楊震坤

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的不斷加劇，洪澇災(zāi)害已經(jīng)成為影響人類社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。在我國(guó)的珠江三角洲地區(qū)，由于地形復(fù)雜、氣候多變等因素的影響，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了極大的威脅。因此，防洪排澇已經(jīng)成為珠江三角洲地區(qū)水利工程建設(shè)中的重要任務(wù)之一。

本研究以中山市阜沙鎮(zhèn)為例，對(duì)珠江三角洲地區(qū)的防洪排澇水文情況進(jìn)行分析，為該地區(qū)的防洪排澇工程建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)。在本研究中，采用了多種水文分析方法，包括洪潮遭遇分析、設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算、設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算等，對(duì)該地區(qū)的水文特征進(jìn)行了研究和分析。本研究的意義在于為珠江三角洲地區(qū)的防洪排澇工程建設(shè)提供科學(xué)的水文分析和建議，為該地區(qū)的防洪排澇能力和災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力的提高做出了一定的貢獻(xiàn)。同時(shí)，本研究所采用的方法和思路，也可以為珠江三角洲其他地區(qū)的防洪排澇工程建設(shè)提供借鑒和參考。

1 流域概況

阜沙鎮(zhèn)位于珠江三角洲南部，屬中山市北部平原，該鎮(zhèn)地勢(shì)西北高，東南低，平均海拔1.4m，最高處為浮圩山，海拔67.6m[1]。鎮(zhèn)區(qū)東臨雞鴉水道，西瀕小欖水道，總面積35.6km2，其中圍內(nèi)面積32.3km2，水域面積3.3km2。鎮(zhèn)內(nèi)以平原為主，內(nèi)河涌縱橫交錯(cuò)，大小河涌約68條，總長(zhǎng)約103.47km。阜沙鎮(zhèn)全鎮(zhèn)屬于五鄉(xiāng)聯(lián)圍和大南聯(lián)圍，總面積32.3km2。鎮(zhèn)區(qū)北部和西南部屬五鄉(xiāng)聯(lián)圍，面積24.96km2，東南部屬大南聯(lián)圍，面積7.37km2，五鄉(xiāng)聯(lián)圍北側(cè)自西而東緊鄰雞鴉水道，南側(cè)自西而東臨小欖水道。雞鴉水道流經(jīng)阜沙鎮(zhèn)長(zhǎng)度8.9km；大南聯(lián)圍位于小欖水道北部。鎮(zhèn)區(qū)小欖水道流經(jīng)阜沙鎮(zhèn)長(zhǎng)度2.9km。

阜沙鎮(zhèn)附近的水文測(cè)站主要有鶯哥咀站、小欖(二)站、馬鞍站、橫門(mén)站、東河水閘站，其中鶯哥咀站、小欖站、馬鞍站、橫門(mén)站是國(guó)家級(jí)水文站，東河水閘站是由中山市水務(wù)局三防指揮部設(shè)立的[2]。

2 洪潮遭遇分析

2.1 外江設(shè)計(jì)水位

本項(xiàng)目的外河設(shè)計(jì)水位是以《中山市主要閘、涵設(shè)計(jì)洪潮水面線計(jì)算》為基礎(chǔ)，利用鄰近鶯哥咀、小欖、馬鞍、東河等地水位數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出各站點(diǎn)低潮水位、多年潮水位以及高潮水位，見(jiàn)表1。根據(jù)本區(qū)各外江水閘與鶯哥咀、小欖(二)、馬鞍、東河站的距離，可插值計(jì)算得各外江水閘特征潮水位。

表1 各站特征潮水位 單位：m

2.2 洪潮遭遇分析

2.2.1遭遇分析

由于匯水區(qū)各河段均無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，且區(qū)域洪水均以雨量為依據(jù)，故用匯水區(qū)的暴雨流量與外江洪水進(jìn)行遭遇分析。由于距離本項(xiàng)目最近的馬鞍水文站沒(méi)有雨量觀測(cè)資料，因此本工程選用橫門(mén)站為遭遇分析的參證站[3]。降雨量資料采用橫門(mén)站，外江洪潮水位選用該站潮水位觀測(cè)資料。

統(tǒng)計(jì)橫門(mén)站年最大24h暴雨量與發(fā)生暴雨相應(yīng)時(shí)間的橫門(mén)站外江日內(nèi)最高洪潮水位，從安全考慮，取相應(yīng)日與前后2d的日最高洪潮水位作為最高洪潮水位[4]；取相應(yīng)日及前、后兩日的日降雨量最大值作為相應(yīng)日降雨量[5]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制內(nèi)洪與外洪的相關(guān)圖，如圖1—2所示，從圖1—2可以看出內(nèi)洪、外洪(潮)相關(guān)點(diǎn)據(jù)散亂，兩者可視為互相獨(dú)立的事件，故可采用統(tǒng)計(jì)方法確定內(nèi)洪與外洪遭遇關(guān)系。

圖1 內(nèi)洪為主與相應(yīng)外江洪水相關(guān)圖

圖2 外洪為主與圍內(nèi)相應(yīng)洪水相關(guān)圖

在遭遇分析中，有兩類抽樣：一是總體抽樣；二是剔除平均以下年份的短序列樣本，也就是豐水年樣本[6]。

在統(tǒng)計(jì)方法上，兩種抽樣都可進(jìn)行水文分析。一是“相應(yīng)值”的多年平均值，這一數(shù)值與“為主值”相遇的概率最高，且組合結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)超頻，是一個(gè)比較合理的選擇；二是將“相應(yīng)值”從大到小進(jìn)行排序取在20%左右的“相應(yīng)值”該方法所遇到的“為主值”概率比較低，所以，組合結(jié)果可能會(huì)超頻，但為了安全起見(jiàn)，可以在分析洪水和潮汐遭遇時(shí)使用[7]。

(1)方案Ⅰ：圍內(nèi)洪水為主

1)歷年相應(yīng)日最高洪潮水位的多年平均值；

2)舍棄在相應(yīng)日最高洪水水位20%左右的年份，以剩余年份對(duì)應(yīng)的日最高洪水水位最大值為基準(zhǔn)；

3)豐水年份的相應(yīng)日最高洪潮水位的多年平均值，橫門(mén)站年最大24h降雨量均值為170mm，豐水年份即為年最大24h降雨量大于170mm的年份；

4)放棄相應(yīng)日在豐水年份最高洪水水位20%左右的年份，并以剩余年份對(duì)應(yīng)的日最高洪水水位最大值為基準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 與橫門(mén)站年最大24h暴雨相應(yīng)日最高水位統(tǒng)計(jì)表 單位：m

從表2可以看出：豐水樣本的相應(yīng)洪潮水位均值比總體樣本略大，說(shuō)明兩者不存在正反比關(guān)系，故采用總體樣本的多年平均值作為設(shè)計(jì)值比較合適，從安全考慮可采用5年一遇相應(yīng)日洪潮水位進(jìn)行復(fù)核。故將相應(yīng)值排頻，采用矩法估算參數(shù)。根據(jù)矩法估算的頻率參數(shù)，采用正偏態(tài)進(jìn)行適線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 與橫門(mén)站年最大24h暴雨相應(yīng)日最高水位頻率計(jì)算表

綜上所述，圍內(nèi)洪水為主時(shí)，橫門(mén)水文站相應(yīng)外江洪水設(shè)計(jì)值采用相應(yīng)日5年一遇最高洪潮水位1.50m，復(fù)核值采用10年一遇相應(yīng)日最高洪潮水位1.68m。

(2)方案Ⅱ：外江洪水為主

1)歷年橫門(mén)站相應(yīng)日降雨量的多年平均值；

2)約80%年份橫門(mén)站相應(yīng)日降雨量最大值。即舍棄約20%橫門(mén)站相應(yīng)日降雨量大的年份，取其余年份相應(yīng)日降雨量最大值；

3)豐水年份的橫門(mén)站相應(yīng)日降雨量的多年平均值，豐水年份即指外江年最高洪潮水位大于多年平均最高洪潮水位的年份；

4)約80%豐水年份相應(yīng)日降雨量的最大值，即舍棄約20%豐水年份的相應(yīng)日降雨量，取其余豐水年份該站相應(yīng)日降雨量的最大值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 與橫門(mén)站年最高洪潮水位相應(yīng)日降雨量統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

采用矩法估算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，適線確定圍內(nèi)相應(yīng)日暴雨量頻率計(jì)算成果，見(jiàn)表5。

表5 與橫門(mén)站年最高洪潮水位相應(yīng)日降雨量頻率計(jì)算表

從表5可知，橫門(mén)站相應(yīng)日P=10%設(shè)計(jì)暴雨值為76.69mm，大于表4中相應(yīng)日年最高潮水位均值80%年份的最大相應(yīng)日降雨量47.2mm，說(shuō)明相應(yīng)日P=10%設(shè)計(jì)暴雨76.69mm安全、合理。

2.2.2遭遇分析結(jié)論

從以內(nèi)洪為主、遭遇外潮水位和以外潮為主、遭遇內(nèi)河相應(yīng)洪水的計(jì)算分析可知，出現(xiàn)10年一遇的大暴雨相遇相應(yīng)日5年一遇外潮情形的可能性不大，但也存在一定的遭遇可能性。從工程安全角度考慮，計(jì)算10年或20年一遇暴雨時(shí)，外潮水位宜取相應(yīng)日5年一遇水位。從以上的分析可知，在以內(nèi)洪為主的情況下，橫門(mén)站“相應(yīng)日”5年一遇水位為1.50m；在外潮占主導(dǎo)地位的情況下，24h最大暴雨達(dá)到76.69mm。珠江河口的潮汐是一種不規(guī)則的半日潮，每天漲潮兩次，在外江的洪水占主導(dǎo)地位時(shí)，圍內(nèi)降雨量較少，且經(jīng)過(guò)河槽和土壤蓄滯作用后，內(nèi)洪量較小，可在落潮時(shí)排出；而以圍內(nèi)洪水為主時(shí)，降雨量大，洪水峰值高、水量大，加上外江潮水頂托，對(duì)圍內(nèi)造成的影響相對(duì)嚴(yán)重，因此后續(xù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)選擇內(nèi)洪為主、外江潮水相應(yīng)情況。

3 設(shè)計(jì)暴雨

3.1 自排和電排分區(qū)

阜沙鎮(zhèn)排澇形式有水閘自排和泵站抽排兩種情況，自排時(shí)，按自排區(qū)域劃分排水面積，電排時(shí)全鎮(zhèn)按一個(gè)整體考慮。見(jiàn)表6。

表6 阜沙鎮(zhèn)自排分區(qū)劃分表

根據(jù)區(qū)域地形、水系特點(diǎn)并結(jié)合水閘排水情況，在自排情況下，自排區(qū)域按以下幾個(gè)原則劃分：①以各外排水閘相連的河涌作為各分區(qū)的中心排水渠道；②以地形高點(diǎn)、公路、山脊線為邊界；③以閉合的聯(lián)圍；④當(dāng)無(wú)公路、山脊線、閉合區(qū)域時(shí)，相鄰2個(gè)自排區(qū)域以河涌過(guò)流能力劃分[8]。根據(jù)以上幾個(gè)原則，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，自排時(shí)，擬分為8個(gè)片區(qū)，合計(jì)總面積37.28km2。其中1區(qū)、8區(qū)屬東鳳鎮(zhèn)的區(qū)域，排區(qū)總面積4.01km2；2區(qū)到7區(qū)自排總面積33.27km2，其中阜沙鎮(zhèn)32.3km2，港口鎮(zhèn)0.97km2。自排區(qū)域劃分情況見(jiàn)表6。

考慮未來(lái)阜沙鎮(zhèn)會(huì)在新開(kāi)涌下游新建南強(qiáng)閘、在牛角涌和排灌站河交匯口建牛角涌節(jié)制閘，屆時(shí)阜沙鎮(zhèn)將自成排水體系，因此電排時(shí)按本鎮(zhèn)在五鄉(xiāng)聯(lián)圍和大南聯(lián)圍的圍內(nèi)面積進(jìn)行分區(qū)，總排澇面積32.30km2。

3.2 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)廣東省水利廳2003年編寫(xiě)的《廣東省暴雨徑流查算圖表》的使用手冊(cè)(下文簡(jiǎn)稱《查算手冊(cè)》)，對(duì)此次設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行了計(jì)算分析。根據(jù)廣東省水利廳2003年發(fā)布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》，可得到阜沙鎮(zhèn)各歷時(shí)暴雨參數(shù)Ht、Cv值和Cs值。

再根據(jù)阜沙鎮(zhèn)電排區(qū)或水閘自排區(qū)域的集水面積F，查出αt，則可求得阜沙鎮(zhèn)自排區(qū)域不同頻率下的最大1、6、24、72h的設(shè)計(jì)面暴雨值。設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果見(jiàn)表7。

表7 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表

4 設(shè)計(jì)洪水

阜沙鎮(zhèn)的外河洪水以西江、北江為主，經(jīng)過(guò)上游佛山市三水區(qū)思賢滘天然調(diào)節(jié)，重新分配組合后，從磨刀門(mén)和橫門(mén)等口門(mén)排入外海。阜沙鎮(zhèn)的內(nèi)河洪水主要由暴雨形成。其中臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暴雨所形成的洪水最大，若此時(shí)遭遇外江高潮位，形成頂托，造成的內(nèi)澇最為嚴(yán)重，因此需要對(duì)該地區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算。

4.1 各自排區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

由于阜沙鎮(zhèn)地形平坦，河道縱橫，沒(méi)有明顯的分水嶺，因此很難精確地確定主要河段的長(zhǎng)度和坡度。因此考慮將阜沙鎮(zhèn)劃分為8個(gè)自排區(qū)(其中1區(qū)和8區(qū)是東鳳鎮(zhèn)的面積)來(lái)計(jì)算各自排區(qū)的設(shè)計(jì)洪峰流量，具體見(jiàn)表6。以此為依據(jù)，計(jì)算各自排區(qū)內(nèi)水閘、河涌的設(shè)計(jì)洪峰流量。

除7區(qū)外其他各自排區(qū)的集雨面積都在10km2以下，計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法[10]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 自排區(qū)洪峰流量計(jì)算成果

4.2 各公共河涌及水閘設(shè)計(jì)洪峰流量

各自排區(qū)水閘設(shè)計(jì)流量確定方法如下：

根據(jù)河道測(cè)量資料，首先統(tǒng)計(jì)各自排區(qū)所有內(nèi)排和外排水閘對(duì)應(yīng)河涌寬度及各區(qū)河涌總寬度，然后計(jì)算各水閘對(duì)應(yīng)河涌占該自排區(qū)河道總寬度的比例，各內(nèi)排和外排閘設(shè)計(jì)流量按該比例進(jìn)行分配。

公共河涌和水閘設(shè)計(jì)流量確定方法：根據(jù)上述方法確定的各內(nèi)排節(jié)制閘排入各公共河涌的設(shè)計(jì)洪峰流量，再加上1區(qū)、7區(qū)(東鳳鎮(zhèn))排入阜沙鎮(zhèn)的澇水，各河涌設(shè)計(jì)流量按自身河寬占水閘需要排除的幾條河涌總寬度的比例進(jìn)行分配。

4.3 泵站工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

4.3.1地類統(tǒng)計(jì)

根據(jù)阜沙鎮(zhèn)1/10000地形圖和中山市阜沙鎮(zhèn)總體規(guī)劃，遠(yuǎn)期城鎮(zhèn)建設(shè)用地占該鎮(zhèn)總面積的64.7%，河涌占地約4.33%，水田、魚(yú)塘、經(jīng)濟(jì)作物占30.97%，其中水田、魚(yú)塘的比例參照該鎮(zhèn)歷年農(nóng)作物統(tǒng)計(jì)資料確定。地類統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表9。

表9 地類統(tǒng)計(jì)情況表 單位：km2

4.3.2設(shè)計(jì)洪量計(jì)算

(1)扣損法

參考珠江三角洲區(qū)域制定的扣損值和蓄滯水深經(jīng)驗(yàn)值[11]，得出城鎮(zhèn)道路、綠地扣損值以及魚(yú)塘、農(nóng)田蓄滯水深分別為2、3、100mm。利用以上所確定的地類面積、損失值、蓄滯值，以本區(qū)10年、20年一遇的最大24h的設(shè)計(jì)暴雨為基準(zhǔn)，用扣損法可計(jì)算出該區(qū)10年、20年一遇的設(shè)計(jì)產(chǎn)水量。

(2)徑流系數(shù)法

參考珠江三角洲區(qū)域制定的各地類徑流系數(shù)[12]得出本區(qū)域的城鎮(zhèn)道路徑流系數(shù)為0.9、河涌、魚(yú)塘、農(nóng)田三類徑流系數(shù)采用1.0，經(jīng)濟(jì)作物及綠地的徑流系數(shù)法采用0.7，魚(yú)塘、農(nóng)田蓄滯水深為100mm。根據(jù)確定的徑流系數(shù)和地類面積，按10年一遇最大24h設(shè)計(jì)暴雨，可計(jì)算出10年、20年一遇設(shè)計(jì)產(chǎn)水量。表10為扣損法和徑流系數(shù)法的成果統(tǒng)計(jì)表。

表10 泵站工程設(shè)計(jì)洪量成果對(duì)照表

由表10可知，扣損法和徑流系數(shù)法的10年一遇設(shè)計(jì)洪量分別為695.24萬(wàn)m3和611.50萬(wàn)m3，20年一遇設(shè)計(jì)洪量分別為733.72萬(wàn)m3和740.79萬(wàn)m3，兩種方法的計(jì)算結(jié)果十分接近。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)洪潮遭遇分析，從工程安全角度考慮，計(jì)算10年或20年一遇暴雨時(shí)，外潮水位宜取相應(yīng)日5年一遇水位，珠江三角洲地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇內(nèi)洪為主、外江潮水相應(yīng)情況，另外通過(guò)廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)阜沙鎮(zhèn)進(jìn)行了各自排區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算；采用扣損法和徑流系數(shù)法對(duì)泵站工程設(shè)計(jì)洪量成果對(duì)比分析，兩種方法的計(jì)算結(jié)果十分接近。本文的計(jì)算分析方法和成果可為珠江三角洲流域類似地區(qū)以及阜沙鎮(zhèn)后期水利規(guī)劃建設(shè)提供參考。