揭陽至惠來鐵路某站點(diǎn)防洪澇設(shè)防水位分析

張鑠涵，陳記臣

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3. 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

近年來由于全球氣候變暖和人類活動(dòng)的影響，極端水文事件時(shí)有發(fā)生，洪澇問題日益增多[1]。在揭陽至惠來鐵路某站點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，場(chǎng)區(qū)防洪防澇是水文工作的重點(diǎn)內(nèi)容。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，鐵路作為重大基礎(chǔ)設(shè)施，防護(hù)等級(jí)為I級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。而該站點(diǎn)所在的揭陽市磐嶺澇區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h最大設(shè)計(jì)暴雨1 d排干，鄰近的榕江南北河的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇[3]。因此，現(xiàn)有資料中缺少區(qū)域100年一遇防洪澇設(shè)防水位成果，使該站點(diǎn)的設(shè)計(jì)缺少設(shè)計(jì)依據(jù)。防洪澇設(shè)防水位的研究一般為調(diào)查分析法[4]，但調(diào)查分析法主要適用于有大量歷史內(nèi)澇水位數(shù)據(jù)的情形，且因洪澇兩者往往難以區(qū)分而導(dǎo)致該方法并不適用于易受洪災(zāi)和澇災(zāi)雙重影響的地區(qū)[5]。而基于水量平衡原理的“平湖法”，其資料獲取較為容易，且計(jì)算結(jié)果相對(duì)合理。目前，已有較多學(xué)者開展了對(duì)“平湖法”計(jì)算防洪澇設(shè)防水位的研究，如周俊[6]、廖慶龍[7]和陳立華[8]運(yùn)用“平湖法”分別計(jì)算了安徽省環(huán)巢湖大道三岔河濕地復(fù)線工程、南寧市軌道交通1號(hào)線和亳州市渦陽縣渦北電廠防洪澇設(shè)防水位，結(jié)果均較為合理。

為滿足揭陽至惠來鐵路某站點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，本文結(jié)合澇區(qū)劃分和考慮堤防潰堤與否，通過“平湖法”提出該站點(diǎn)防洪澇設(shè)防水位的計(jì)算成果，可為該站點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為平原區(qū)類似工程防洪澇設(shè)防水位的計(jì)算提供參考。

1 工程位置及區(qū)域概況

揭陽至惠來鐵路位于廣東省東南部，起自揭陽站，經(jīng)揭東區(qū)、揭西縣、普寧市、惠來縣，接入在建汕汕鐵路惠來站。因該站點(diǎn)的地面四周由于道路和堤防的阻隔，四周高、中間低，地形呈漏斗狀，故本文選擇該站點(diǎn)作為典型進(jìn)行分析。該站點(diǎn)位于廣東省揭陽市揭陽產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園霖磐鎮(zhèn)的磐嶺澇區(qū)內(nèi)，澇區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密布。該站點(diǎn)位于榕江流域，與榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距離分別為1.8 km和7.5 km(見圖1)。研究區(qū)域的多年平均降水量為1 765 mm[3]。降雨量年內(nèi)分配主要集中在汛期4—9月，汛期降雨量占全年降雨量的83.3%。研究區(qū)域位于粵東沿海，且常受東南季風(fēng)影響，高溫濕熱，暴雨頻繁，歷史上洪澇災(zāi)害嚴(yán)重[9]。

圖1 該站點(diǎn)位置示意

2 研究方法與計(jì)算思路

2.1 “平湖法”

“平湖法”以水量平衡為原則，具有嚴(yán)格水量平衡的優(yōu)點(diǎn)，能充分考慮澇區(qū)的蓄滯作用，對(duì)于平原地區(qū)的防洪澇設(shè)防水位計(jì)算較為實(shí)用[10]。

“平湖法”將河網(wǎng)與低洼區(qū)域概化為等容積的湖泊進(jìn)行蓄排演算，其水量平衡公式為[10]：

(1)

式中：

V1，V2——時(shí)段初、時(shí)段末滯蓄水量，m3；

q1，q2——時(shí)段初、時(shí)段末澇水流量，m3/s；

Q1，Q2——時(shí)段初、時(shí)段末排水流量，m3/s。

2.2 計(jì)算思路

本文分大小澇區(qū)和考慮洪澇同頻遭遇潰堤與否，以較為準(zhǔn)確地計(jì)算該站點(diǎn)的防洪澇設(shè)防水位。

根據(jù)該站點(diǎn)所在區(qū)域的地形情況，磐嶺澇區(qū)的最低點(diǎn)為德橋河下游，為得到偏安全的防洪澇設(shè)防水位，不考慮潰堤情形時(shí)本文采用不包括德橋河流域的小澇區(qū)進(jìn)行防洪澇設(shè)防水位計(jì)算。同時(shí)，因該站點(diǎn)距離榕江南北河均比較近，故洪澇同頻遭遇并發(fā)生超過堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)考慮了河流潰堤作用，此時(shí)的澇區(qū)需與榕江南北河均連接，為大澇區(qū)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水文分析

1) 設(shè)計(jì)暴雨

當(dāng)無實(shí)測(cè)降雨資料時(shí)，設(shè)計(jì)暴雨可由地區(qū)水文圖集查算[5]。本文采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》中的各歷時(shí)暴雨參數(shù)，計(jì)算不同頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨值(見表1～表2)。根據(jù)表1和表2，區(qū)域100年一遇24 h最大設(shè)計(jì)面雨量為381.98 mm。

表1 設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)

表2 各頻率設(shè)計(jì)面雨量 mm

設(shè)計(jì)雨型采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中粵東沿海Ⅱ區(qū)。按照《廣東省暴雨徑流查算圖表》給出的分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)表，對(duì)粵東沿海地區(qū)、集水面積小于100 km2的流域，平均下滲率為4.5 mm/h。

2) 澇水量計(jì)算

結(jié)合區(qū)域規(guī)劃土地利用情況，綜合考慮各組分權(quán)重，取綜合徑流系數(shù)為0.80，再由降雨量計(jì)算澇水量。

3.2 工況設(shè)置

1) 工況1：不考慮潰堤情形

該站點(diǎn)所在區(qū)域的西側(cè)和南側(cè)分別為卅嶺水和榕江南河的堤圍，北側(cè)和東側(cè)分別為省道S234和揭普惠高速公路，結(jié)合區(qū)域地形情況，可形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的排澇分區(qū)。該排澇片區(qū)的面積為24.86km2(見圖2)。

2) 工況2：考慮潰堤情形

因?yàn)樵撜军c(diǎn)與榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距離分別為1.8km和7.5km，榕江南河左岸和榕江北河右岸現(xiàn)狀的堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇，當(dāng)榕江南北河發(fā)生100年一遇洪水時(shí)則有潰堤可能，因此，本次計(jì)算區(qū)域100年一遇暴雨遭遇榕江南北河100年一遇洪水潰堤下，進(jìn)入澇區(qū)的水量包括區(qū)域暴雨產(chǎn)生的澇水量及榕江南北河潰口涌入的洪水量。潰堤時(shí)，該站點(diǎn)所在的工況1所劃的流域邊界將會(huì)被淹沒，因此工況2的澇區(qū)為磐嶺澇區(qū)的集雨范圍。該排澇片區(qū)的面積為111.12km2(見圖2)。

注：內(nèi)圈為工況1的澇區(qū)(陰影部分)，外圈為工況2的澇區(qū)。

為得到最不利于工程安全的區(qū)域內(nèi)澇水位，本文假定區(qū)域澇水與外江洪水遭遇，即2種工況下的區(qū)域澇水均無法正常排泄至外江。

1) 邊界條件

工程上游的榕江南河和榕江北河干流上分別有東橋園和赤坎水文站。依據(jù)水文比擬法，得到模型的上邊界榕江南河三洲攔河閘與北河水閘100年一遇設(shè)計(jì)流量分別為6 296m3/s和3 456m3/s；依據(jù)已有的水面線計(jì)算成果，下邊界榕江南河和北河100年一遇情況下的下洲高速路大橋和潭王大洲處的設(shè)計(jì)洪水位分別為6.04m(1985國家高程基準(zhǔn)，下同)和6.68m。

2) 潰口寬度計(jì)算

根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》，該站點(diǎn)附近的榕江南北河潰堤適合用沒有潰痕情況計(jì)算潰口寬度的經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

Bb=1.9(1og10B)4.8+20

(2)

式中:

Bb——潰口寬度，m；

B——河寬，m。

最終確定該站點(diǎn)附近的榕江南河與榕江北河斷面的潰口寬度分別為207.19m和83.77m。

3.3 水位—庫容曲線

根據(jù)“平湖法”計(jì)算防洪澇設(shè)防水位時(shí)，澇區(qū)水位～庫容曲線的確定對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較大影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形查勘和1:10000地形圖，基于ArcGIS平臺(tái)，建立數(shù)字地形模型并繪制水位—庫容曲線(見圖3)。

a 工況1

3.4 設(shè)防水位計(jì)算結(jié)果

1) 工況1：不考慮潰堤情形

工程所在澇區(qū)按遭遇20年、50年和100年一遇降雨，從偏安全的角度，假設(shè)該排澇區(qū)工況1完全封閉，采用“平湖法”計(jì)算最大24h的澇水量對(duì)應(yīng)的澇水位(見表3)?？芍诓豢紤]潰堤情形下，該站點(diǎn)在100年一遇降雨條件下的防洪澇設(shè)防水位為6.62m。

表3 不潰堤下不同頻率的設(shè)防水位

2) 工況2：考慮潰堤情形

MIKE11模型在潰堤潰壩和排澇分析中均有廣泛應(yīng)用[12-13]，本文采用MIKE11模型模擬100年一遇洪水頻率下榕江南河左堤和榕江北河右堤位于該站點(diǎn)附近處發(fā)生潰堤的出流洪水過程。

潰堤時(shí)，該站點(diǎn)所在的工況一所劃的流域邊界將會(huì)被淹沒，因此工況2的澇區(qū)為磐嶺澇區(qū)的集雨范圍(圖2的外圈)。

根據(jù)MIKE11得到的榕江南北河潰堤流量過程，二者的潰堤流量剛開始時(shí)均為0。因?yàn)殚沤虾由线吔缌髁颗c河寬均大于榕江北河，故榕江南河堤防先潰堤，而榕江北河在榕江南河潰堤6h后才開始出現(xiàn)潰口，故表4中榕江北河在歷時(shí)1h和6h時(shí)的潰堤來水量均為0。將該站點(diǎn)所在排澇分區(qū)的區(qū)域澇水量疊加潰堤洪水量得到總澇水量，根據(jù)圖3的水位—庫容曲線，得到相應(yīng)的設(shè)防水位(見表4所示)?？芍?，在考慮榕江南北河潰堤情形下，該站點(diǎn)在100年一遇降雨條件下的防洪澇設(shè)防水位為7.84m。

表4 潰堤下不同歷時(shí)的設(shè)防水位

3) 設(shè)防水位最終計(jì)算結(jié)果

對(duì)以上2種工況的計(jì)算結(jié)果取較大值(見表5)?？芍?，綜合考慮大小澇區(qū)和潰堤與否，最終得到該站點(diǎn)在100年、50年和20年一遇降雨條件下的防洪澇設(shè)防水位推薦值分別為7.84m、6.47m和6.27m。

表5 內(nèi)澇水位推薦值 m

3.5 合理性分析

1) 該站點(diǎn)附近揭普惠高速公路的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，其標(biāo)高為6.8m，本次計(jì)算的區(qū)域50年一遇的推薦防洪澇設(shè)防水位為6.47m，與其接近。

2) 根據(jù)《廣東省揭陽市流域綜合規(guī)劃修編報(bào)告(2005—2030年)》(2011.11)，該站點(diǎn)附近的榕江南河上的三洲攔河壩壩下100年一遇和50年一遇設(shè)計(jì)水位分別7.734m和7.074m。因本文計(jì)算該站點(diǎn)100年一遇的防洪澇設(shè)防水位時(shí)考慮了潰堤來水量和澇區(qū)內(nèi)的澇雨量，故其值(7.84m)略大于三洲攔河壩壩下100年一遇的設(shè)計(jì)水位(7.734m)；而計(jì)算該站點(diǎn)50年一遇的防洪澇設(shè)防水位時(shí)僅用澇區(qū)內(nèi)澇雨量進(jìn)行計(jì)算而未考慮潰堤來水量，故其值(6.47m)略小于三洲攔河壩壩下50年一遇的設(shè)計(jì)水位(7.074m)。因此，本文的防洪澇設(shè)防水位計(jì)算結(jié)果較為合理。

4 結(jié)語

1) 在不考慮潰堤情形下，該站點(diǎn)在100年、50年和20年一遇降雨條件下的防洪澇設(shè)防水位分別為6.62m、6.47m和6.27m。

2) 因該站點(diǎn)鄰近的榕江南北河河段的堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，故100年一遇降雨頻率下堤防有潰堤的可能，通過MIKE11模型計(jì)算潰堤流量，得到該站點(diǎn)在考慮榕江南北河潰堤時(shí)100年一遇的防洪澇設(shè)防水位為7.84m。