石 超

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

普濟圩二分場澇水位與規(guī)劃的食品工業(yè)園用地豎向標高、填土高度、提高排澇泵站機排能力之間關系密切。在保證食品工業(yè)園用地安全的前提下，如何科學、合理確定園區(qū)的用地豎向高程，對食品工業(yè)園今后建設的經濟合理性具有重要意義，因此在食品加工園區(qū)單元控制性詳細規(guī)劃編制階段進行本項目的研究非常必要。

1 基本情況

陳瑤湖流域主要由楓沙湖、小陳瑤湖、竹絲湖三大水系組成。楓沙湖水系主要河流為橫埠河，發(fā)源于樅陽廬江兩縣交界的三官山，其支流在龜形山匯合，經毛竹園至九兒潭閘逐步漸進入圩畈區(qū)。在九兒潭閘分為二支，一支向南與湯溝河匯合后，在湖東閘處入江，另一支向東經楓沙湖湖區(qū)，橫埠新后河，在梳樁臺閘處入江。

小陳瑤湖流域基本為圩畈區(qū)，是陳瑤湖流域相對獨立的流域，與楓沙湖之間通過雙河口閘控制，實現(xiàn)分泄楓沙湖洪水。小陳瑤湖流域內河道為圩區(qū)排水溝渠，主要水系有環(huán)圩干溝，沙池河等。

流域內現(xiàn)有7個圩口承擔蓄滯洪任務，均分布在小陳瑤湖周邊，分別為鳳凰圩、元寶嶺圩、小普濟圩、七墩圩、其鳳圩、高橋聯(lián)圩和普濟圩農場二分場，七圩口總耕地面積3.76萬畝，其中普濟圩農場二分場圩內耕地面積2.4萬畝。

普濟圩農場二分場西接小陳瑤湖、南抵沙池河、東臨環(huán)圩干溝，是普濟圩農場的政治、經濟、文化中心，是國家級農機示范場、安徽省現(xiàn)代農業(yè)示范場、萬畝高產示范區(qū)、現(xiàn)代農業(yè)科技園區(qū)、稻漁綜合種養(yǎng)普濟圩農業(yè)示范區(qū)和有機大米生產基地，是普濟圩農場經濟發(fā)展的核心區(qū)域?，F(xiàn)狀防洪工程主要有沙池河堤防、陳瑤湖堤防、環(huán)圩干渠堤防及北埂河堤防?，F(xiàn)狀排澇工程主要有排澇涵閘、排澇站以及排澇溝渠。由于地勢低洼，自排條件差，排澇主要依靠排澇站機排，圩區(qū)排澇站先排入內部河道、排澇干溝，再通過河道干溝出口排澇站排入環(huán)圩干渠。二分場內現(xiàn)有排澇站3座，總裝機990 kW，設計排澇流量10.9 m3/s。

銅陵普農食品加工園區(qū)位于普濟圩二分場東北部，現(xiàn)狀普濟圩種子公司南側，規(guī)劃總面積2.0 km2，其中近期規(guī)劃面積1.1 km2，遠期0.9 km2。食品加工園區(qū)規(guī)劃范圍及陳瑤湖流域總體概況見圖1。

圖1 食品加工園區(qū)與陳瑤湖流域位置關系圖

2 澇水位計算

2.1 排澇標準及范圍

按照食品工業(yè)園建設要求，并結合當地調蓄、排水條件，除澇標準采用20年一遇，按24 h暴雨地面不積水計算。

普濟圩農場二分場在陳瑤湖流域是一個相對獨立的排區(qū)，現(xiàn)狀通過橋北新站、二場八分渠站、二場四支渠站三個排澇站向環(huán)圩干渠排水，再通過沿江泵站抽排入江。根據陳瑤湖治理規(guī)劃，沙池一站、紅旗站等沿江泵站以及環(huán)圩干渠治理工程實施后，二分場澇水通過對江泵站直接抽排入江。

根據以上分析及園區(qū)用地布局及發(fā)展安排，將整個二分場作為1個排水區(qū)，排澇控制面積17.3 km2。

2.2 計算研究區(qū)庫容曲線

由于食品工業(yè)園地面高程高于澇水位，因此需要計算圩區(qū)扣除了園區(qū)2 km2對應的庫容曲線。圩區(qū)地形平坦，具有較多的等高點，但等高線非常稀疏，通過水文學公式和方法計算庫容難度較大，且不易衡量結果的可靠性。而將時段降水過程線以面雨平鋪形式加載入圩區(qū)方式不考慮地形，具有很大的不確定性。GIS三維表面分析可以利用現(xiàn)有等高點數據，通過插值方法和三角網算法建立三維數據模型，實現(xiàn)空間分析功能，可以獲得比較準確的圩區(qū)庫容曲線。

2.2.1 計算原理

(1)構建TIN原理

求取地表物質體積關鍵在于對原始地形的表述。地表是由無數個點組成的表面，而通常所獲得的只是離散的有限數據，因此對于原始地形的任何表述只能是模擬和近似。各種模擬和近似的方法，都是基于地表連續(xù)和漸變的假定。

TIN是基于矢量的數字地理數據的一種形式，通過一系列折點(點)組成三角形，將一系列邊連接各個折點，形成三角網。目前有多種不同的插值方法可以生成TIN，Delaunay三角測量法是其中最常用的一種。

Delaunay三角網生成也有許多成熟算法，本文采用遞歸生長算法。其基本過程為：①在所有數據中取任意一點l(一般從幾何中心附近開始)，查找距離此點最近的點2，相連后作為初始基線1-2；②在初始基線右邊應用Delaunay法則搜尋第三點3，形成第一個Delaunay三角形；③以此三角形的兩條新邊(2-3，3-1)作為新的初始基線；④重復步驟②和③直至所有數據點處理完畢。該算法主要的工作是在大量數據點中搜尋給定基線符合要求的鄰域點。一種比較簡單的搜索方法是通過計算三角形外接圓的圓心和半徑來完成對鄰域點的搜索。為減少搜索時間，還可以預先將數據按X或Y坐標分塊并進行排序。使用外接圓的搜索方法限定了基線的待選鄰域點，因而降低了用于搜尋Delaunay三角網的計算時間。如果引入約束線段，則在確定第三點時還要判斷形成的三角形邊是否與約束線段交叉。遞歸生長算法示意圖見圖2。

圖2 遞歸生長算法生成Delaunay三角網示意圖

(2)庫容計算原理

傳統(tǒng)的計算庫容方法有等高線法、斷面法、方格網法等，這些方法耗費的人力、物力較多，且精度多受限于地形或斷面測量數據。實踐表明，利用地統(tǒng)計分析方法計算庫容，測算范圍不受地形限制，既適用于平坦地區(qū)，也適用于地形變化較大的地區(qū)[1]。由樣本點插值生成擬合表面，無論是計算精度還是計算效率都比較高。

地統(tǒng)計分析方法計算庫容原理：GIS三維分析以現(xiàn)有數據或經空間插值后的數據去近似表述各微元的地形，將研究區(qū)域分成微小的單元(三角網或者網格)，然后疊加在給定高程面下所有的椎體或柱體體積，從而求得所有的臺地體積，這些臺地體積之和即為高程下的總庫容[2]。庫容計算原理示意圖見圖3。

圖3 某一高程下庫容計算原理示意圖

2.2.2 計算過程

(1)數據處理

根據排區(qū)1∶10000地形圖，將高程點轉換成Shp點格式，排區(qū)作為約束面，建立三維TIN數據模型。

TIN為不規(guī)則三角網模型，在地理信息系統(tǒng)中有廣泛應用：根據區(qū)域的有限個點集將區(qū)域劃分為相等的三角面網絡，數字高程有連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點的位置和密度，能夠避免地形平坦時的數據冗余，又能按地形特征點表示數字高程特征[3]。

(2)構建DEM

數字高程模型(簡稱DEM)，是通過有限的地形高程數據實現(xiàn)對地面地形的數字化模擬(即地形表面形態(tài)的數字化表達)，可以高效地對地形進行分析、計算和統(tǒng)計。

為便于后續(xù)統(tǒng)計分析，根據前面構建的TIN模型可以直接轉換為DEM模型，本次將輸出的DEM像元大小設置為1×1，即每個像元為1 m2。

(3)庫容曲線計算

利用GIS的表面分析功能，可以求出DEM范圍內某一高程以下的表面積和體積，也即為所推求的庫容曲線。根據上述建模過程，二分場扣除加工園區(qū)后的庫容曲線成果見圖4。

圖4 二分場區(qū)內高程～庫容曲線

2.3 澇水計算

澇水位與流域暴雨特性、設計暴雨、調蓄能力、泵站外排能力密切相關?；谝陨弦蛩兀疚姆脂F(xiàn)狀工況(利用橋北新站、二場八分渠站、二場四支渠站三個排澇站抽排入環(huán)圩干渠)、規(guī)劃工況(沙池一站建成后)等兩種工況分析澇水位。

本次設計暴雨分別采用《暴雨等值線圖》和利用雨量站雨量資料進行排頻分析兩種途徑推求。前者由《暴雨等值線圖》，查得橫埠河流域年最大點雨量均值P1h=42 mm，P24h=115 mm，P3d=165 mm；1 h暴雨Cv=0.55，24 h暴雨Cv=0.60，3 d暴雨Cv=0.57，Cs=3.5Cv。后者根據流域內北埂站、橫埠站多站平均實測最大1 d、3 d暴雨資料統(tǒng)計排頻成果[4]。兩種途徑推求設計暴雨成果見表1。

表1 設計暴雨成果表

由于等值線圖的描繪考慮與周邊地區(qū)的雨量成果的銜接，對地形條件、高低值地區(qū)變化規(guī)律、抽樣誤差及各種歷時參數圖之間的協(xié)調等作全面考慮，不拘泥于個別點據的數值，在適線時還考慮到臨近地區(qū)已出現(xiàn)的特大值數據，參考等值線圖的設計暴雨偏安全，故本設計暴雨采用等值線圖成果，即5年、10年、20年一遇最大24 h暴雨分別為155 mm、204 mm、253 mm，最大3 d暴雨分別為223 mm、287 mm、353 mm。

3 分析與探討

3.1 確定澇水位

偏安全考慮前期溝塘蓄滿條件下(6 m以下水塘死庫容蓄滿)，根據降雨量、二分場高程～庫容曲線等，計算不同工況澇水位，結果見表2。

表2 不同工況澇水位分析結果表

由表2可知，兩種工況下，二分場澇水位在9.33 m～9.38 m，偏安全考慮，取9.50 m。

3.2 問題探討

食品工業(yè)園所在二分場現(xiàn)狀地面高程9.1 m～9.4 m，本文通過分析20年一遇澇水位，可為園區(qū)豎向標高確定提供技術支撐。食品工業(yè)園園區(qū)地面標高根據澇水位、區(qū)內排水體系布置等綜合確定。

根據陳瑤湖治理規(guī)劃，陳瑤湖20年一遇、50年一遇設計洪水位分別為11.0 m、11.5 m，現(xiàn)狀堤頂高程基本滿足50年一遇防洪標準要求，部分堤段堤身單薄，后期需實施加固。沙池河按20年一遇水位11.0 m進行堤防加固，考慮堤頂超高后，可使遇50年一遇水位時洪水不漫堤。在陳瑤湖堤防加固、沙池河堤防加固，以及沙池一站、紅旗站、王套站、湖東新站等泵站及配套工程建成后，遭遇50年一遇洪水時，二分場可不進洪，基本保障食品工業(yè)園安全。

如遇特大洪水，省防汛抗旱指揮部要求二分場承擔蓄洪任務時，若仍需保證食品工業(yè)園安全，園區(qū)地面標高應超過11.5 m。

4 結語

通過計算排區(qū)內澇水量，結合GIS三維模型及空間分析功能推求圩區(qū)庫容，根據滯蓄水量確定澇水位。為二分場食品工業(yè)園用地豎向標高、填土高度、排澇設施布局提供了科學、合理的技術支撐，可以為圩區(qū)類似建設工程提供參考。