大灣區(qū)高密度城市設(shè)計洪水研究

薛冰賢，吳輝明，張 鵬

(廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510630)

對于流域設(shè)計洪水研究，往往采用實測洪水資料以統(tǒng)計頻率進行推求，而對一些缺乏洪水觀測數(shù)據(jù)的流域，只能采用其他方法間接推求設(shè)計洪水?；浉郯拇鬄硡^(qū)位于珠江河口三角洲，地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口稠密，由于地處河口地區(qū)，潮汐作用明顯，缺乏洪水徑流監(jiān)測，在進行城市洪水研究時，河道設(shè)計洪水計算一般采用《廣東省暴雨徑流查算手冊》中的綜合單位線進行推求。

由于大灣區(qū)城市開發(fā)程度高，地表硬化面積廣，降雨時地表徑流偏多，地下徑流相對較少；匯流過程依靠雨水口將徑流收集進入地下雨水管網(wǎng)，通過管網(wǎng)匯入河道。特殊的下墊面與匯流方式，使得城市與自然下墊面流域洪水過程存在巨大差異，綜合單位線法無法準確描述城市河道的洪水過程。

本文選取深圳市寶安區(qū)新圳河流域作為研究對象，建立片區(qū)地表-管網(wǎng)-河道耦合水動力模型，對比分析耦合模型(簡稱“模型法”)與綜合單位線(簡稱“單位線法”)兩種方法河道設(shè)計洪水計算結(jié)果，分析城市洪水產(chǎn)流特征，為大灣區(qū)城市洪水研究提供參考與借鑒。

1 計算方法

本次分別采用廣東省綜合單位線以及管網(wǎng)-河道-地表耦合模型進行流域設(shè)計洪水計算，為保證計算邊界的一致性，采用相同的降雨過程，并且模型計算不考慮流域內(nèi)工程設(shè)施調(diào)度的影響。

1.1 綜合單位線

綜合單位線是在短缺暴雨洪水資料地區(qū)，根據(jù)流域自然地理特征，推求設(shè)計洪水的重要手段。廣東省綜合單位線是選用集水面積為2.30～950km2的50個水文站共639場雨洪對應(yīng)資料分析綜合得出的，廣泛應(yīng)用于廣東省各地區(qū)設(shè)計洪水研究。

產(chǎn)流分析采用初損后損法。廣東省地處南方濕潤地區(qū)，損失量相對于設(shè)計暴雨量來說所占比重很小，全省(包括海南)劃分為內(nèi)陸、粵東沿海和珠江三角洲、粵西沿海、瓊雷臺地、海南山丘5個產(chǎn)流分區(qū)，并根據(jù)實際資料反映的集水面積大小的差別，分別給出各分區(qū)集水面積大于和小于100km2的產(chǎn)流參數(shù)。匯流分析采用線性系統(tǒng)識別的最小二乘法解算經(jīng)驗單位線，綜合給出分區(qū)分類的無因次單位線表達的經(jīng)驗線型，并從設(shè)計條件出發(fā)，建立分區(qū)的集水區(qū)域特征參數(shù)與穩(wěn)定的單位線滯時的關(guān)系。單位線使用下列公式計算：

ui=qitp/W

(1)

xi=ti/tp

(2)

式中，ui、xi—無因次單位線縱橫坐標;qi、ti—時段單位線的縱橫坐標;tp—單位線的上漲歷時，h；W=F/3.6為集水區(qū)1mm徑流深的水量，F(xiàn)—集雨面積，km2。

1.2 水動力模型

根據(jù)流域管網(wǎng)、河道斷面以及地形資料建立水動力耦合模型。

產(chǎn)流：降雨發(fā)生后，部分雨水被地表植物截流；部分下滲進入地下，當降雨強度大于下滲率時，地表開始產(chǎn)流，采用Horton下滲公式進行下滲量計算。

地表匯流：在城市匯流區(qū)域中，各種建筑物、道路和街區(qū)將城市分割成多個子流域。降雨后，除極少數(shù)產(chǎn)流直接進入天然水體，大部分產(chǎn)流以坡面流的形式通過城市排水管網(wǎng)的雨水口進入管網(wǎng)系統(tǒng)。因此，地表匯流采用非線性水庫模型，將各子匯水區(qū)域化為水深較淺的小型水庫，由連續(xù)方程和曼寧方程聯(lián)立求解。

水動力：管網(wǎng)及河道水動力計算采用一維求解的圣維南方程組計算，地表洪水水動力計算采用二維淺水方程計算，從不可壓縮流體運動的基本方程忽略物理量沿水深方向的變化，沿水深方向積分，即求得深度平均的平面二維水流運動方程。

模型耦合：以一維、二維模型間水量及動量守恒為前提，通過“互相提供邊界”的方式實現(xiàn)一維、二維模型之間的耦合，即：將河道邊界、管道檢查井作為耦合邊界，在二維模型中，耦合邊界被定義為獨立的水位邊界；在一維模型中，耦合邊界被定義為旁側(cè)入流。

1.3 設(shè)計降雨

采用《廣東省暴雨徑流查算手冊》進行24h設(shè)計降雨計算，為兩種設(shè)計洪水計算方法提供降雨邊界。根據(jù)查算，新圳河流域設(shè)計暴雨成果及時程分配比例見表1、2。

2 研究區(qū)概況

新圳河流域位于深圳市寶安區(qū)新安街道，地處中心城區(qū)，城市開發(fā)程度高。流域面積9.485km2，流域內(nèi)現(xiàn)狀雨水主干管約89.92km，管網(wǎng)密度約9.49km/km2，現(xiàn)有62個雨水排口。流域地勢北高南低，以廣深高速為界，下游高程基本在5m以下，上游高程基本在5m以上。高程4m以下面積占比17.28%，4～5m占比為10.76%，5m以上面積占比為71.96%。對新圳河流域進行下墊面解析，新圳河流域城市下墊面(建成區(qū))占整個片區(qū)的80.0%，自然下墊面占比20.0%。流域內(nèi)僅有1條行洪河道：新圳河，新圳河河長7.8km，平均坡降1.893‰，河道斷面基本為矩形，如圖1所示。

3 計算結(jié)果合理性

3.1 綜合單位線

新圳河流域位于深圳市寶安區(qū)新安街道，根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算手冊》查找綜合單位線計算參數(shù)，即：暴雨徑流分區(qū)取“Ⅶ1珠江三角洲”、產(chǎn)流參數(shù)取“粵東沿海、珠江三角洲”、無因次單位線取“Ⅱ號單位線”、滯時關(guān)系取“大陸低區(qū)B號線”。

表1 新圳河流域設(shè)計降雨計算成果

表2 新圳河流域24h設(shè)計降雨時程分配

圖1 新圳河流域

3.2 水動力模型

根據(jù)各集水區(qū)下墊面解析成果，設(shè)置模型產(chǎn)匯流參數(shù)。由于流域無水文監(jiān)測資料，因此，采用水量平衡進行模型參數(shù)率定。而根據(jù)流域下墊面解析結(jié)果，參考GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標準》，新圳河流域綜合徑流系數(shù)約為0.72。

根據(jù)計算，不同重現(xiàn)期下，新圳河流域降雨徑流深、徑流系數(shù)見表3。由計算結(jié)果可知，5年一遇、10年一遇情況下，徑流系數(shù)分別為0.70、0.74，與流域下墊面解析得出的徑流系數(shù)基本相符；而重現(xiàn)期大于10年一遇時，由于雨量較大，徑流系數(shù)較下墊面解析成果偏大。不同重現(xiàn)期下，兩種計算方法流域徑流系數(shù)基本一致，表明兩種方法所計算的洪水過程水量是平衡的，計算參數(shù)及結(jié)果是合理的，符合流域的實際情況如圖2—3所示。

同時，重現(xiàn)期越大，流域徑流系數(shù)越大。不同重現(xiàn)期下，計算初始狀態(tài)相同，根據(jù)產(chǎn)流計算原理，在流域全面產(chǎn)流的情況下，流域降雨初期管網(wǎng)、地表等初損量、蓄水容量基本相等，而重現(xiàn)期越大，降雨量越大，徑流系數(shù)則越大，計算結(jié)果符合流域產(chǎn)流規(guī)律。

4 結(jié)果分析

不同重現(xiàn)期下，新圳河流域兩種方法設(shè)計洪水計算結(jié)果見表4。由計算結(jié)果可知，模型法較單位線法洪峰流量計算結(jié)果偏小，兩者差幅約17.4%～38.3%，且洪峰流量差幅與重現(xiàn)期呈正相關(guān)關(guān)系。各重現(xiàn)期下，模型法與單位線法洪水滯時分別約為10、90min，相較于單位線法，模型法暴雨與徑流的響應(yīng)速度更快。

分析其原因：

第一,單位線法采用廣東?、蛱枱o因次單位線進行計算，計算時不會考慮流域下墊面差異，洪水主要集中在10～14h之間，洪峰流量較大，洪水過程相對尖瘦。

第二,模型法計算時，受城市下墊面及管網(wǎng)匯流模式影響，暴雨與徑流的響應(yīng)速度更快，流域匯流速度更快，降雨前期洪水流量更大；雨鋒到來時，受管道過流能力限制以及河道水位頂托對雨水排泄的影響，洪峰流量較??；洪峰過后，河道流量、水位逐漸減小，此時地表及管道中存水逐漸排泄入河，使得河道退流過程較緩，洪水過程相對扁平。

第三,重現(xiàn)期(雨量)越大時，管網(wǎng)過流能力對入河流量的限制越明顯；且此時河道流量越大、水位越高，河道對管網(wǎng)的頂托作用越強，使得兩種方法計算的洪峰流量差幅越大。

表3 新圳河流域徑流系數(shù)計算結(jié)果

表4 各重現(xiàn)期洪峰流量計算結(jié)果

圖2 各重現(xiàn)期洪峰流量計算結(jié)果

圖3 洪水過程計算結(jié)果

5 結(jié)語

本文選取大灣區(qū)高密度城市典型流域進行研究，結(jié)果表明。

模型法與單位線法設(shè)計洪水計算存在明顯差異，單位線洪水主要集中在雨鋒后4h以內(nèi)，洪峰流量較大，滯時較長。而模型能夠考慮高密度城市特殊的下墊面和匯流方式，更為準確地描述高密度城市洪水過程：城市下墊面產(chǎn)流迅速、管網(wǎng)匯流較快，洪水滯時短；同時受管網(wǎng)過流能力、河道水位頂托的影響，洪峰流量相對偏小，退流過程較緩。本研究為大灣區(qū)城市洪水研究提供借鑒與參考。

由于流域內(nèi)無實測降雨徑流資料，模型未進行詳細的率定驗證，且流域局部管網(wǎng)數(shù)據(jù)粗糙，結(jié)果存在誤差，在今后的研究中將加以改進。