城市洪水計(jì)算方法探討

李滿剛

(運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 運(yùn)城 044000)

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化建設(shè)步伐越來越快,建設(shè)水平也越來越高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)資料表明,2006年,我國(guó)東、中、西部等發(fā)達(dá)地區(qū)的城市化水平已分別達(dá)到了54.6%、40.4%和35.7%,其中最高的東部沿海城市上海,其城市化水平已高達(dá)88.7%;其次是北京和天津,其城市水平分別為84.3%和75.7%。城市化水平的提高一方面推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,但同時(shí)也帶來了地區(qū)人口密度的急劇加大,城市生態(tài)環(huán)境條件被破壞,進(jìn)而引起局部氣候和城市水循環(huán)條件發(fā)生變化,城市防洪排澇問題日顯突出[1-2]。結(jié)合城市發(fā)展的實(shí)際情況,對(duì)城市現(xiàn)有的防洪工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固,有針對(duì)性的新建防洪工程以完善城市綜合防洪體系,已成為當(dāng)前城市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員研究的一個(gè)重要內(nèi)容。計(jì)算城市洪水洪峰流量是確定城區(qū)小匯水范圍內(nèi)防洪水工建筑物斷面尺寸的主要依據(jù)。當(dāng)前,我國(guó)絕大部分城市小匯流區(qū)域一般沒有實(shí)測(cè)的河川徑流資料,在進(jìn)行防洪水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí),所需的設(shè)計(jì)洪峰流量一般按照暴雨資料來間接推求。城市小匯水面積的洪水計(jì)算方法有水利部門和城鄉(xiāng)建設(shè)部門頒發(fā)的兩套計(jì)算方案,其中水利部頒發(fā)的文件中,城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算主要采用水科院水文所的推理公式法(全稱:水利部中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水文研究所公式法)和經(jīng)驗(yàn)公式法;而城鄉(xiāng)建設(shè)部門在城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)則采用室外排水設(shè)計(jì)流量公式法。上述幾種方法在推導(dǎo)原理、適用條件等均有很大差異,因此計(jì)算結(jié)果也會(huì)存在很大差別。本文將對(duì)上述三種方法的適用條件、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算要點(diǎn)、計(jì)算結(jié)果等進(jìn)行詳細(xì)比對(duì)分析,以期為城市小匯水區(qū)域防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供準(zhǔn)確計(jì)算參考,確保城市防洪工程設(shè)施規(guī)模具有較高的性能水平,有效完善城市防洪體系[3]。

1 區(qū)域雨洪特點(diǎn)

1.1 降雨特點(diǎn)

城市防洪設(shè)計(jì)過程中考慮的小區(qū)域降雨特性,主要指在不同降雨成因條件下,降雨所具有的時(shí)程分配和空間分布特性,主要按歷時(shí)長(zhǎng)短、降雨強(qiáng)度、以及分布均勻與否、暴雨中心移動(dòng)與否四個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行考慮。對(duì)小匯水區(qū)域而言,一般認(rèn)為降雨流域面積不是很大,即常規(guī)設(shè)計(jì)過程中,通常將暴雨分布近似按均勻分布進(jìn)行計(jì)算。但從大量實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)資料來看,小匯水區(qū)域暴雨分布呈現(xiàn)明顯非均布特性。從降雨特性來看,處于小匯水區(qū)域的暴雨呈現(xiàn)分布不均勻特性多半是由于暴雨中心位置發(fā)生移動(dòng)引起,即在進(jìn)行暴雨分析計(jì)算時(shí),其分析計(jì)算時(shí)段Δ t應(yīng)考慮到暴雨中心位移問題。對(duì)于小匯水區(qū)域的降雨,短時(shí)段暴雨面受中心偏移影響其分布是不均勻的;對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)段的暴雨而言,這種中心偏移引起的不均勻特性又會(huì)被降雨時(shí)間所均化,即暴雨面分布在長(zhǎng)時(shí)間段又相對(duì)是較均勻的[4-5]。因此,在考慮小匯水區(qū)域降雨特性時(shí),通?？梢詫ⅰ唉?t”時(shí)間段內(nèi)或主雨峰時(shí)段內(nèi)暴雨面是否處于均勻分布作為分析降雨特性的依據(jù)。

1.2 洪水特點(diǎn)

1.2.1 匯流速度快,預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難度較大

由于城市小匯水流域面積較小,其蓄滯洪的能力有限,加上洪水與暴雨間存在密切的時(shí)空分布特性,匯流速度非?？?。城市河流普遍采用分區(qū)治理方法,其小流域匯水能力通常只有幾至十幾平方公里,易產(chǎn)生驟漲驟落等現(xiàn)象,給小區(qū)域洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)帶來較大難度。

1.2.2 洪峰量大,歷時(shí)短破壞性強(qiáng)

城市小流域洪水通常表現(xiàn)洪源近、水流急、洪峰高、洪量大、歷時(shí)短、破壞性強(qiáng)等特性,在暴雨之后小區(qū)域急劇匯水極易造成城市小流域發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。如2004年～2005年兩年,四川省達(dá)州市連續(xù)兩年遭受“百年一遇”的特大洪澇災(zāi)害,其中2004年的洪水,達(dá)州市區(qū)的州河洪水位暴漲高達(dá)18.7 m,洪峰量大,破壞性極強(qiáng)[6]。

1.2.3 地質(zhì)地貌復(fù)雜,極易誘發(fā)泥石流等山地災(zāi)害

鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市由于其小匯水區(qū)域的地質(zhì)地貌情況十分復(fù)雜,加上人為破壞等因素的影響,其生態(tài)環(huán)境綜合性能十分脆弱,洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重,特別是丘陵地區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)生暴雨洪水時(shí),極易誘發(fā)泥石流、山體滑坡等山地自然災(zāi)害。同時(shí)小匯水區(qū)域的洪水影響具有局部特征,在小區(qū)域范圍內(nèi)造成房屋倒塌、城市基礎(chǔ)設(shè)施損壞、生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞等問題,災(zāi)后恢復(fù)重建工作困難重重[7]。

2 城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

2.1 水利部門小匯水區(qū)域洪峰流量計(jì)算法

目前,進(jìn)行城市防洪工程設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算時(shí),沒有一個(gè)完整系統(tǒng)的計(jì)算方法體系,但在實(shí)際城市防洪工程設(shè)計(jì)過程中,通常采用水利部中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提出的小流域洪峰流量計(jì)算公式進(jìn)行城市防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

2.1.1 推理公式法

從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知,影響城市小匯流區(qū)域面積上洪峰流量的因素十分繁多,用某一種準(zhǔn)確的計(jì)算方法或推理公式來對(duì)不同氣候條件、地形地貌、水循環(huán)特性的小流域洪水進(jìn)行定性函數(shù)描述,從理論來看是非常困難的,實(shí)際也是不可取的。水科院水文所提出的推理公式是一種基于半理論半經(jīng)驗(yàn)的近似推理公式[8]。推理公式中著重于城市防洪工程設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算,并結(jié)合暴雨洪水特性可以推求出小匯流區(qū)域某時(shí)段的洪峰流量和洪水過程線。利用推理公式法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí),主要以暴雨演變成洪水的成因?yàn)橛?jì)算基礎(chǔ),同時(shí)考慮到洪水洪峰流量的主要影響因素,在假定某些參數(shù)條件下,建立一個(gè)能夠近似估算設(shè)計(jì)洪水的推理公式,即:

式中:Qm為城市防洪工程設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);Ψ為城市河川的徑流系數(shù);Sp為暴雨降雨速率(mm/h);τ為小區(qū)域流域匯流時(shí)間常數(shù)(h);n為暴雨強(qiáng)度的遞減系數(shù);F為區(qū)域匯水面積(km2);L為城市河流主河槽長(zhǎng)度(km);m為小區(qū)域匯流參數(shù);J為城市河流主河槽平均坡降度;θ為小匯水區(qū)域集水區(qū)特征參數(shù)。

從式(1)可知,推理公式法是把城市小區(qū)域流域的產(chǎn)流和匯流等條件均化和概化后,由暴雨水流的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程相互聯(lián)解,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而推導(dǎo)出城市河流流域出口斷面的洪峰流量近似值的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

2.1.2 綜合經(jīng)驗(yàn)公式法

城市小匯水區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水綜合經(jīng)驗(yàn)公式中,最為常見的是結(jié)合城市防洪工程的實(shí)際情況,將洪峰流量與流域匯流面積間建立某種關(guān)系,有的考慮到城市所處位置的山區(qū)、丘陵和平原區(qū)別;有的則考慮下墊面植被、土壤等因素間的差異;有的則考慮洪水重現(xiàn)期、雨量等影響因素,這樣在結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上就形成了型式眾多的設(shè)計(jì)洪水經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。從眾多綜合經(jīng)驗(yàn)公式的編制依據(jù)及實(shí)際應(yīng)用效果來看,基于本地區(qū)實(shí)測(cè)洪水資料或統(tǒng)計(jì)調(diào)查分析相關(guān)洪水資料基礎(chǔ)上形成了綜合經(jīng)驗(yàn)公式,其可以直接近似反映城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水洪峰流量與其它影響因素間的相互關(guān)系[9]。設(shè)計(jì)中常用的設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:K為設(shè)計(jì)洪水洪峰流量參數(shù)。

2.2 城建部門室外排水公式法

室外排水公式法是城建部門進(jìn)行城市防洪工程規(guī)劃設(shè)計(jì)廣泛采用的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法,進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算時(shí),主要依據(jù)城市排水(雨水)規(guī)劃統(tǒng)計(jì)得到的各雨水出水口的洪峰流量,利用暴雨強(qiáng)度公式和雨水出水口規(guī)劃設(shè)計(jì)流量公式聯(lián)立共同解出城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水洪峰流量,即:

式中:Q為城市防洪工程設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度〔m3/(s·hm2)〕;P為設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期間(a);t1為地面集水時(shí)間(min);t2城市泄洪渠道的洪水流行時(shí)間(min);m為折算系數(shù);A1,c,b,n為設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過程中選取的地方系數(shù)。

3 城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法選用

我國(guó)城市間水文氣象、地形地貌、地質(zhì)等條件相差較大,現(xiàn)有的城市防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法較多,要選某一種公式進(jìn)行統(tǒng)一較為困難。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算分析過程中,應(yīng)在保證一定計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求條件的基礎(chǔ)上,優(yōu)選計(jì)算不宜太繁瑣,約束參數(shù)不宜太多的計(jì)算公式,以免在近似計(jì)算過程中造成誤差累積,獲得不準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。進(jìn)行城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí),應(yīng)采用多種計(jì)算方法和途徑,分別計(jì)算設(shè)計(jì)洪水洪峰流量。通過不同計(jì)算方法結(jié)果間的相互比較印證,對(duì)提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。計(jì)算結(jié)果不能簡(jiǎn)單采用幾種方法計(jì)算結(jié)果的平均值,應(yīng)該在幾種計(jì)算結(jié)果相互印證正確的前提下,結(jié)合工程實(shí)際情況優(yōu)選最能符合城市小匯水區(qū)域的計(jì)算方法結(jié)果。對(duì)于城市小匯水區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,由于突發(fā)洪水現(xiàn)象內(nèi)部影響和約束影響因素異常繁多,遠(yuǎn)不是現(xiàn)有的各種估算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果能夠充分真實(shí)反應(yīng)的,故在進(jìn)行城市防洪工程設(shè)計(jì)時(shí),要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反復(fù)合理性論證分析后,方能用在實(shí)際防洪工程設(shè)計(jì)過程中[10]。

不管采用哪種計(jì)算方法或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算時(shí),均須對(duì)城市小匯水區(qū)域進(jìn)行實(shí)地查勘,具體內(nèi)容包括:①城市小匯水區(qū)域暴雨洪水特性調(diào)查:通過調(diào)查明確暴雨洪水的形成主要原因、暴雨洪水主要特性等特征參數(shù)。并盡量搜集完整當(dāng)?shù)貧v史發(fā)生的大洪水資料;②城市河道形態(tài)特征調(diào)查:包括河道的縱、橫斷面深度、沖蝕程度、以及河床基質(zhì)組成等形態(tài)特征信息;③流域生態(tài)環(huán)境調(diào)查:城市河道中植被種類、高度、疏密厚薄程度等生態(tài)條件,并測(cè)定當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件等;④城市防洪水利設(shè)施調(diào)查:明確河道中的防洪水工建筑物數(shù)量、類型,并查看人類活動(dòng)對(duì)暴雨洪水影響情況如違章建筑等。通過合理完善的野外查勘,可以有效補(bǔ)充城市防洪工程河道流域的第一手資料,從而在計(jì)算過程中使參數(shù)的定量和定性更加正確、合理。對(duì)于不同計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式,在使用過程中必須注意其公式邏輯結(jié)構(gòu)、適用范圍、以及需要的參變量數(shù)據(jù),同時(shí)應(yīng)充分利用城市河道已有的歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)作為印證參考,反推出更加符合城市防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)際情況的計(jì)算數(shù)據(jù),以期為城市防洪工程提供準(zhǔn)確、可靠、合理的設(shè)計(jì)洪水參考數(shù)據(jù)。

4 城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)例

為了驗(yàn)證上述3種計(jì)算方法在城市防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過程中的適用條件和正確性,選用某城市某河流作為研究對(duì)象,分別采用推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法、以及室外排水公式法對(duì)該小匯水區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 工程基本概況

一城市某小匯水區(qū)域,其計(jì)算分析斷面以上的集水區(qū)域大多屬于低山和低丘陵地帶,其區(qū)域匯水面積F=5.423 km2,城市河流主河槽長(zhǎng)度L=2.61 km,河流主河槽平均坡降度J=0.01127,小匯水區(qū)域集水區(qū)特征參數(shù) θ=11.5。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法(綜合單位線法)、以及室外排水公式法分別計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同計(jì)算方法獲得計(jì)算成果表

從表1可以看出,本工程中采用推理公式法和綜合單位線法,在不同頻率條件下,相對(duì)誤差均在10%范圍以內(nèi),能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。城建部門采用的室外排水公式法在 P=1%和P=2%條件下,與推理公式計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差也較小,分別為2.8%和5.2%,而在頻率為P=5%和P=10%條件下,其計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差就相當(dāng)大,分別為19.2%和36.6%。

從上述分析可知,室外排水公式法中所獲得洪水洪峰流量計(jì)算值受小區(qū)域洪水重現(xiàn)期頻率P的影響值非常大;對(duì)于同頻率條件下,三種計(jì)算方法所獲得的設(shè)計(jì)洪水洪峰流量值誰大誰小,主要取決于室外排水公式法中暴雨歷時(shí)長(zhǎng)度的選取值,即:水利部門所提出用的推理公式法和經(jīng)驗(yàn)公式法(綜合單位線法),比較適用于重現(xiàn)期較大的匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算領(lǐng)域;而城建部門所提出的室外排水公式法,比較適用于重現(xiàn)期較小,暴雨洪水發(fā)生較為頻繁的小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算領(lǐng)域。由于水利部和城建部提出的兩類設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法其規(guī)劃設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)有很大差異,因此兩種方法不可相互利用,也不可在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中取兩者的平均值,否則會(huì)影響到城市防洪工程的綜合造價(jià),甚至產(chǎn)生安全問題。

5 結(jié) 語

在城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過程中,無論采用哪種產(chǎn)流和匯流計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式和方法,均應(yīng)通過實(shí)地查勘等技術(shù)手段,盡量獲得本流域或附近相似流域完善準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)資料,并結(jié)合城市防洪工程的實(shí)際情況對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全方位的分析和檢驗(yàn)。洪水設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的參數(shù)值設(shè)定和選取應(yīng)根據(jù)所選用公式和方法的型式及其均化和概化條件來確定,確保觀測(cè)分析值和實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算方法相一致的原則。在洪水洪峰流量計(jì)算過程中,應(yīng)選用幾種不同的計(jì)算方法進(jìn)行相互印證,但不可簡(jiǎn)單選用幾種方法計(jì)算數(shù)據(jù)平均值,而需要通過該區(qū)域歷時(shí)洪水資料作反推印證參考,以期獲得符合城市小匯水區(qū)域設(shè)計(jì)洪水實(shí)際情況的計(jì)算方法,為城市防御小流域洪水提供準(zhǔn)確可靠的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成果。

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