廣州“5.22”暴雨及暴雨洪水量級分析

張 欣,張大偉,陳 琰

(廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510635)

受全球氣候變暖和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響，近年廣州市極端暴雨發(fā)生概率增加，強(qiáng)度愈來愈大，暴雨內(nèi)澇災(zāi)害已成為影響廣州城市水安全的突出問題[1-3]。

2020年5月21日夜間到22日早晨，廣州市普降大暴雨，局部特大暴雨，受本次強(qiáng)降雨影響，全市共有443處出現(xiàn)積水，多地出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，廣州地鐵13號線官湖地鐵站、新沙地鐵站及南沙區(qū)間風(fēng)井嚴(yán)重浸水，致使地鐵13號線停運(yùn)，對社會產(chǎn)生了極大的不良影響。

為分析“5.22”強(qiáng)降雨及暴雨洪水量級，本文以地鐵13號線官湖站所在的官湖河流域?yàn)檠芯繉ο螅捎枚喾N方法進(jìn)行流域設(shè)計暴雨量計算，以設(shè)計面暴雨量為基礎(chǔ)資料，利用綜合單位線法進(jìn)行河道主要控制斷面設(shè)計洪水計算分析；選取代表性雨量站，對各站在“5.22”暴雨期間的實(shí)測降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，并與流域設(shè)計暴雨量相比較，給出流域降雨各歷時暴雨量的等級；以流域綜合單位線及“5.22”實(shí)測降雨過程為基礎(chǔ)，用卷積公式計算設(shè)計洪水過程線，并與流域設(shè)計洪水相比較，給出流域各歷時暴雨洪水的等級。

1 流域概況

官湖河為東江一級支流，發(fā)源于廣州市黃埔區(qū)華峰，由西北向東南流動，縱貫永和開發(fā)區(qū)，經(jīng)紅旗水庫、永寧街和新塘鎮(zhèn)后流入東江北干流。流域上游受紅旗水庫控制，紅旗水庫集雨面積為1.6 km2，總庫容為132萬m3，屬小(1)型水庫。官湖河河口以上(含紅旗水庫)集雨面積為67.28 km2，河道總長度為21.9 km，河道平均坡降為2‰。

匯入官湖河的支流主要有6條，分別為大陂河、東浦河、官湖支涌、石下左支涌、石下右支涌和新街支涌。官湖河流域水系分布見圖1所示。

圖1 官湖河流域水系分布示意

流域內(nèi)雨量站主要為紅旗水庫站，無水文測站，官湖河流域附近雨量站主要有位于雅瑤河流域的萬田水庫、永和河、余家莊水庫及溫涌流域的禾叉窿水庫、南崗街道、水聲水庫等。官湖河及附近雅瑤河、溫涌流域雨量站分布如圖2所示。

圖2 官湖河流域及附近雨量站點(diǎn)分布示意

2 設(shè)計暴雨及設(shè)計洪水計算

2.1 設(shè)計暴雨計算

流域各種歷時設(shè)計暴雨量的計算，可根據(jù)流域大小和資料條件采用不同的方法進(jìn)行：① 在流域有較長系列的面暴雨量資料時，可采用數(shù)理統(tǒng)計方法直接計算；② 在流域面暴雨量資料短缺時，可利用暴雨參數(shù)等值線圖，通過設(shè)計點(diǎn)暴雨和暴雨的點(diǎn)面關(guān)系間接推算設(shè)計面暴雨量[4]。本文分別采用以上兩種方法對官湖河流域各歷時設(shè)計暴雨進(jìn)行推求。

2.1.1實(shí)測暴雨分析

本文收集到官湖河流域附近萬田水庫1991—2019年共29 a實(shí)測年最大24 h降雨量，根據(jù)實(shí)測的年最大24 h降雨量系列采用P-Ⅲ適線法進(jìn)行頻率分析，適線成果如圖3所示，萬田水庫各頻率24 h設(shè)計點(diǎn)雨量成果見表1。

圖3 萬田水庫年最大24 h降雨頻率曲線示意

2.1.2查算圖表

由于官湖河流域范圍內(nèi)沒有實(shí)測水文資料，通過查算《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》和《廣東省水文圖集》(2003年版)求得各時段流域中心點(diǎn)暴雨均值Ht平均和變差系數(shù)Cv值，計算流域設(shè)計點(diǎn)雨量，計算成果見表2。

表2 設(shè)計點(diǎn)暴雨成果

由表1及表2對比分析，《廣東省暴雨徑流查算圖表》成果整體較實(shí)測降雨排頻成果偏大，《廣東省暴雨徑流查算圖表》由廣東省水文總站編制，成果均經(jīng)各協(xié)作片區(qū)內(nèi)相鄰省之間和相鄰片區(qū)之間的拼接協(xié)調(diào)，又由全國暴雨洪水分析計算協(xié)調(diào)小組辦公室組織全國拼接協(xié)調(diào)及專家小組詳細(xì)審查、通過驗(yàn)收。

綜合以上分析，從流域設(shè)計暴雨時、空要求以及偏安全角度等方面綜合考慮，本研究選用查算圖表成果。

通常求解超參數(shù)的方法是利用邊緣似然函數(shù)來推導(dǎo)模型的參數(shù),最終采用共軛梯度法獲得邊緣似然最大值來求解超參數(shù)。但是,共軛梯度法存在明顯缺點(diǎn),例如容易陷入局部最優(yōu)解、對初始值依賴性強(qiáng)等。為了克服共軛梯度法學(xué)習(xí)超參數(shù)的缺點(diǎn),很多學(xué)者利用已有的一些其他優(yōu)化算法來學(xué)習(xí)超參數(shù),如粒子群算法、人工蟻群算法以及遺傳算法等[12-14]。相比之下,遺傳算法具有極強(qiáng)的自組性,對種群的初始值沒有要求,在多目標(biāo)隱性參數(shù)的優(yōu)化求解上有著良好的應(yīng)用。此外,遺傳算法不需要利用一階導(dǎo)數(shù)的信息,比共軛梯度法更加簡單,也更容易操作。因此,本小節(jié)利用遺傳算法來優(yōu)化超參數(shù)。具體步驟如下:

2.2 設(shè)計洪水計算

設(shè)計洪水盡可能用流量資料來計算，當(dāng)沒有可以直接引用的流量資料時，可采用暴雨資料來計算設(shè)計洪水[5-7]。官湖河流域內(nèi)無滿足設(shè)計洪水分析計算要求的實(shí)測洪峰流量系列資料，因此設(shè)計洪水采用設(shè)計暴雨推求。

本研究采用廣東省綜合單位線法，求得官湖河主要控制斷面的設(shè)計洪峰流量見表3。

表3 官湖河主要控制斷面設(shè)計洪水成果

2.3 流域洪水淹沒分析

官湖河為東江北干流右岸的一條一級支流，參考《廣州市防洪防澇系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)指引(暫行)》[8]，流域排澇為主時，以流域內(nèi)頻率洪水過程遭遇東江北干流多年平均高高潮位為計算條件，估算官湖河流域洪澇淹沒情況。

由以上洪潮遭遇工況，分別繪制官湖河流域50年、100年一遇設(shè)計洪水淹沒風(fēng)險示意(見圖4～5)。

圖4 官湖河流域50年一遇設(shè)計洪水淹沒風(fēng)險示意

流域發(fā)生50年及100年一遇設(shè)計洪水時，官湖河流域淹沒范圍主要集中在河道中下游東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區(qū)域。

3 “5.22”實(shí)測暴雨分析

3.1 實(shí)測降雨過程

為分析本場降雨期間，官湖河流域降雨量等級及暴雨產(chǎn)匯流洪水量級，本研究收集到流域內(nèi)及附近紅旗水庫、水聲水庫、新塘站、永和河、禾叉隆水庫站、南崗街道站和萬田水庫站等共7個雨量站(見圖2)“5.22”暴雨實(shí)測降雨過程，禾叉隆水庫站、南崗街道站及永和河降雨過程見表4所示，降雨由凌晨1:30至上午9:30，歷時約8 h，1 h、3 h、6 h和總降雨量統(tǒng)計見表5。

表4 官湖河流域附近雨量站實(shí)測降雨過程

表5 “5.22”暴雨實(shí)測降雨統(tǒng)計 mm

3.2 暴雨等級

將“5.22”暴雨各歷時點(diǎn)雨量與設(shè)計暴雨進(jìn)行對比，萬田水庫站與永和河站1 h降雨量為20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量約為50年一遇。新塘站1 h降雨量為20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量約為100年一遇。

4 “5.22”實(shí)測暴雨洪水分析

4.1 實(shí)測暴雨洪水過程

本研究實(shí)測暴雨洪水過程計算采用綜合單位線法。降雨過程采用永和河站“5.22”實(shí)測降雨過程，綜合單位線參數(shù)與設(shè)計洪水計算參數(shù)保持一致，用卷積公式計算設(shè)計洪水過程線。

經(jīng)計算，官湖河新沙大道斷面、官湖河河口斷面“5.22”流量過程分別見圖6～7，其斷面洪峰流量分別為452 m3/s、430 m3/s。

圖6 官湖河新沙大道斷面“5.22” 暴雨期間來水過程示意

4.2 洪水量級

“5.22”暴雨降雨期間，官湖河河口來流洪峰為452 m3/s，大于50年一遇洪峰439 m3/s，官湖河新沙大道斷面來流洪峰為430 m3/s，大于50年一遇洪峰424 m3/s。

圖7官湖河河口斷面“5.22” 暴雨期間來水過程示意

4.3 流域?qū)崪y暴雨洪水淹沒分析

通過對廣州市“5.22”暴雨洪水淹沒情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查考證，根據(jù)流域大范圍實(shí)測地形圖，結(jié)合暴雨期間實(shí)際淹沒情況繪制“5.22”暴雨洪水淹沒范圍(見圖8)。

圖8 廣州市“5.22”暴雨洪水淹沒范圍示意

“5.22”暴雨洪水造成官湖河流域出現(xiàn)大面積水浸，官湖河沿線淹沒范圍上至矮崗河匯入口上游，創(chuàng)想路橋南側(cè)河道左岸，下至新街支涌涌口附近區(qū)域，東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區(qū)域受淹，受淹區(qū)域的淹沒水深在0.8～1.8 m范圍內(nèi)，淹沒面積總計約450 hm2。

將圖8與圖4及圖5進(jìn)行對比分析，“5.22”暴雨期間，官湖河流域?qū)嶋H淹沒范圍基本上與50年一遇設(shè)計洪水淹沒范圍一致，相比略大。以設(shè)計洪水及實(shí)測暴雨洪水淹沒范圍進(jìn)行對比分析，“5.22”場次暴雨洪水等級略大于50年一遇。

5 結(jié)語

1)2020年的“5.22”特大暴雨具有強(qiáng)度大、歷時短、范圍廣和面雨量大的特點(diǎn)，這是造成本場特大暴雨雨洪不同頻的主要原因。

2)根據(jù)官湖河流域?qū)崪y降雨資料，綜合判斷“5.22”暴雨為100年一遇，超過官湖河流域現(xiàn)狀及規(guī)劃防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。

3)采用綜合單位線法計算分析“5.22”暴雨洪水，官湖河流域洪水大于50年一遇。

4)“5.22”暴雨對官湖河流域造成的淹沒主要集中在官湖河支流東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區(qū)域