圖示法洪潮遭遇分析

叢娜 李婕

對(duì)于沿海地區(qū)直接入海的河流，潮汐河口的流量，可以從河流流向海洋，也可以在漲潮或增水時(shí)從海洋流向河流，因此沿海地區(qū)感潮河段的最高水位是由上游來水與天文潮水共同遭遇組合的結(jié)果，防洪工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要分析河口洪潮遭遇規(guī)律，從而確定洪（潮）水位[2]。洪潮遭遇分析一般的做法是根據(jù)潮位站的潮水位資料和河流水文站的洪水資料或雨量站的暴雨資料，列表統(tǒng)計(jì)高潮位和大洪水發(fā)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析兩者的遭遇情況，歸納出遭遇規(guī)律，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

在GB/T 50805—2012《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中首次規(guī)定了洪、澇、潮遭遇分析的選樣要求和遭遇分析方法，并提出了建立遭遇統(tǒng)計(jì)量相關(guān)圖的分析方法。本文以沿海某流域?yàn)槔?，敘述圖示法洪潮遭遇分析方法。

1 某流域基本情況

某流域?yàn)槲覈戏降貐^(qū)的一條入海河流，河流主河道全長83 km，流域面積約900 km2。河流上游為山丘區(qū)，以山區(qū)為主，建有大型水庫1座，主要任務(wù)為防洪和供水，其壩址以上集水面積約440 km2。水庫下游，干流全長42.8 km，流域集水面積約460 km2，少部分為丘陵區(qū)，大部為平原區(qū)，區(qū)內(nèi)有城鎮(zhèn)和大量居民區(qū)、耕地，是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，也是當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、文化和政治中心。由于平原區(qū)地勢低洼，受洪、澇、潮影響嚴(yán)重，為攔擋潮水的影響，20世紀(jì)在河口附近建有擋潮閘1座，但在臺(tái)風(fēng)暴雨期受潮水的頂托影響，行洪、排澇不暢，亟需研究提出解決洪澇問題的應(yīng)對(duì)方案，而洪潮遭遇分析成果是研究解決方案的重要基礎(chǔ)。該流域內(nèi)有多個(gè)雨量站，具有長系列降水資料，擋潮閘下游具有長系列潮水位資料的潮位站。

2 設(shè)計(jì)潮位與設(shè)計(jì)暴雨

2.1 設(shè)計(jì)潮位

設(shè)計(jì)潮位是洪潮遭遇分析的基礎(chǔ)工作。河口潮汐以下游潮位站為設(shè)計(jì)潮位分析的代表站，按年最高高潮位選樣，統(tǒng)計(jì)歷年最高高潮位，潮位站高潮位連續(xù)系列為1963—2019年，系列長57年。其中最高潮位為5.64 m，發(fā)生于1997年8月18日。該潮位站資料系列長，且有特大潮發(fā)生，高潮位系列代表性好。用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率、P-Ⅲ頻率線型適線，該站年最高潮位頻率計(jì)算成果見表1，頻率曲線如圖1所示。

圖1 潮位站年最高高潮位頻率曲線圖

表1 潮位站年最高潮位頻率計(jì)算成果表

2.2 設(shè)計(jì)暴雨

該研究流域缺乏實(shí)測流量資料，根據(jù)現(xiàn)有資料條件，采用設(shè)計(jì)暴雨代替設(shè)計(jì)洪水。暴雨一般是1 d雨量對(duì)洪澇災(zāi)害起決定性的作用，因而統(tǒng)計(jì)時(shí)段取為年最大1 d。由于該流域上游洪水對(duì)下游地區(qū)的防洪也有重要影響，因此，洪潮遭遇按全流域洪水與潮水位進(jìn)行遭遇分析。選取流域內(nèi)資料條件較好的雨量站為面平均降水量計(jì)算的代表站，各年暴雨統(tǒng)計(jì)均采用各站同場暴雨資料，用泰森多邊形法計(jì)算面平均降水量，統(tǒng)計(jì)年最大1 d降水量，暴雨系列為1955—2019年，系列長65年。該流域降水資料系列長，且有特大暴雨發(fā)生，暴雨系列代表性好。用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率、P-Ⅲ頻率線型適線，該站最大1 d暴雨頻率計(jì)算成果見表2，暴雨頻率曲線如圖2所示。

表2 某流域設(shè)計(jì)面暴雨量 mm

圖2 某流域年最大1 d暴雨頻率曲線圖

3 遭遇樣本統(tǒng)計(jì)

該流域總體來看流域面積較小、河流主河道長度也較短，流域匯流時(shí)間較短，因此，不考慮洪水匯流傳播時(shí)差，按同日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。按照規(guī)范要求，遭遇樣本按以洪水為主時(shí)，統(tǒng)計(jì)日降水量大于140 mm（約為3年一遇日降水量）的發(fā)生日期，采用年多選樣法取樣，并統(tǒng)計(jì)同日期潮位站的相應(yīng)高潮位。遭遇樣本按以潮水位為主時(shí)，統(tǒng)計(jì)日高潮位大于4.00 m（為年高高潮位系列的均值）的潮位發(fā)生日期，采用年多選樣法取樣，并統(tǒng)計(jì)同日期該流域的相應(yīng)日降水量。

按照上述原則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)選樣，該流域日面雨量與潮位站潮位遭遇中的前幾位特征值，見表3。從表3中可見，洪水為主時(shí)，最大日降水量都發(fā)生在7月中旬后的臺(tái)風(fēng)暴雨期，沒有出現(xiàn)在7月中旬前的梅雨期；最大日降水量為407 mm，發(fā)生在2004年8月12日，而且相應(yīng)潮位也最高，達(dá)5.56 m；次大日降水量為346 mm，發(fā)生在2019年8月10日，相應(yīng)潮位達(dá)4.43 m，為相應(yīng)潮位的第三位。潮水位為主時(shí)，最高高潮位也都發(fā)生在7月中旬后的臺(tái)風(fēng)暴雨期，沒有出現(xiàn)在7月中旬前的梅雨期；最高高潮位為5.64 m，發(fā)生在1997年8月18日，而且相應(yīng)日降水量也最大，達(dá)294 mm；此外，2005年9月11日潮位較高，相應(yīng)日降水量也較大，其余年份高潮位的相應(yīng)日降水量不大，均在3年一遇以下。

表3 某流域日降水量與潮位站潮位統(tǒng)計(jì)表

4 遭遇相關(guān)圖與分析

該流域平原區(qū)城鎮(zhèn)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇、防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，因此主要分析20~50年一遇洪水與潮水位的遭遇情況。利用Excel的繪圖功能進(jìn)行遭遇分析相關(guān)圖繪制。以潮水位為縱坐標(biāo)、日降水量為橫坐標(biāo)，分別繪出5、10、20、30、50年一遇的潮水位線和5、10、20、30、50年一遇的日降水量線，并標(biāo)出各線的重現(xiàn)期，兩組線的同頻率交叉點(diǎn)連線為遭遇的同頻率線。再以不同符號(hào)分別點(diǎn)繪以洪水為主的遭遇相關(guān)點(diǎn)據(jù)和以潮水位為主的遭遇相關(guān)點(diǎn)據(jù)，如圖3所示。從圖中可見，洪、潮兩因素基本呈正相關(guān)關(guān)系，以同頻率線為中線，兩種點(diǎn)據(jù)分布在其兩側(cè)，遭遇分析的各要素已匯集在同一圖中，各次洪潮遭遇的相對(duì)關(guān)系及其重現(xiàn)期表現(xiàn)的清楚，為接下來的遭遇分析創(chuàng)造了直觀的條件。

圖3 某流域暴雨與潮位站潮位遭遇關(guān)系圖

據(jù)圖3和表3可見，該流域暴雨與潮位站潮位洪潮遭遇情況顯示，洪水為主時(shí)，最大日降雨量大于5年一遇的有8次，分別為1985、1987、1994、2004、2007、2013、2015、2019，其中最大的為407 mm，出現(xiàn)在2004年8月12日，大于50年一遇面雨量，相應(yīng)的潮位站潮位為5.56 m，大于該站50年一遇設(shè)計(jì)潮位。在8次暴雨的相應(yīng)潮位中，2007、2015年的相應(yīng)潮位較低，高潮位分別為2.53 m和2.21 m，位于圖3的下部，其洪潮組合對(duì)防洪影響較小。其余6次位置較高，緊靠在同頻率線下側(cè)，潮水位較高，其洪潮組合對(duì)防洪影響較大。

潮水為主時(shí)，最大日降雨量大于5年一遇的僅有2次，分別為1997、2005年，1997年潮位約為100年一遇、暴雨約為20年一遇，2005年潮位約為30年一遇、暴雨約為5年一遇。對(duì)于該流域而言，河口建有擋潮閘，可以攔擋潮水，因此，影響防洪安全的主要是洪水為主時(shí)潮位較高的洪潮組合型洪水，即實(shí)際發(fā)生的1985、1987、1994、2004、2013、2019年6次洪水。按這6次洪水繪制的洪潮組合外包線如圖3所示。從圖3中可見，上包線與同頻率線接近，上包線與下包線之間有一定的變化幅度。

在遭遇分析中一般按平均偏不利的原則確定遭遇組合方案，按上包線考慮可能工程投資較大而不夠經(jīng)濟(jì)，按下包線又不夠安全。按平均偏不利的原則，推薦采用洪潮遭遇組合：當(dāng)該流域發(fā)生20年一遇洪水時(shí)，對(duì)應(yīng)潮位站潮位采用10年一遇設(shè)計(jì)潮位；當(dāng)該流域發(fā)生30年一遇洪水時(shí)，對(duì)應(yīng)潮位站潮位采用20年一遇設(shè)計(jì)潮位；當(dāng)該流域發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，對(duì)應(yīng)潮位站潮位采用30年一遇設(shè)計(jì)潮位。推薦結(jié)果如圖3所示外包線中的遭遇關(guān)系線，基本在平均偏上的位置。

5 結(jié) 語

洪澇潮遭遇分析是研究解決防洪排澇工程方案的重要基礎(chǔ)工作，首先需進(jìn)行設(shè)計(jì)潮位和設(shè)計(jì)暴雨（或設(shè)計(jì)洪水）分析計(jì)算，統(tǒng)計(jì)洪潮遭遇組合關(guān)系。一般的遭遇事件統(tǒng)計(jì)表分析法對(duì)遭遇要素的表達(dá)不夠清晰，而圖示法可將遭遇分析各要素表達(dá)在同一圖中，有利于分清主次因素，可為合理確定遭遇分析結(jié)果提供有效幫助。