基于臨界雨量指標(biāo)的廣州市荔枝灣涌水浸分析

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( 1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東廣州510630；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510630；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510630)

根據(jù)氣象、水文預(yù)報(bào)信息，預(yù)測(cè)城市河道水浸街的空間分布信息，是河道排澇整治及啟動(dòng)城市應(yīng)急預(yù)案的依據(jù)。臨界雨量法是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于判斷山洪災(zāi)害發(fā)生與否的指標(biāo)[1-4]。該指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是易于理解和被公眾接受[5-6]。由于城市排水管網(wǎng)及匯流過(guò)程的復(fù)雜性，臨界雨量指標(biāo)在城市洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警過(guò)程存在很多困難。本文以廣州城區(qū)荔枝灣涌流域?yàn)槔齕7]，把臨界雨量指標(biāo)應(yīng)用于城市防洪排澇分析及整治工程優(yōu)秀比較過(guò)程，為優(yōu)化工程布局與設(shè)計(jì)規(guī)模及為城市水浸災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

廣州市瀕臨南海，屬南亞熱帶季風(fēng)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(guān)”“荔枝灣”“水秀花香”美稱。荔枝灣涌流域水系(圖1)包括上西關(guān)涌、下西關(guān)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(cè)分別匯流上西關(guān)涌和下西關(guān)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(lái)自北江、西江和流溪河。一般流溪河洪水出現(xiàn)時(shí)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(nèi)的潮汐為不規(guī)則半日潮，且2個(gè)相鄰的高潮或低潮的潮位和潮流歷時(shí)均不相等。

荔枝灣涌流域地勢(shì)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(gè)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(tái)風(fēng)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(xué)模型

河網(wǎng)水動(dòng)力模型控制方程為：

(1)

式中x、t——距離、時(shí)間的坐標(biāo)；A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q——流量；h——水位；q——旁側(cè)入流流量；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑；α——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；g——重力加速度。

利用采用DHI MIKE11離散求解河網(wǎng)水流模型。城市河網(wǎng)大多有堰、閘等水工構(gòu)筑物，在這些構(gòu)筑物處，根據(jù)堰、閘的水力學(xué)特征作特殊處理。排澇計(jì)算模型考慮了本流域現(xiàn)狀主要的河涌。利用流域各內(nèi)河涌暴雨產(chǎn)流流量過(guò)程線作為邊界條件納入模型進(jìn)行計(jì)算，各涌產(chǎn)流均按線源處理。根據(jù)地面高程把荔枝灣流域分割為15個(gè)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(jì)其水位～庫(kù)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(guò)程。

1.3 數(shù)據(jù)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(cè)》(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(jì)算設(shè)計(jì)洪水過(guò)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(guò)程成果基本合理。

表1 荔枝灣涌設(shè)計(jì)洪峰流量對(duì)照

采用浮標(biāo)廠潮位站1994年6月25日潮位過(guò)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(shí)在本流域遭遇。

2 結(jié)果分析

2.1 模型參數(shù)選取與驗(yàn)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(jì)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(guān)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(jù)荔枝灣現(xiàn)狀河涌易澇位置現(xiàn)狀調(diào)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(diào)查結(jié)果與本模型計(jì)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(guò)程基本合理。

2.2 計(jì)算方案

本文計(jì)算包括荔枝灣涌現(xiàn)狀、整治基本方案及其改進(jìn)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(tái)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(guān)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(wèn)題，在截污閘上游埋設(shè)一條DN2000管道，經(jīng)過(guò)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(shí)，荔枝灣涌位于逢源路的水閘關(guān)閉，DN2000分流上西關(guān)片區(qū)的來(lái)水，避免逢源路上游水位上升過(guò)高導(dǎo)致內(nèi)澇。

c) 水質(zhì)過(guò)濾功能水池方案。在逢源路截污閘關(guān)閉情況下，減輕上西關(guān)涌區(qū)域的內(nèi)澇問(wèn)題的另外一個(gè)方案是雨洪調(diào)蓄功能水池方案和水質(zhì)過(guò)濾功能水池方案。雨洪調(diào)蓄功能水池方案是指在上西關(guān)涌建設(shè)調(diào)蓄水池，發(fā)生暴雨洪水時(shí)，逢源路—食養(yǎng)坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通過(guò)的流量進(jìn)入調(diào)蓄水池儲(chǔ)存，調(diào)蓄池容積為10 000 m3。由于調(diào)蓄池附近上西關(guān)涌區(qū)域最低高程為1.24 m，本模型在計(jì)算中設(shè)定當(dāng)管道水位超過(guò)管頂高程1.0 m時(shí)，雨水自上西關(guān)涌自由溢流至調(diào)蓄水池。

2.3 結(jié)果與討論

為了直觀比較不同方案的工程效果，表2統(tǒng)計(jì)了P=20%雨型等條件下出現(xiàn)荔枝灣涌流域水浸的累計(jì)降雨量(臨界雨量)?，F(xiàn)狀條件下上西關(guān)涌上支、上西關(guān)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(shí)施后，上西關(guān)涌水浸的臨界雨量提高近40 mm。表3顯示上西關(guān)涌出現(xiàn)水浸點(diǎn)的臨界雨量與中山八路渠箱進(jìn)入污水泵站水閘、中山八路渠箱溢流閘交錯(cuò)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(guò)逢源路水閘上游至下游食養(yǎng)坊之間僅靠1條D1600進(jìn)入中山八路渠箱，然后進(jìn)入污水泵站水閘。暴雨期間，為解決上西關(guān)涌區(qū)域水浸問(wèn)題，開逢源路截污閘排澇，將導(dǎo)致城市污水進(jìn)入荔枝灣涌，污染河涌環(huán)境。需要尋求逢源路截污閘關(guān)閉情況下的最優(yōu)排澇整治方案。

在逢源路截污閘關(guān)閉情況下，減輕上西關(guān)涌區(qū)域內(nèi)澇問(wèn)題方案有：①DN2000管道方案；②雨洪調(diào)蓄功能水池方案；③水質(zhì)過(guò)濾功能水池方案。

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

b) 在上西關(guān)涌建設(shè)調(diào)蓄水池，發(fā)生暴雨洪水時(shí)，逢源路—食養(yǎng)坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通過(guò)的流量進(jìn)入調(diào)蓄水池儲(chǔ)存。調(diào)蓄池容積為24 000 m3時(shí)，上西關(guān)涌流域基本滿足P=90%暴雨不受淹。在上西關(guān)涌龍津西路與逢源路交叉口附近頂管敷設(shè)DN2000雨水分流管，同時(shí)在荔灣湖建設(shè)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(jì)降雨量約152 mm時(shí)，基本滿足上西關(guān)涌不會(huì)出現(xiàn)水浸。

c) 水質(zhì)過(guò)濾功能水池方案是指建設(shè)過(guò)濾功能調(diào)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(diào)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(dāng)降雨量增大時(shí)，合流污水流入調(diào)蓄水池過(guò)濾，過(guò)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(jì)臨界量統(tǒng)計(jì) 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(shí)降雨量約為25.7 mm)；②涌?jī)?nèi)控制水位為0.4 m(珠江基面)；③中山八路渠箱溢流閘關(guān)閉。符號(hào)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(guò)濾池方案；③DN2000管方案；④連通沙基涌及建閘方案；⑤上西關(guān)涌改造工程

表3 中山八路水閘不同調(diào)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?jī)?nèi)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(shí)踐過(guò)程中，基層三防相關(guān)部門希望以類似簡(jiǎn)單的指標(biāo)，如臨界雨量作為預(yù)警指標(biāo)，以預(yù)報(bào)降雨量與臨界雨量進(jìn)行比較，預(yù)測(cè)城市水浸災(zāi)害發(fā)生與否及其嚴(yán)重程度和緊急程度，并據(jù)此發(fā)布警報(bào)信息。由于城市降雨過(guò)程非常復(fù)雜，降雨雨型不同，雨強(qiáng)也不同，臨界雨量在預(yù)報(bào)城市水浸會(huì)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(shí)踐看，不同的整治方案、調(diào)度方案，水浸點(diǎn)的臨界雨量有差異，其根本原因是排水管網(wǎng)排水能力對(duì)洪水過(guò)程的響應(yīng)。臨界降雨量對(duì)于特定城市排水系統(tǒng)來(lái)講是有物理意義的，但是對(duì)于城市區(qū)域需要對(duì)雨型、雨強(qiáng)進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析，減少預(yù)報(bào)誤差，從而形成城市防洪減災(zāi)精細(xì)管理需要可靠的指標(biāo)體系。

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料收集的基礎(chǔ)上，采用一維管網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型對(duì)荔枝灣涌現(xiàn)狀、不同工程方案組合進(jìn)行了計(jì)算分析，得出如下結(jié)論。

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

b) 上西關(guān)涌出現(xiàn)水浸點(diǎn)的累計(jì)降雨量與中山八路渠箱進(jìn)入污水泵站水閘、中山八路渠箱溢流閘交錯(cuò)開啟方式影響不大。在逢源路截污閘關(guān)閉情況下，DN2000管道建設(shè)后或建設(shè)調(diào)蓄池容積為24 000 m3時(shí)可以大大緩解上西關(guān)涌區(qū)域的內(nèi)澇問(wèn)題，上西關(guān)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(zāi)精細(xì)管理的指標(biāo)體系，預(yù)測(cè)城市水浸災(zāi)害發(fā)生與否及其嚴(yán)重程度和緊急程度，并據(jù)此發(fā)布警報(bào)信息。