澇標(biāo)準(zhǔn)“應(yīng)同時(shí)以設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、澇水排除時(shí)間和澇水排除程度等指標(biāo)表示”,但相關(guān)研究表明,設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程(雨型)與設(shè)計(jì)潮位過(guò)程(潮型)組合對(duì)感潮區(qū)除澇規(guī)模影響較大[6-9]。在上海,水利部門(mén)以往采用典型年法來(lái)解決雨型潮型組合時(shí)除澇規(guī)模的影響問(wèn)題,即采用1963年9月12—13日24 h降雨(總降雨量204.6 mm,相當(dāng)于20年一遇降雨標(biāo)準(zhǔn),其中1 h最大降雨36 mm)與同步的外海潮位進(jìn)行組合(簡(jiǎn)稱(chēng)“63年”雨型潮型組合)。2005年8月6—7日,“麥莎”臺(tái)風(fēng)期出現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)、暴雨、高潮“三碰頭”情況[10](總降雨量為198.9 mm,也接近20年一遇降雨量,其中1 h最大降雨49 mm),許多區(qū)域出現(xiàn)內(nèi)澇,相關(guān)部門(mén)和學(xué)者開(kāi)始著手研究原“63年”雨型潮型組合的可靠性、采用“麥莎”臺(tái)風(fēng)期間雨型潮型組合(簡(jiǎn)稱(chēng)“麥莎”雨型潮型組合)的可行性[11]以及其他雨型潮型組合的合理性。

由于雨型潮型組合確定最終是為確定水系河道規(guī)模和口門(mén)控制建筑物規(guī)模服務(wù)的,本文以上海某圈圍成陸總面積約87.9 km2的圍海造地工程內(nèi)的除澇規(guī)劃設(shè)計(jì)為例,對(duì)雨型潮型組合對(duì)水系河道規(guī)模確定的影響進(jìn)行分析,并對(duì)平原感潮圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)涉及的暴雨歷時(shí)取值、澇水排除程度確定、起調(diào)水位與預(yù)降可能性、河道分期實(shí)施狀況、用地性質(zhì)變化、水面率控制等影響因素進(jìn)行分析,以供相關(guān)決策部門(mén)參考。

圖1 上海某圍海造地工程示意圖

1 資料及方法

1.1 工程概況

上海某圍海造地工程采用促淤、圈圍、吹填方式圈圍造地約87.9 km2,分3期完成(圖1)。一期圈圍32 km2已于2015年底完成,二期圈圍13.5 km2將于2017年底完成,三期圈圍42.4 km2將于2020年底完成。圈圍后的土地最終標(biāo)高為3.00 m,用地性質(zhì)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和高端服務(wù)業(yè)。根據(jù)規(guī)劃,先期根據(jù)圈圍成陸時(shí)機(jī),在圍區(qū)實(shí)施“三橫七縱”骨干排澇河道(圖2);未來(lái)根據(jù)開(kāi)發(fā)需要建設(shè)蓄淡水湖泊和田間水系工程,最終達(dá)到水面率控制要求。排澇河道口寬除縱三河Z3、縱五河Z5和縱七河Z7為50 m外,其余均為80 m,常水位2.20 m時(shí)總水面面積約為680萬(wàn)m2。蓄淡水湖泊和田間水系的水面面積不小于320萬(wàn)m2。根據(jù)既有周邊水系運(yùn)行情況和場(chǎng)地實(shí)施標(biāo)高,規(guī)劃常水位為2.20 m,控制最高水位2.70 m;暴雨期提前排水,預(yù)降水系河道內(nèi)水位至1.70 m。

圖2 圍區(qū)水系概化示意圖

1.2 分析方法

相關(guān)研究顯示,新圍區(qū)域根據(jù)不同用地性質(zhì)可采取不同的除澇排水模式:城市化區(qū)域采用市政與水利結(jié)合的兩級(jí)排放模式[12-13],農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)域則采用水利區(qū)域除澇模式。新圍區(qū)域?yàn)楦谐眳^(qū)域,排水受圩外潮位影響較大,受圩外高潮位頂托時(shí)采用泵站抽排,圩外潮位低于水系內(nèi)水位時(shí)趁低潮位由水閘自流排出。根據(jù)水系特性,考慮采用水量平衡法和一維非恒定流河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型方法分別進(jìn)行計(jì)算和校驗(yàn)。

1.2.1 水量平衡法

視水系河道為水庫(kù),采用水庫(kù)調(diào)節(jié)方法,將除澇周期劃分為若干計(jì)算時(shí)段,在任何一個(gè)時(shí)段Δt內(nèi),進(jìn)入水系河道的水量Q入Δt(即降雨量)與流出水系河道的水量Q出Δt之差,等于水系河道內(nèi)這一時(shí)段內(nèi)蓄水量變化ΔV,即

(1)

(2)

式中:i為降雨強(qiáng)度;A為匯水面積。因排澇期均為暴雨期,蒸發(fā)、滲漏等損失量較小,為安全起見(jiàn)可不考慮。Q出根據(jù)泵站抽排和水閘自排分別考慮,當(dāng)水系河道水位低于圩外潮位時(shí),采用泵站抽排量Q出,泵;當(dāng)水系河道水位高于圩外潮位時(shí),采用水閘自排流量Q出,閘,并按寬頂堰公式計(jì)算:

(3)

式中:B為水閘凈寬度;h為堰上水頭；μ0為綜合流量系數(shù),平原地區(qū)水閘一般取0.34～0.35[14]。

水系河道蓄水量變化ΔV根據(jù)起調(diào)水位時(shí)的總河道水面積∑S和蓄水水深變化Δh、河道長(zhǎng)度L計(jì)算,公式為

(4)

式中，m為河道邊坡坡比。

按上述系列公式,在Excel表中以0.5 h或1 h時(shí)間步長(zhǎng)建立水系排澇計(jì)算過(guò)程,進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算,直至收斂。

1.2.2 河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法

采用一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)方法建立河網(wǎng)模型,其基本方程如下:

(5)

(6)

式中:A為河道過(guò)水面積,m2;t為時(shí)間,s;Q為流量,m3/s;x為沿河距離,m;h為水位,m;R為水力半徑,m;C為謝才系數(shù),m0.5/s;g為重力加速度,m/s2;q為單位河長(zhǎng)側(cè)向入流量(流入為正,流出為負(fù)),m2/s。

對(duì)式(5)(6)采用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散,按每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水量平衡解線性方程組。河網(wǎng)水系側(cè)向流入量q為圍區(qū)降雨河網(wǎng)分區(qū)匯水量,就近匯入河道。外海水位邊界條件采用潮位過(guò)程。謝才系數(shù)C由糙率系數(shù)計(jì)算,糙率系數(shù)根據(jù)河道特性取0.018～0.025。對(duì)于流量Q,當(dāng)水閘自排時(shí),按寬頂堰公式計(jì)算;當(dāng)泵站抽排時(shí),按泵站設(shè)計(jì)流量計(jì)算。

1.3 計(jì)算邊界條件

根據(jù)規(guī)劃要求,圍區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)按照20年一遇24 h設(shè)計(jì)面暴雨情況下,河道水位不超過(guò)最高2.70 m控制,圍區(qū)外潮位采用設(shè)計(jì)暴雨同步潮位過(guò)程。

1.3.1 雨型潮型組合

分別采用“63年”雨型潮型組合(圖3)和“麥莎”雨型潮型組合(圖4)進(jìn)行計(jì)算論證。另外,由于運(yùn)行期臺(tái)風(fēng)、暴雨、高潮“兩碰頭”或“三碰頭”的情況較少,需復(fù)核經(jīng)常性不利雨型潮型組合情況(簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)行期雨型潮型組合)。擬定多年平均高潮位(3.30 m)與多年平均低潮位(0.84 m)組合的潮型,并與“麥莎”臺(tái)風(fēng)期的暴雨雨型進(jìn)行組合,潮型相位與“麥莎”臺(tái)風(fēng)期潮型相位相同,如圖5所示。

圖3 “63年”雨型潮型組合

圖4 “麥莎”雨型潮型組合

圖5 運(yùn)行期雨型潮型組合

1.3.2 起調(diào)水位

規(guī)劃水系控制水位為1.70～2.70 m,常水位為2.20 m,所以設(shè)計(jì)除澇規(guī)模計(jì)算以規(guī)劃預(yù)降的最低水位1.70 m作為起調(diào)水位?？紤]到降雨前可能未及時(shí)預(yù)降和避免預(yù)降后無(wú)充分降雨量,取2.20 m與2.00 m作為校核工況起調(diào)水位。

1.4 研究工況

根據(jù)圍區(qū)大小和工程經(jīng)驗(yàn),初擬在圍區(qū)北側(cè)2號(hào)和4號(hào)位置設(shè)排澇泵站與水閘組合樞紐,3號(hào)和5號(hào)位置單設(shè)排澇水閘(圖2)。其中,2號(hào)和4號(hào)泵站的初始計(jì)算流量均為40 m3/s,以后以5 m3/s逐級(jí)遞加;4座水閘初擬凈寬均為10 m,以后以2 m逐級(jí)遞加。計(jì)算的目的主要是確定在既定“63年”雨型潮型組合和“麥莎”雨型潮型組合,以及1.70～2.70 m控制水位情況下,合適的泵站排澇流量和水閘寬度。根據(jù)上海地區(qū)泵站與水閘建設(shè)投資情況,以及節(jié)能運(yùn)行要求,運(yùn)行期應(yīng)盡量采用水閘排水,所以泵閘規(guī)模的確定需綜合運(yùn)行期雨型潮型組合情況下的要求。另外,考慮暴雨前未及時(shí)預(yù)降水位,需計(jì)算起調(diào)水位為2.00 m或2.20 m的情況,校核水系最高水位,判定風(fēng)險(xiǎn)。由于建設(shè)進(jìn)度原因,所有骨干水系建成時(shí),田間水系和蓄淡水湖泊并不能同步建成,所以需復(fù)核設(shè)計(jì)雨型潮型組合情況下河道最高水位情況。綜合上述要求,擬定計(jì)算的工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

2 結(jié)果分析

2.1 排水規(guī)模初選

經(jīng)試算,在設(shè)計(jì)工況下,不論“63年”雨型潮型組合還是“麥莎”雨型潮型組合,2號(hào)和4號(hào)泵站均采用設(shè)計(jì)流量40 m3/s不能滿足最高水位控制在2.70 m以內(nèi)的要求,而采用較大設(shè)計(jì)流量又不經(jīng)濟(jì),比較合適的設(shè)計(jì)流量為2座泵站均采用60 m3/s與4座均大于12 m的水閘組合。

2.2 計(jì)算方法對(duì)比

對(duì)確定的泵站和水閘規(guī)模(2座泵站總流量120 m3/s,4座水閘總寬48 m),采用水量平衡法和河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法分別計(jì)算,結(jié)果顯示,設(shè)計(jì)工況下河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法計(jì)算的最高瞬時(shí)水位在圍區(qū)水系的分布基本一致,最高與最低值僅差2 cm(圖6)；水量平衡法計(jì)算的全圍區(qū)水系水位為定值。因此，在與本工程面積相近的河網(wǎng)水系內(nèi),采用兩種方法分析均可滿足工程精度要求。為減少計(jì)算工作量,以下采用水量平衡法計(jì)算成果進(jìn)行比較分析。

圖6 設(shè)計(jì)工況下河網(wǎng)模型計(jì)算的最高瞬時(shí)水位分布(單位:m)

2.3 雨型潮型組合影響

為分析“63年”雨型潮型組合與“麥莎”雨型潮型組合對(duì)內(nèi)河水位的影響,以2座泵站總流量120 m3/s和4座水閘總寬48 m為口門(mén)建筑排水規(guī)模,采用設(shè)計(jì)工況計(jì)算分析。結(jié)果顯示:雖然在24 h內(nèi)兩種雨型潮型組合情況下的最高水位未超過(guò)2.70 m,但24 h末內(nèi)河水位均高于常水位2.20 m,所以延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間6 h,期間泵站抽排和水閘自排仍按前述原則運(yùn)行,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示:①“63年”雨型潮型組合情況下,內(nèi)河最高水位為2.63 m;24 h末泵站排水總量為734.4萬(wàn)m3,水閘排水總量為222.9萬(wàn)m3,期末內(nèi)河最高水位為2.56 m;30 h末泵站排水總量為864.0萬(wàn)m3,水閘排水總量為273.6萬(wàn)m3,期末內(nèi)河最高水位2.35 m。期間,2.50 m以上高水位持續(xù)時(shí)間約12 h,水泵排水約20 h,水閘排水約7 h。若要將內(nèi)河水位降低至常水位2.20 m,水閘還需開(kāi)啟排水2 h,泵站還需抽排3 h。②“麥莎”雨型潮型組合情況下,內(nèi)河最高水位為2.68 m;24 h末泵站排水總量為734.4萬(wàn)m3,水閘排水總量為234.4萬(wàn)m3,期末內(nèi)河最高水位為2.45 m;30 h末排水總量為907.2萬(wàn)m3,水閘排水總量為275.0萬(wàn)m3,期末內(nèi)河最高水位為2.28 m。期間,2.50 m以上高水位持續(xù)時(shí)間約8 h,水泵排水約21 h,水閘排水約8 h。若要將內(nèi)河水位降低至常水位2.20 m,泵站還需運(yùn)行2 h。

圖7 設(shè)計(jì)工況不同雨型潮型組合內(nèi)河水位過(guò)程線

可見(jiàn),“麥莎”雨型潮型組合情況下內(nèi)河最高水位較“63年”雨型潮型組合情況下略高,而在高水位持續(xù)時(shí)間上“63年”雨型潮型組合情況下要長(zhǎng)于“麥莎”雨型潮型組合情況。

另外,為分析雨型潮型組合相位差對(duì)水系水位的影響,以“麥莎”雨型潮型組合為原型,將雨型和潮型分別前后移動(dòng)1 h組合,再次計(jì)算水系水位。結(jié)果顯示:內(nèi)河水系最高水位分別為2.62 m和2.67 m,均較“麥莎”雨型潮型組合下的水系最高水位要低。

2.4 運(yùn)行期節(jié)能對(duì)口門(mén)建筑物規(guī)模影響

以2座泵站總流量120 m3/s和4座水閘總寬48 m試算,在內(nèi)河常水位2.20 m狀態(tài)下突降暴雨,采用泵閘聯(lián)合排水,內(nèi)河水位較高,難以滿足最高水位控制在2.70 m以內(nèi)的要求,須調(diào)整水閘和泵站規(guī)模。

若常水位2.20 m時(shí)突降暴雨,采用泵閘聯(lián)合排水,2座泵站規(guī)模保持不變,將4座水閘總寬增加至72 m,內(nèi)河水位最高達(dá)到2.86 m(圖8);將4座水閘總寬增加至96 m,內(nèi)河水位可控制在2.70 m以內(nèi);若僅采用水閘排水,且需控制最高水位不超過(guò)2.70 m,需將水閘總寬增加至120 m以上。

圖8 運(yùn)行期不同排水模式下內(nèi)河水位過(guò)程線

若提前將水位預(yù)降至2.00 m,采用泵閘聯(lián)合排水,2座泵站規(guī)模保持不變,將4座水閘總寬增加至72 m,內(nèi)河水位可控制在2.70 m以內(nèi)(圖8);若僅采用水閘排水,內(nèi)河水位最高達(dá)2.98 m。

2.5 適宜的除澇規(guī)模確定

由上述分析,無(wú)論“63年”雨型潮型組合,還是“麥莎”雨型潮型組合,受外海潮位頂托,利于水閘自流排水的時(shí)間均較短,且水位差不大,水閘自排水量有限,所以要控制水系最高水位主要依靠泵站抽排,泵站的規(guī)模應(yīng)以設(shè)計(jì)工況下相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨型潮型組合計(jì)算結(jié)果來(lái)確定。但是,運(yùn)行期經(jīng)常性情況是低潮位較低,水閘排澇時(shí)間較長(zhǎng),且排澇流量較大,為節(jié)能要求盡量減少泵站運(yùn)行提供可能,水閘規(guī)模應(yīng)以經(jīng)常性的雨型潮型組合確定。

根據(jù)計(jì)算,泵站的規(guī)模以2座泵站總流量120 m3/s較適宜,4座水閘總寬48 m在設(shè)計(jì)工況下可滿足控制設(shè)計(jì)周期內(nèi)最高水位要求,但運(yùn)行期遭遇暴雨情況的不利雨型潮型組合情況下,內(nèi)河水位較高。在常水位2.20 m情況下,水閘總寬增加至72 m,最高水位還是超過(guò)控制要求,但風(fēng)險(xiǎn)可基本接受(超最高控制水位0.16 m,但未超過(guò)場(chǎng)地的標(biāo)高(3.00 m));若暴雨前微降內(nèi)河水位至2.00 m,則基本可滿足最高水位控制要求。因此,推薦采用2座泵站總流量120 m3/s加4座水閘總寬72 m作為水系口門(mén)控制建筑物規(guī)模。

2.6 “兩碰頭”前水系水位未預(yù)降影響

根據(jù)推薦的泵閘規(guī)模,計(jì)算結(jié)果顯示,在遭遇暴雨和高潮位的“兩碰頭”情況下,水系水位若未提前預(yù)降,但開(kāi)始降雨時(shí)能及時(shí)開(kāi)始泵站排水,最高水位將達(dá)到2.98 m,若暴雨前微降內(nèi)河水位至2.00 m,則最高水位為2.71 m,基本滿足最高水位控制要求。

2.7 近遠(yuǎn)期實(shí)施對(duì)水系水位影響

根據(jù)計(jì)算,在田間水系和蓄淡水湖泊尚未建成時(shí),若提前預(yù)降水系水位至1.70 m,水系最高水位將達(dá)到3.00 m;若未能提前預(yù)降水系水位(常水位2.20 m),水系最高水位將達(dá)到3.28 m;若提前預(yù)降水系水位至1.70 m,但僅依靠水閘排水,水系最高水位將達(dá)到3.51 m;若不提前預(yù)降水系水位,且僅由水閘自排,水系最高水位將更高。

3 討 論

3.1 感潮圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)方式

對(duì)于治澇標(biāo)準(zhǔn),SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》除規(guī)定了“應(yīng)同時(shí)以設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、澇水排除時(shí)間和澇水排出程度等指標(biāo)表示”,還對(duì)感潮承泄區(qū)提出了“采用2～5年重現(xiàn)期排澇期高潮位或5～10年一遇排澇期平均潮位作為設(shè)計(jì)水位”“有條件時(shí)應(yīng)選擇相應(yīng)排澇期的典型潮位過(guò)程線,并分析澇區(qū)澇水與潮水的遭遇條件,考慮天文潮的不利組合因素分析確定”,所以,感潮圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、澇水排除時(shí)間、澇水排除程度、設(shè)計(jì)潮位與過(guò)程等指標(biāo)。

從上述計(jì)算分析看,設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程(雨型)與設(shè)計(jì)潮位過(guò)程(潮型)組合對(duì)感潮圩區(qū)除澇規(guī)模的確定影響較大,在確定除澇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)建議加以明確。

3.2 暴雨歷時(shí)延長(zhǎng)和雙峰暴雨的風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)和澇水排除時(shí)間,SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定一般取24 h降雨24 h排除。但由于氣候因素,連續(xù)降雨導(dǎo)致圍區(qū)受澇和引起水工建筑物失事的現(xiàn)象也較多。歷史上“75·8”石漫灘水庫(kù)垮壩事件就是由于降雨歷時(shí)較長(zhǎng),并發(fā)生“雙峰”暴雨：1975年8月4日11:00開(kāi)始降雨,5日降雨強(qiáng)度增大,6日降雨減弱,7日降雨強(qiáng)度再次增大,8日1:00降雨減小,5:00雨停,總降雨量1 074.4 m m[15]。另外,有研究表明,上海地區(qū)年最大1 d 和3 d 設(shè)計(jì)暴雨同頻遭遇風(fēng)險(xiǎn)率在75%～85%之間,且同現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)率隨年最大1 d 設(shè)計(jì)暴雨值增大而增大[16]。若發(fā)生大于24 h降雨歷時(shí)的“雙峰”暴雨,在第一個(gè)24 h降雨后,水系水位未排除至設(shè)計(jì)水位,再次遭遇大暴雨時(shí),就可能發(fā)生圩區(qū)受澇風(fēng)險(xiǎn)。因此,在確定除澇標(biāo)準(zhǔn)時(shí),若能考慮年最大1 d 和3 d 降水量的遭遇組合,則有利于降低除澇風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 澇水排出程度對(duì)除澇規(guī)模影響

上述結(jié)果顯示,在設(shè)計(jì)工況確定的泵閘規(guī)模情況下,按照最高水位不超過(guò)控制水位的澇水排出標(biāo)準(zhǔn),24 h末內(nèi)河水位均高于常水位。若按照24 h末內(nèi)河水位控制為常水位標(biāo)準(zhǔn),在水閘規(guī)模不變(因設(shè)計(jì)雨型潮型組合情況下水閘發(fā)揮作用較小)情況下,泵站規(guī)模需增加至165 m3/s,約增加37.5%;若按照24 h降雨24 h排出,即24 h末內(nèi)河水位降至預(yù)降水位(為降低“雙峰”暴雨受澇風(fēng)險(xiǎn)),則在水閘規(guī)模不變情況下,泵站規(guī)模需增加至260 m3/s,約增加117%?？梢?jiàn),平原感潮圩區(qū)的澇水排出程度的確定對(duì)除澇規(guī)模影響較大。

3.4 預(yù)降可能性及其風(fēng)險(xiǎn)

在平原地區(qū),為盡量降低除澇設(shè)施規(guī)模,水利規(guī)劃部門(mén)經(jīng)多方案計(jì)算分析,擬定了最低預(yù)降水位和最高控制水位,以合理增加河道調(diào)蓄量和控制河道堤防高度。由于平原地區(qū)河網(wǎng)密布,許多河道承擔(dān)了通航功能,受通航能力影響,河道又有通航最低水位要求,且一般高于水利除澇最低控制水位,因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)河道低水位又受通航影響,在預(yù)報(bào)降雨前預(yù)降河道至水利規(guī)劃最低水位較難。另外,由于預(yù)報(bào)降雨準(zhǔn)確性和河道運(yùn)行管理部門(mén)對(duì)預(yù)降水位的控制準(zhǔn)確性,很難在暴雨來(lái)臨前將河道水位預(yù)降至規(guī)劃最低水位。因此,受多種因素影響,在真正遇到設(shè)計(jì)工況情況時(shí),河道水位超過(guò)規(guī)劃最高水位的可能性就較大。

3.5 水面率和用地性質(zhì)變化影響

水面率是控制河道調(diào)蓄量的重要指標(biāo)。適宜的水面率不僅有利于防洪除澇,而且對(duì)城市生態(tài)環(huán)境起著重要作用。SL 413—2008《城市水系規(guī)劃導(dǎo)則》提出了各區(qū)域適宜的水面率控制要求。在新圈圍成陸地的區(qū)域更應(yīng)在規(guī)劃階段控制水面率,進(jìn)而減小除澇設(shè)施規(guī)模,減輕洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,土地利用性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,尤其是原農(nóng)業(yè)用地、綠化用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地以后,地面硬化,透水性減弱,導(dǎo)致徑流系數(shù)增加,進(jìn)而影響降雨產(chǎn)流過(guò)程,暴雨產(chǎn)生的峰值徑流量增大,尤其是按照短歷時(shí)暴雨設(shè)計(jì)的管渠規(guī)模將會(huì)增大。由于水利除澇采用24 h以上降雨歷時(shí),所以對(duì)采用水利除澇模式計(jì)算的除澇規(guī)模影響較小。

4 結(jié) 論

a. 在約100 km2區(qū)域內(nèi),采用水量平衡法和河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型法分析計(jì)算水系河道水力要素和除澇設(shè)施規(guī)模,均可滿足工程精度要求。

b. 不同雨型潮型組合情況下內(nèi)河最高水位和高水位持續(xù)時(shí)間不同,“麥莎”雨型潮型組合情況下內(nèi)河最高水位較高,而“63年”雨型潮型組合情況下高水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),后期河道水位也較高。

c. 設(shè)計(jì)雨型潮型組合情況下,泵站強(qiáng)排對(duì)控制內(nèi)河水系最高水位影響較大,但為減少運(yùn)行期能耗,應(yīng)盡量加大水閘規(guī)模,利用水閘自流排澇。

d. 暴雨前預(yù)降內(nèi)河水位,增加河道調(diào)蓄量,對(duì)降低除澇設(shè)施規(guī)模有利,但需考慮河道水位預(yù)降可能性及其風(fēng)險(xiǎn)。

e. 平原感潮圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)的確定涉及設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、澇水排除時(shí)間、澇水排除程度、設(shè)計(jì)潮位與過(guò)程等因素,尤其雨型潮型組合對(duì)除澇規(guī)模影響較大。

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Studyonrainfall-tide-combinationsimpactingonthedrainagescalesinaplaintidalarea

JI Yongxing1, 2, LIU Shuiqin3

(1.ShanghaiWaterEngineeringDesignandResearchInstitute,Co.,Ltd.,Shanghai200061,China; 2.EngineeringResearchCenteronFloodControlandDisasterAlleviation,ShanghaiWaterAuthority,Shanghai200061,China; 3.ShanghaiHydrologyAdministration,Shanghai200332,China)

Based on the water budget method and a river-network numerical model, the drainage effects of the rainfall-tide-combinations were analyzed through the scenario of a certain tidal polder in Shanghai. Factors involving the drainage criteria, such as the value of rainstorm duration, the determination of drainage degree, the possibility of starting regulation level and pre-reducing water level, the short and long-term implementation of river regulation, the land usage transition and the controlling of the water surface ratio, were analyzed. The results indicate that in the study area of 100 km2, the river hydraulic factors and the scales of the drainage facilities calculated by both the water budge method and the numerical model fulfill the engineering accuracy. For a certain drainage scale, the peak water levels and their durations vary under the different rainfall-tide-combinations. The peak water level is relatively large under the “Matsa” case,yet the duration of the high-water-level stage is longer and the water level is higher in the later stage under the “63-year” case. The technical standards of drainage in a plain tidal polder are related to the design rainstorm recurrence interval, the design rainstorm duration, the drainage time, the degree of the drainage, the design tidal level and tidal process. In addition, the rainfall-tide-combinations can highly affect the scale of drainage ability.

plain tidal area; polder; rainfall-tide-combinations; drainage criteria; drainage scale

上海市科委2013年度創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(13DZ2251500)

季永興(1970—),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:jiyx@sh163.net

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.004

TV212.5+3

：A

：1006-7647(2017)05-0022-06

2016-12-19 編輯：熊水斌)