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( 1.廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東廣州510630；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東廣州510630)

根據氣象、水文預報信息，預測城市河道水浸街的空間分布信息，是河道排澇整治及啟動城市應急預案的依據。臨界雨量法是國內外廣泛應用于判斷山洪災害發(fā)生與否的指標[1-4]。該指標的優(yōu)點是易于理解和被公眾接受[5-6]。由于城市排水管網及匯流過程的復雜性，臨界雨量指標在城市洪澇預報預警過程存在很多困難。本文以廣州城區(qū)荔枝灣涌流域為例[7]，把臨界雨量指標應用于城市防洪排澇分析及整治工程優(yōu)秀比較過程，為優(yōu)化工程布局與設計規(guī)模及為城市水浸災害預報預警提供科學依據。

1 數(shù)據與方法

1.1 區(qū)域概況

廣州市瀕臨南海，屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖多雨。荔灣區(qū)是廣州市歷史古城區(qū)，素有“西關”“荔枝灣”“水秀花香”美稱。荔枝灣涌流域水系(圖1)包括上西關涌、下西關涌、泮塘涌、荔枝灣涌、荔灣湖，水系干流為荔枝灣涌。荔枝灣涌沿荔灣湖東南側分別匯流上西關涌和下西關涌，穿越荔灣湖，在荔枝灣涌防潮閘前接納泮塘涌后西入珠江西航道。影響荔枝灣涌的外江珠江前航道洪水主要來自北江、西江和流溪河。一般流溪河洪水出現(xiàn)時間較早，北江次之，西江較遲。荔枝灣涌受潮汐影響顯著，區(qū)內的潮汐為不規(guī)則半日潮，且2個相鄰的高潮或低潮的潮位和潮流歷時均不相等。

荔枝灣涌流域地勢平坦，地面高程多在1.5～2.5 m之間，局部低洼地區(qū)高程在1.0～1.5 m之間，個別低洼地區(qū)甚至小于1.0 m。汛期若突降暴雨，再遇洪潮水位的頂托，易造成“水浸街”。因此除發(fā)生較大洪水外，一遇暴雨和臺風暴潮，也常使市區(qū)低洼地受淹，“下雨大，水浸街”和“天不下雨，水亦浸街”的現(xiàn)象在市區(qū)屢見不鮮。

1.2 數(shù)學模型

河網水動力模型控制方程為：

(1)

式中x、t——距離、時間的坐標；A——過水斷面面積；Q——流量；h——水位；q——旁側入流流量；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑；α——動量校正系數(shù)；g——重力加速度。

利用采用DHI MIKE11離散求解河網水流模型。城市河網大多有堰、閘等水工構筑物，在這些構筑物處，根據堰、閘的水力學特征作特殊處理。排澇計算模型考慮了本流域現(xiàn)狀主要的河涌。利用流域各內河涌暴雨產流流量過程線作為邊界條件納入模型進行計算，各涌產流均按線源處理。根據地面高程把荔枝灣流域分割為15個子區(qū)域，概化為蓄水子區(qū)域(A1—A2、B1—B5、C1—C4、D1—D4)，并分別統(tǒng)計其水位～庫容曲線，用虛擬河道把蓄水子區(qū)域連接到概化河涌上，模擬水流的溢出與退水過程。

1.3 數(shù)據資料

暴雨雨型采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(廣東省水文局，2003)及《廣東省暴雨徑流查算圖表使用水冊》(1991年)的珠江三角洲地區(qū)不同頻率雨型，采用推理公式法的計算設計洪水過程線。從洪峰流量(P=5%)及洪峰模數(shù)等主要參數(shù)看(表1)，本成果與以往成果較為接近，洪水過程成果基本合理。

表1 荔枝灣涌設計洪峰流量對照

采用浮標廠潮位站1994年6月25日潮位過程作為外江典型潮型，此潮型高高潮位接近多年平均高高潮位、低潮位接近多年平均低潮位?？紤]排水偏不利條件，假定其高高潮位與洪峰同時在本流域遭遇。

2 結果分析

2.1 模型參數(shù)選取與驗證

參照以往成果[8-10]，荔枝灣涌涌口—食養(yǎng)坊段模型糙率取值為0.03～0.025，其他位置取值為0.025。在P=90%的暴雨洪水條件下，中山八路渠箱多數(shù)計算斷面的水位在1.7 m左右，與本區(qū)域低洼區(qū)高程相比，水浸深度約0.05 m。上西關涌附近的水位在1.7 m左右，該區(qū)域附近低洼位置最低水位為1.24 m，水浸高程約0.5 m。根據荔枝灣現(xiàn)狀河涌易澇位置現(xiàn)狀調查資料，中山八路、泮塘路、龍津路、恩寧路附近為易澇區(qū)域(圖2)，調查結果與本模型計算的易澇區(qū)域分布較為一致，表明模型模擬的荔枝灣流域“水浸街”過程基本合理。

2.2 計算方案

本文計算包括荔枝灣涌現(xiàn)狀、整治基本方案及其改進方案。

a) 基本方案也稱為荔枝灣二期河涌治理工程方案，包括擬建的荔枝灣水閘(總凈寬度為14 m，閘底板高程取-1.5 m)，連接珠江布置4臺排澇泵(排澇流量20 m3/s)；中山八路渠箱及食養(yǎng)坊—大地涌段河涌、上西關涌下支改造工程；食養(yǎng)坊—新建管道改造工程(D1600管道改造為2.0 m×2.0 m渠箱)等(圖3)。

b) 荔枝灣二期河涌治理工程DN2000管道排澇能力分析方案。為減輕荔枝灣涌截污閘上游雨季污水的出路問題，在截污閘上游埋設一條DN2000管道，經過荔灣湖湖邊接入中山八路渠箱，該管道的主要功能是在發(fā)生降雨時，荔枝灣涌位于逢源路的水閘關閉，DN2000分流上西關片區(qū)的來水，避免逢源路上游水位上升過高導致內澇。

c) 水質過濾功能水池方案。在逢源路截污閘關閉情況下，減輕上西關涌區(qū)域的內澇問題的另外一個方案是雨洪調蓄功能水池方案和水質過濾功能水池方案。雨洪調蓄功能水池方案是指在上西關涌建設調蓄水池，發(fā)生暴雨洪水時，逢源路—食養(yǎng)坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通過的流量進入調蓄水池儲存，調蓄池容積為10 000 m3。由于調蓄池附近上西關涌區(qū)域最低高程為1.24 m，本模型在計算中設定當管道水位超過管頂高程1.0 m時，雨水自上西關涌自由溢流至調蓄水池。

2.3 結果與討論

為了直觀比較不同方案的工程效果，表2統(tǒng)計了P=20%雨型等條件下出現(xiàn)荔枝灣涌流域水浸的累計降雨量(臨界雨量)?，F(xiàn)狀條件下上西關涌上支、上西關涌下支容易水浸的臨界雨量為83 mm，其主要原因是逢源路水閘上游至下游食養(yǎng)坊之間僅靠1條D1600的管道排水，排水能力不足。二期工程實施后，上西關涌水浸的臨界雨量提高近40 mm。表3顯示上西關涌出現(xiàn)水浸點的臨界雨量與中山八路渠箱進入污水泵站水閘、中山八路渠箱溢流閘交錯開啟方式影響不大。

由于逢源路截污閘以上是雨污合流管道，其污水通過逢源路水閘上游至下游食養(yǎng)坊之間僅靠1條D1600進入中山八路渠箱，然后進入污水泵站水閘。暴雨期間，為解決上西關涌區(qū)域水浸問題，開逢源路截污閘排澇，將導致城市污水進入荔枝灣涌，污染河涌環(huán)境。需要尋求逢源路截污閘關閉情況下的最優(yōu)排澇整治方案。

在逢源路截污閘關閉情況下，減輕上西關涌區(qū)域內澇問題方案有：①DN2000管道方案；②雨洪調蓄功能水池方案；③水質過濾功能水池方案。

a) DN2000管道方案是指在截污閘上游埋設一條DN2000管道，經過荔灣湖湖邊接入中山八路渠箱；DN2000管道建設后可以大大緩解上西關涌區(qū)域的內澇問題，上西關涌流域可滿足P=90%暴雨洪水，計算表明可提高上西關涌水浸的臨界累計降雨量到160 mm左右。

b) 在上西關涌建設調蓄水池，發(fā)生暴雨洪水時，逢源路—食養(yǎng)坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通過的流量進入調蓄水池儲存。調蓄池容積為24 000 m3時，上西關涌流域基本滿足P=90%暴雨不受淹。在上西關涌龍津西路與逢源路交叉口附近頂管敷設DN2000雨水分流管，同時在荔灣湖建設9 000 m3容積蓄水池，以10年一遇雨型(連續(xù)6 h降雨量為152 mm)，在降雨6 h即累計降雨量約152 mm時，基本滿足上西關涌不會出現(xiàn)水浸。

c) 水質過濾功能水池方案是指建設過濾功能調蓄池，容積為10 000 m3，其下游連接到荔枝灣一期工程的明渠段，即逢源路水閘下游，上游接到逢源路水閘上游。調蓄水池的功能為：降雨初期，由于合流污水流量小，利用逢源路到食養(yǎng)坊的1.5 m×2.0 m排水；當降雨量增大時，合流污水流入調蓄水池過濾，過濾后的污水排入荔枝灣一期工程的明渠段。

表2 荔枝灣涌易澇位置累計臨界量統(tǒng)計 mm

注：①采用廣東省暴雨徑流圖集P=20%雨型(177 mm/24h，最大小時降雨量約為25.7 mm)；②涌內控制水位為0.4 m(珠江基面)；③中山八路渠箱溢流閘關閉。符號表示：“×”表示工程組合中不含該方案；“√”表示工程組合中含該方案。工程方案組合：①二期工程方案；②過濾池方案；③DN2000管方案；④連通沙基涌及建閘方案；⑤上西關涌改造工程

表3 中山八路水閘不同調度方式條件下河涌水浸臨界雨量 mm

注：①采用廣東省暴雨徑流圖集P=20%雨型(177 mm/24 h)；②涌內控制水位為0.4 m(珠江基面)；③河涌為二期工程完成方案

在實踐過程中，基層三防相關部門希望以類似簡單的指標，如臨界雨量作為預警指標，以預報降雨量與臨界雨量進行比較，預測城市水浸災害發(fā)生與否及其嚴重程度和緊急程度，并據此發(fā)布警報信息。由于城市降雨過程非常復雜，降雨雨型不同，雨強也不同，臨界雨量在預報城市水浸會有一定的誤差。在廣州市荔枝灣涌現(xiàn)狀及整治方案優(yōu)選實踐看，不同的整治方案、調度方案，水浸點的臨界雨量有差異，其根本原因是排水管網排水能力對洪水過程的響應。臨界降雨量對于特定城市排水系統(tǒng)來講是有物理意義的，但是對于城市區(qū)域需要對雨型、雨強進行大量的統(tǒng)計分析，減少預報誤差，從而形成城市防洪減災精細管理需要可靠的指標體系。

3 結論

本文在現(xiàn)場調查、資料收集的基礎上，采用一維管網水流數(shù)學模型對荔枝灣涌現(xiàn)狀、不同工程方案組合進行了計算分析，得出如下結論。

a) 現(xiàn)狀條件下臨界雨量小于83 mm時上西關涌上支、上西關涌出現(xiàn)水浸；二期工程實施后，上西關涌出現(xiàn)水浸的臨界雨量提高近40 mm。在二期工程基礎上，增加實施DN2000管工程方案，可使上西關涌出現(xiàn)水浸的臨界雨量提高到160 mm左右。

b) 上西關涌出現(xiàn)水浸點的累計降雨量與中山八路渠箱進入污水泵站水閘、中山八路渠箱溢流閘交錯開啟方式影響不大。在逢源路截污閘關閉情況下，DN2000管道建設后或建設調蓄池容積為24 000 m3時可以大大緩解上西關涌區(qū)域的內澇問題，上西關涌流域可滿足P=90%暴雨洪水。

c) 臨界雨量可作為廣州市荔枝灣涌城市防洪減災精細管理的指標體系，預測城市水浸災害發(fā)生與否及其嚴重程度和緊急程度，并據此發(fā)布警報信息。