設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線新型計(jì)算方法在防洪排澇中的應(yīng)用研究

仲維政，張超凡，張 軍

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.浙江大學(xué)港口海岸與近海工程研究所，浙江 杭州 310002；3.無(wú)錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214001）

設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線新型計(jì)算方法在防洪排澇中的應(yīng)用研究

仲維政1，張超凡2，張 軍3

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.浙江大學(xué)港口海岸與近海工程研究所，浙江 杭州 310002；3.無(wú)錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214001）

外江（海）潮水位過(guò)程對(duì)河口濱海地區(qū)的防洪排澇影響較大，在該類規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要確定承泄區(qū)合適的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程。介紹了1種關(guān)于設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線的計(jì)算方法，并在浙江省鰲江下游平原地區(qū)排澇規(guī)劃得到應(yīng)用。設(shè)計(jì)表明，該方法簡(jiǎn)潔高效，計(jì)算的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線有較好的實(shí)用性，達(dá)到預(yù)期效果，滿足防洪排澇設(shè)計(jì)的要求。

防洪排澇；潮型；潮位過(guò)程線；計(jì)算方法

1 問(wèn)題的提出

近幾十年來(lái)，由于極端氣候不斷加劇，臺(tái)風(fēng)暴雨等往往會(huì)造成地區(qū)澇災(zāi)，骨干河道超過(guò)警戒水位，這種情況下盡快排水是解決內(nèi)澇問(wèn)題的主要方法與手段。河口濱海地區(qū)的承泄區(qū)多為外?；蚋谐焙佣?，其潮水位過(guò)程是完成排澇水的必要條件之一。在我國(guó)，河口濱海地區(qū)多位沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，一旦形成澇災(zāi)將造成社會(huì)與經(jīng)濟(jì)巨大損失。在感潮河段或承泄區(qū)為外海的防洪排澇規(guī)劃及相關(guān)工程設(shè)計(jì)中，結(jié)合當(dāng)?shù)厮男蝿?shì)，一般考慮在設(shè)計(jì)的偏不利的潮水位過(guò)程等邊界條件下進(jìn)行相關(guān)的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。目前設(shè)計(jì)潮位過(guò)程的分析研究開展還不充分，工程設(shè)計(jì)中常用的幾種方法還存在不同程度的缺陷[1]，為此，分析研究一種較為可靠的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程計(jì)算方法很有必要。

2 現(xiàn)有方法研究

設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線是具有一定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)（頻率）的潮位過(guò)程，一般作為設(shè)計(jì)條件下河口濱海地區(qū)河流、泥沙等水動(dòng)力模型的下邊界。一般防洪防潮工程主要采用高潮位作為控制性因素，排澇工程則根據(jù)設(shè)計(jì)的排澇工程類型選擇低潮位或者高潮位作為控制性條件。潮差反映出了潮汐動(dòng)力 的強(qiáng)弱的信息，不同的潮差對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)和建筑物附近的沖刷也會(huì)產(chǎn)生不同的影響[2]。

設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線是在選擇典型的實(shí)測(cè)潮位過(guò)程線的基礎(chǔ)上以設(shè)計(jì)元素為控制進(jìn)行后處理。設(shè)計(jì)潮水位過(guò)程線應(yīng)采用設(shè)計(jì)潮水位控制，修勻典型潮水位過(guò)程線的方法推求[3]。目前，設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線的推求有以下方法：

2.1 同倍比放大法

現(xiàn)行設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線采用的最廣泛的一種方法，也是規(guī)范推薦的方法[3]，該方法以某控制潮水位為控制，用設(shè)計(jì)潮水位與典型潮型的相應(yīng)值之比作為計(jì)算系數(shù)，用該系數(shù)放大或縮小典型潮水位過(guò)程。該方法又成為“同倍比放大法”，在應(yīng)用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：當(dāng)用高潮水位控制典型潮位過(guò)程時(shí)，該典型潮位將會(huì)出現(xiàn)兩極分化，在低潮與高潮位同為正直的時(shí)，低潮水位同樣將被放大；當(dāng)?shù)湫统蔽贿^(guò)程中有與高潮位相反的負(fù)值的時(shí)候，放大系數(shù)將“降低”低潮水位，片面的擴(kuò)大潮差，不能反映真正的設(shè)計(jì)潮水位過(guò)程。相反，用低潮水位控制潮潮位過(guò)程的時(shí)候，高潮水位的設(shè)計(jì)值將出現(xiàn)問(wèn)題。同倍比放大法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程見表1。

表1 同倍比放大法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程表

2.2 差別“倍比”放大法

考慮到同倍比放大計(jì)算設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線的種種缺陷，對(duì)其進(jìn)行了改良。在以設(shè)計(jì)高潮位控制放大為設(shè)計(jì)高潮位的同時(shí)典型低潮位維持不變，高低潮位之間各時(shí)刻潮位的放大倍比則按高潮位放大倍比與低潮位放大倍比（此時(shí)為1.0）之間線性插值，推求各時(shí)刻的放大倍比后得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線。同理，按低潮位求倍比縮放時(shí)，維持高潮位不變，其它放大倍比同前插值取得。

該方法的低潮位設(shè)計(jì)值與實(shí)際情況相悖，無(wú)法反映出真實(shí)的潮位變化情況。同樣，在按低潮位控制時(shí)，高潮位值失真，出現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，出現(xiàn)了相同的高（低）潮位[1]。差別倍比放大法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程見表2。182.95 1.183.49 293.25 1.193.88 3103.07 1.193.64 4112.68 1.173.14 5121.64 1.131.86 6130.72 1.100.80 714- 0.06 1.07- 0.06 815- 0.57 1.06- 0.60 916- 0.91 1.04- 0.95 1017- 1.09 1.04- 1.13 1118- 1.21 1.03- 1.25 12190.88 1.110.98 13202.44 1.162.84 14213.60 1.214.34 15224.05 1.224.95 16233.71 1.21 4.49 17243.08 1.19 3.66

表2 差別倍比放大法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程表

2.3 潮位潮差同頻率法

該方法是對(duì)選用的典型潮位過(guò)程線采用高潮位（或低潮位）和潮差2個(gè)要素同頻率控制放大，使放大后的高潮位（或低潮位）和潮差分別等于設(shè)計(jì)高潮位（或設(shè)計(jì)低潮位）和設(shè)計(jì)潮差。

選用設(shè)計(jì)漲潮潮差來(lái)確定設(shè)計(jì)高潮位前的低潮位，用設(shè)計(jì)落潮潮差來(lái)確定設(shè)計(jì)高潮位隨后的低潮位；當(dāng)以設(shè)計(jì)低潮位控制時(shí)，以設(shè)計(jì)落潮潮差和設(shè)計(jì)漲潮潮差來(lái)分別確定此設(shè)計(jì)低潮位前后的2個(gè)高潮位。確定了設(shè)計(jì)高（低）潮位及其前后相鄰的2個(gè)低（高）潮位后，根據(jù)典型潮位過(guò)程線上各時(shí)刻潮位與低潮位的差值占整個(gè)潮差的比例來(lái)推算設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線各時(shí)刻相應(yīng)數(shù)值，再加上設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線相應(yīng)的低潮位，即得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線[1]。

該方法有個(gè)假設(shè)前提：高（低）潮位與潮位差的發(fā)生或出現(xiàn)時(shí)同頻率事件，但是在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中，發(fā)生一定頻率的設(shè)計(jì)高低潮位并不意味著出現(xiàn)相應(yīng)頻率的潮位差。根據(jù)劉學(xué)、褚玉良等研究表明，按該方法計(jì)算將有可能加大潮位差，由潮位差計(jì)算出的相應(yīng)高低潮位將同樣增大或減少到較不尋常的水平，如：在實(shí)際的臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮過(guò)程，低潮位也會(huì)相應(yīng)的抬升，對(duì)于該方法得到的較為極端的低潮水位的過(guò)程線一般屬于有利于排澇的工況，不能反映出防洪排澇計(jì)算中的偏不利設(shè)計(jì)工況。潮位潮差同頻率法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程見表3。

表3 潮位潮差同頻率法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程表

2.4 潮位潮差頻率改進(jìn)法

由 Copula 函數(shù)，建立年最高潮位和年最大潮差的聯(lián)合分布模型。通過(guò)Copula函數(shù)建立年最高潮位和年最大潮差的聯(lián)合分布，在計(jì)算分析重現(xiàn)期的基礎(chǔ)上，利用聯(lián)合分布的同現(xiàn)重現(xiàn)期提出1種以高潮位為控制要素的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線推求方法[4]。

該方法與同頻率法有類似之處，將最高潮位作為控制性因素，考慮了最高潮位與潮差同時(shí)發(fā)生的概率，對(duì)同頻率計(jì)算方法進(jìn)行了改良，該法更多的是針對(duì)設(shè)計(jì)潮位，設(shè)計(jì)潮位差計(jì)算，其潮位過(guò)程線計(jì)算方法與同頻率法無(wú)異。

根據(jù)研究資料顯示，在部分感潮河道，最高潮位與潮差的組合是兩相對(duì)獨(dú)立性事件，兩者的相關(guān)性較差；該方法相比較同頻率法，無(wú)視了潮位漲潮落潮的潮位差的各異，漲潮落潮超差均采用相同的設(shè)計(jì)潮差與實(shí)際不太符合。潮位潮差的改進(jìn)法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程見表4。

表4 潮位潮差的改進(jìn)法推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程表

3 新計(jì)算方法

防洪排澇工程有別，對(duì)于防洪擋潮功能的工程而言，堤防或者海塘（堤）主要設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)高潮位，目的是使得工程能夠預(yù)防一定重現(xiàn)期的外江（海）潮水[5]；但是對(duì)于排澇規(guī)劃或工程來(lái)說(shuō)，其主要任務(wù)是盡可能花費(fèi)最小的代價(jià)將澇水盡快排出，排水過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)程，同樣，作為外部條件的外江（海）潮水位也不是一成不變的，其整個(gè)過(guò)程的潮水位變化十分重要，而不是由某個(gè)高低潮水位獨(dú)立控制。為此，設(shè)計(jì)潮位過(guò)程非常重要，設(shè)計(jì)潮位過(guò)程多采用偏不利潮型。

典型偏不利的潮位進(jìn)行設(shè)計(jì)，要同時(shí)考慮最高潮水位與最低潮水位以及出現(xiàn)的概率，但是又對(duì)排澇偏不利的潮型，其能夠反映出大多數(shù)情況下不利于排水的工況。

上述的幾種方法均有各自的優(yōu)勢(shì)，但是出現(xiàn)的問(wèn)題各有不同。如何選擇更加合理的方式，此處提出了設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線的新計(jì)算方法，該方法為上述同倍比與同頻率方法的結(jié)合版本，在方法計(jì)算中力求簡(jiǎn)潔。

首先，通過(guò)長(zhǎng)系列潮水位觀測(cè)值選擇典型潮型，對(duì)典型潮型進(jìn)行必要的修正。

其次，以高潮位或者低潮位進(jìn)行控制，按以下公式對(duì)典型潮位過(guò)程進(jìn)行計(jì)算：

式中：Hi為i時(shí)刻典型潮水位（m）；H為典型潮水位過(guò)程的平均潮水位（m）；Hp，i為p頻率下i時(shí)刻設(shè)計(jì)潮水位（m）；kp，1為p頻率下設(shè)計(jì)高潮水位與典型特征潮水位的比值。

式中：Hmax為典型潮水位的最高水位值（m）；kp，2為p頻率下典型特征潮水位與設(shè)計(jì)潮水位的比值。

式中：Hmin為典型潮水位的最低水位值（m）。最大（?。┨卣鞒蔽恍枰M(jìn)行人工修正。

4 實(shí)例中的應(yīng)用

鰲江下游平原位置示意見圖1。

圖1 鰲江下游平原位置示意圖

鰲江河口附近及蒼南縣沿海海域?yàn)榘肴粘眳^(qū)，是我國(guó)顯著的強(qiáng)潮海區(qū)之一。據(jù)鰲江水文站觀測(cè)資料，多年平均潮位0.86 m，多年潮差漲落影響甚微而間隙時(shí)間則低潮比高潮大1倍；漲落歷時(shí)，落潮比漲潮大1倍。

鰲江下游江南垟平原鰲江平原的澇水均由暴雨形成，位于鰲江河口地區(qū)，排水受到潮汐頂托影響。洪澇外排速度與下游潮位變化關(guān)系密切。南垟平原的洪水主要通過(guò)水閘外排入鰲江和東海，受潮位頂托作用，澇水常不能及時(shí)排出，產(chǎn)生淹沒(méi)。若遇到外江高潮位，頂托時(shí)間長(zhǎng)，澇災(zāi)時(shí)間延長(zhǎng)，損失加重。

鰲江潮位站有自1958 — 2009年52 a的潮位觀測(cè)資料，實(shí)測(cè)最高潮位4.80 m，最低潮位- 2.44 m，多年平均高潮位2.57 m，平均低潮位- 1.68 m，平均潮位0.41 m，平均潮差4.27 m，平均漲潮歷時(shí)4.26 h，平均落潮歷時(shí)8.18 h。實(shí)測(cè)潮位資料鰲江站歷年實(shí)測(cè)最高潮位過(guò)程見圖2。鰲江站潮汐特征值見表5。

圖2 鰲江站歷年最高潮位過(guò)程線圖

表5 鰲江站潮汐特征值表

以鰲江的感潮河段的外江潮位過(guò)程計(jì)算為例，外江潮位過(guò)程的設(shè)計(jì)工況是排澇規(guī)劃工程關(guān)注的要點(diǎn)，是排澇能力設(shè)計(jì)的控制性條件，設(shè)計(jì)出符合本地區(qū)的偏不利的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程，力求平原排澇工程效果良好并經(jīng)濟(jì)。

實(shí)測(cè)潮位資料鰲江站歷年實(shí)測(cè)最高潮位過(guò)程見圖2。2013年10月7日0點(diǎn)25分時(shí)，鰲江潮位站實(shí)測(cè)潮水位5.22 m，為建國(guó)以來(lái)實(shí)測(cè)最高值，超歷史實(shí)測(cè)最高水位0.42 m（1992年）。

根據(jù)沿海排澇潮型比較分析，設(shè)計(jì)排澇潮型主要選用平均偏不利的典型潮型。規(guī)劃排澇計(jì)算出口斷面的潮型，就近按依據(jù)站的實(shí)測(cè)典型潮位過(guò)程作適當(dāng)修正后移用。通過(guò)大量實(shí)測(cè)資料的分析比較，經(jīng)分析后鰲江站選取1990年8月19 — 22日實(shí)測(cè)潮型，其最高潮位4.05 m，其重現(xiàn)期相當(dāng)于2 a一遇，典型潮型高低潮特征值表見表6。

根據(jù)沿海排澇潮型比較分析，設(shè)計(jì)排澇潮型主要選用平均偏不利的典型潮型。規(guī)劃排澇計(jì)算出口斷面的潮型，就近按依據(jù)站的實(shí)測(cè)典型潮位過(guò)程作適當(dāng)修正后移用。通過(guò)實(shí)測(cè)資料的分析比較，經(jīng)分析后鰲江站選取1990年8月19 — 22日實(shí)測(cè)潮型，其最高潮位4.05 m，其重現(xiàn)期相當(dāng)于2 a一遇，典型潮型高低潮特征值表見表6，潮位過(guò)程見表7。注：此處海潮為半日潮，高、低潮位各出現(xiàn)2次/d。

表6 典型潮型高低潮位特征值表

表7 典型潮位過(guò)程線表

以典型潮位過(guò)程推求5%的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線為例，得出采用其他設(shè)計(jì)方法所推求的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線見圖3（截選8 — 24 h）。

圖3 不同方法推算的潮位過(guò)程線圖

從圖3可以看出，由于采用設(shè)計(jì)高潮位控制，主要差別在于低潮位，5種方法中，同倍比方法與潮位超差同頻率的方法最低潮位均很低，其數(shù)值偏低，結(jié)果偏安全，不能反映出設(shè)計(jì)的偏不利條件，改良后的倍比方法，低潮位基本與典型潮位一致，潮位潮差頻率改進(jìn)法則在個(gè)別低潮位偏高，狀態(tài)太過(guò)不利，在滿足工程目標(biāo)的同時(shí)會(huì)增大規(guī)模工程，影響經(jīng)濟(jì)效益。本次經(jīng)驗(yàn)公式在將設(shè)計(jì)潮型分成上下2個(gè)半?yún)^(qū)的低潮位能夠得到有效控制，不至于發(fā)生太大或者太小的問(wèn)題，避免出現(xiàn)極端，具有一定的參考意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)潮位過(guò)程的方法研究較少，目前常用的一些方法均有各自缺點(diǎn)，同倍比或同頻率法在計(jì)算成果容易失真，容易造成工程規(guī)模增大或減少。提出1種新型設(shè)計(jì)潮位過(guò)程的計(jì)算方法，該方法在計(jì)算過(guò)程中能夠得到較為可靠的計(jì)算成果，能夠達(dá)到工程設(shè)計(jì)的效果。設(shè)計(jì)潮位的計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)之一在于選擇參照站點(diǎn)的典型潮位，典型潮位的確立必須反映出防洪排澇工作的實(shí)際情況，以有利于發(fā)揮工程經(jīng)濟(jì)與效益。典型潮位過(guò)程的選擇在實(shí)際工程中，根據(jù)暴雨洪水與最高潮位的時(shí)間遭遇分析，對(duì)典型潮位過(guò)程（潮型）略作修正后作為設(shè)計(jì)潮型。

[1] 陳靜.設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線及其推求[J].水文，2012，32(3)：47 - 50.

[2] 馬志鑫,杜明球,黃世昌,等.浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定[R].杭州：浙江省水利廳，1999.

[3] 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.DLT 5431 — 2009水電水利工程水文計(jì)算規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4]劉學(xué)，諸裕良.基于Copula函數(shù)推求設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45(2)：243 - 247.

[5] 中華人民共和國(guó)水利部.GB 50286 — 2014堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

The New Calculation Method of Design Tide Process is Applied Research in the Flood Protection and Storm Drainage

ZHONG Wei - zheng1，ZHANG Chao - fan2，ZHANG Jun3
(1. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang， China；2. Zhejiang University Institute of Port，Coastal and Offshore Engineering，Hangzhou 310002，Zhejiang， China；3. Wuxi Research Center for Environmental Sciences and Engineering，Wuxi 214001，Jiangsu，China)

The tide process infl uences the fl ood control and drainage in the tidal river mouth and coastal region，so it is necessary to determine the suitable design tide process of the drainage receiver.There are few studies about the design tide process，and we proposed an experience formula which is suitable for the fl ood control and drainage.This method has been applied in drainage planning of the Aojiang plains in Zhejiang Province. The result indicates that the method is concise and effi cient；the design tide process obtained by this method is practical and achieves the desired effect which meets the requirements of fl ood control and drainage design.

flood control and waterlogging prevention；tide type；tidal level process；the calculation method

TV131.4

A

1008 - 701X(2017)02 - 0003 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.002

2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40231017）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（2120101110108）。

仲維政(1983 - )，男，工程師，碩士，主要從事水文及規(guī)劃工作研究。