城市洪水計算方法探討

李滿剛

(運城市水利勘測設計研究院,山西 運城 044000)

目前我國經濟的高速發展,城市化建設步伐越來越快,建設水平也越來越高。據不完全統計資料表明,2006年,我國東、中、西部等發達地區的城市化水平已分別達到了54.6%、40.4%和35.7%,其中最高的東部沿海城市上海,其城市化水平已高達88.7%;其次是北京和天津,其城市水平分別為84.3%和75.7%。城市化水平的提高一方面推動了城市經濟的迅猛發展,但同時也帶來了地區人口密度的急劇加大,城市生態環境條件被破壞,進而引起局部氣候和城市水循環條件發生變化,城市防洪排澇問題日顯突出[1-2]。結合城市發展的實際情況,對城市現有的防洪工程進行除險加固,有針對性的新建防洪工程以完善城市綜合防洪體系,已成為當前城市水務規劃設計人員研究的一個重要內容。計算城市洪水洪峰流量是確定城區小匯水范圍內防洪水工建筑物斷面尺寸的主要依據。當前,我國絕大部分城市小匯流區域一般沒有實測的河川徑流資料,在進行防洪水工建筑物設計時,所需的設計洪峰流量一般按照暴雨資料來間接推求。城市小匯水面積的洪水計算方法有水利部門和城鄉建設部門頒發的兩套計算方案,其中水利部頒發的文件中,城市小匯水區域設計洪水計算主要采用水科院水文所的推理公式法(全稱:水利部中國水利水電科學研究院水文研究所公式法)和經驗公式法;而城鄉建設部門在城市小匯水區域設計洪水計算時則采用室外排水設計流量公式法。上述幾種方法在推導原理、適用條件等均有很大差異,因此計算結果也會存在很大差別。本文將對上述三種方法的適用條件、設計洪水計算要點、計算結果等進行詳細比對分析,以期為城市小匯水區域防洪工程設計洪水計算提供準確計算參考,確保城市防洪工程設施規模具有較高的性能水平,有效完善城市防洪體系[3]。

1 區域雨洪特點

1.1 降雨特點

城市防洪設計過程中考慮的小區域降雨特性,主要指在不同降雨成因條件下,降雨所具有的時程分配和空間分布特性,主要按歷時長短、降雨強度、以及分布均勻與否、暴雨中心移動與否四個方面的內容進行考慮。對小匯水區域而言,一般認為降雨流域面積不是很大,即常規設計過程中,通常將暴雨分布近似按均勻分布進行計算。但從大量實際觀測數據資料來看,小匯水區域暴雨分布呈現明顯非均布特性。從降雨特性來看,處于小匯水區域的暴雨呈現分布不均勻特性多半是由于暴雨中心位置發生移動引起,即在進行暴雨分析計算時,其分析計算時段Δ t應考慮到暴雨中心位移問題。對于小匯水區域的降雨,短時段暴雨面受中心偏移影響其分布是不均勻的;對于較長時段的暴雨而言,這種中心偏移引起的不均勻特性又會被降雨時間所均化,即暴雨面分布在長時間段又相對是較均勻的[4-5]。因此,在考慮小匯水區域降雨特性時,通常可以將“Δ t”時間段內或主雨峰時段內暴雨面是否處于均勻分布作為分析降雨特性的依據。

1.2 洪水特點

1.2.1 匯流速度快,預測預報難度較大

由于城市小匯水流域面積較小,其蓄滯洪的能力有限,加上洪水與暴雨間存在密切的時空分布特性,匯流速度非常快。城市河流普遍采用分區治理方法,其小流域匯水能力通常只有幾至十幾平方公里,易產生驟漲驟落等現象,給小區域洪水預測預報帶來較大難度。

1.2.2 洪峰量大,歷時短破壞性強

城市小流域洪水通常表現洪源近、水流急、洪峰高、洪量大、歷時短、破壞性強等特性,在暴雨之后小區域急劇匯水極易造成城市小流域發生嚴重的洪澇災害。如2004年～2005年兩年,四川省達州市連續兩年遭受“百年一遇”的特大洪澇災害,其中2004年的洪水,達州市區的州河洪水位暴漲高達18.7 m,洪峰量大,破壞性極強[6]。

1.2.3 地質地貌復雜,極易誘發泥石流等山地災害

鄉鎮城市由于其小匯水區域的地質地貌情況十分復雜,加上人為破壞等因素的影響,其生態環境綜合性能十分脆弱,洪澇災害十分嚴重,特別是丘陵地區的城鎮發生暴雨洪水時,極易誘發泥石流、山體滑坡等山地自然災害。同時小匯水區域的洪水影響具有局部特征,在小區域范圍內造成房屋倒塌、城市基礎設施損壞、生態環境嚴重破壞等問題,災后恢復重建工作困難重重[7]。

2 城市小匯水區域設計洪水計算方法

2.1 水利部門小匯水區域洪峰流量計算法

目前,進行城市防洪工程設計洪水洪峰流量計算時,沒有一個完整系統的計算方法體系,但在實際城市防洪工程設計過程中,通常采用水利部中國水利水電科學研究院提出的小流域洪峰流量計算公式進行城市防洪工程設計洪水計算。

2.1.1 推理公式法

從大量文獻資料和實際工作經驗可知,影響城市小匯流區域面積上洪峰流量的因素十分繁多,用某一種準確的計算方法或推理公式來對不同氣候條件、地形地貌、水循環特性的小流域洪水進行定性函數描述,從理論來看是非常困難的,實際也是不可取的。水科院水文所提出的推理公式是一種基于半理論半經驗的近似推理公式[8]。推理公式中著重于城市防洪工程設計洪峰流量的計算,并結合暴雨洪水特性可以推求出小匯流區域某時段的洪峰流量和洪水過程線。利用推理公式法進行設計洪水計算時,主要以暴雨演變成洪水的成因為計算基礎,同時考慮到洪水洪峰流量的主要影響因素,在假定某些參數條件下,建立一個能夠近似估算設計洪水的推理公式,即:

式中:Qm為城市防洪工程設計洪峰流量(m3/s);Ψ為城市河川的徑流系數;Sp為暴雨降雨速率(mm/h);τ為小區域流域匯流時間常數(h);n為暴雨強度的遞減系數;F為區域匯水面積(km2);L為城市河流主河槽長度(km);m為小區域匯流參數;J為城市河流主河槽平均坡降度;θ為小匯水區域集水區特征參數。

從式(1)可知,推理公式法是把城市小區域流域的產流和匯流等條件均化和概化后,由暴雨水流的連續方程和運動方程相互聯解,并結合經驗而推導出城市河流流域出口斷面的洪峰流量近似值的半理論半經驗計算公式。

2.1.2 綜合經驗公式法

城市小匯水區域的設計洪水綜合經驗公式中,最為常見的是結合城市防洪工程的實際情況,將洪峰流量與流域匯流面積間建立某種關系,有的考慮到城市所處位置的山區、丘陵和平原區別;有的則考慮下墊面植被、土壤等因素間的差異;有的則考慮洪水重現期、雨量等影響因素,這樣在結合設計經驗基礎上就形成了型式眾多的設計洪水經驗計算公式。從眾多綜合經驗公式的編制依據及實際應用效果來看,基于本地區實測洪水資料或統計調查分析相關洪水資料基礎上形成了綜合經驗公式,其可以直接近似反映城市小匯水區域設計洪水洪峰流量與其它影響因素間的相互關系[9]。設計中常用的設計洪水洪峰流量計算經驗公式為:

式中:K為設計洪水洪峰流量參數。

2.2 城建部門室外排水公式法

室外排水公式法是城建部門進行城市防洪工程規劃設計廣泛采用的設計洪水計算方法,進行設計洪水流量計算時,主要依據城市排水(雨水)規劃統計得到的各雨水出水口的洪峰流量,利用暴雨強度公式和雨水出水口規劃設計流量公式聯立共同解出城市小匯水區域設計洪水洪峰流量,即:

式中:Q為城市防洪工程設計洪峰流量(m3/s);q為設計暴雨強度〔m3/(s·hm2)〕;P為設計洪水重現期間(a);t1為地面集水時間(min);t2城市泄洪渠道的洪水流行時間(min);m為折算系數;A1,c,b,n為設計洪水計算過程中選取的地方系數。

3 城市小匯水區域設計洪水計算方法選用

我國城市間水文氣象、地形地貌、地質等條件相差較大,現有的城市防洪工程設計洪水計算方法較多,要選某一種公式進行統一較為困難。因此,在實際設計計算分析過程中,應在保證一定計算精度和計算結果滿足相關設計要求條件的基礎上,優選計算不宜太繁瑣,約束參數不宜太多的計算公式,以免在近似計算過程中造成誤差累積,獲得不準確的計算結果。進行城市小匯水區域設計洪水計算時,應采用多種計算方法和途徑,分別計算設計洪水洪峰流量。通過不同計算方法結果間的相互比較印證,對提高計算結果的準確性非常重要。計算結果不能簡單采用幾種方法計算結果的平均值,應該在幾種計算結果相互印證正確的前提下,結合工程實際情況優選最能符合城市小匯水區域的計算方法結果。對于城市小匯水區域的設計洪水計算,由于突發洪水現象內部影響和約束影響因素異常繁多,遠不是現有的各種估算和經驗公式計算結果能夠充分真實反應的,故在進行城市防洪工程設計時,要對計算結果進行反復合理性論證分析后,方能用在實際防洪工程設計過程中[10]。

不管采用哪種計算方法或經驗公式進行設計洪水洪峰流量計算時,均須對城市小匯水區域進行實地查勘,具體內容包括:①城市小匯水區域暴雨洪水特性調查:通過調查明確暴雨洪水的形成主要原因、暴雨洪水主要特性等特征參數。并盡量搜集完整當地歷史發生的大洪水資料;②城市河道形態特征調查:包括河道的縱、橫斷面深度、沖蝕程度、以及河床基質組成等形態特征信息;③流域生態環境調查:城市河道中植被種類、高度、疏密厚薄程度等生態條件,并測定當地的土壤條件等;④城市防洪水利設施調查:明確河道中的防洪水工建筑物數量、類型,并查看人類活動對暴雨洪水影響情況如違章建筑等。通過合理完善的野外查勘,可以有效補充城市防洪工程河道流域的第一手資料,從而在計算過程中使參數的定量和定性更加正確、合理。對于不同計算方法和經驗公式,在使用過程中必須注意其公式邏輯結構、適用范圍、以及需要的參變量數據,同時應充分利用城市河道已有的歷史洪水數據作為印證參考,反推出更加符合城市防洪工程設計洪水計算實際情況的計算數據,以期為城市防洪工程提供準確、可靠、合理的設計洪水參考數據。

4 城市小匯水區域設計洪水計算實例

為了驗證上述3種計算方法在城市防洪工程設計洪水計算過程中的適用條件和正確性,選用某城市某河流作為研究對象,分別采用推理公式法、經驗公式法、以及室外排水公式法對該小匯水區域的設計洪水進行計算分析。

4.1 工程基本概況

一城市某小匯水區域,其計算分析斷面以上的集水區域大多屬于低山和低丘陵地帶,其區域匯水面積F=5.423 km2,城市河流主河槽長度L=2.61 km,河流主河槽平均坡降度J=0.01127,小匯水區域集水區特征參數 θ=11.5。

4.2 計算結果分析

采用推理公式法、經驗公式法(綜合單位線法)、以及室外排水公式法分別計算,其計算結果如表1所示。

表1 不同計算方法獲得計算成果表

從表1可以看出,本工程中采用推理公式法和綜合單位線法,在不同頻率條件下,相對誤差均在10%范圍以內,能夠滿足設計規范要求。城建部門采用的室外排水公式法在 P=1%和P=2%條件下,與推理公式計算結果相對誤差也較小,分別為2.8%和5.2%,而在頻率為P=5%和P=10%條件下,其計算結果相對誤差就相當大,分別為19.2%和36.6%。

從上述分析可知,室外排水公式法中所獲得洪水洪峰流量計算值受小區域洪水重現期頻率P的影響值非常大;對于同頻率條件下,三種計算方法所獲得的設計洪水洪峰流量值誰大誰小,主要取決于室外排水公式法中暴雨歷時長度的選取值,即:水利部門所提出用的推理公式法和經驗公式法(綜合單位線法),比較適用于重現期較大的匯水區域設計洪水洪峰流量計算領域;而城建部門所提出的室外排水公式法,比較適用于重現期較小,暴雨洪水發生較為頻繁的小匯水區域設計洪水洪峰流量計算領域。由于水利部和城建部提出的兩類設計洪水計算方法其規劃設計出發點有很大差異,因此兩種方法不可相互利用,也不可在設計計算過程中取兩者的平均值,否則會影響到城市防洪工程的綜合造價,甚至產生安全問題。

5 結 語

在城市小匯水區域設計洪水計算過程中,無論采用哪種產流和匯流計算經驗公式和方法,均應通過實地查勘等技術手段,盡量獲得本流域或附近相似流域完善準確的實測資料,并結合城市防洪工程的實際情況對各項參數進行全方位的分析和檢驗。洪水設計計算過程中的參數值設定和選取應根據所選用公式和方法的型式及其均化和概化條件來確定,確保觀測分析值和實際設計計算方法相一致的原則。在洪水洪峰流量計算過程中,應選用幾種不同的計算方法進行相互印證,但不可簡單選用幾種方法計算數據平均值,而需要通過該區域歷時洪水資料作反推印證參考,以期獲得符合城市小匯水區域設計洪水實際情況的計算方法,為城市防御小流域洪水提供準確可靠的工程設計數據成果。

[1]David R.Maidment編.水文學手冊[M].張建云,李紀生,譯.北京:科學出版社,2002.

[2]丁文峰,張平倉,陳杰.城市化過程中的水環境問題研究綜述[J].長江科學院院報,2006,(2):21-24.

[3]王金亭.城市防洪[M].鄭州:黃河水利出版社,2008.

[4]盧士強,徐祖信.平原河網水動力模型及求解方法探討[J].資源保護,2003,(3):5-9.

[5]陳家琦,張恭肅.小流域暴雨洪水計算[M].北京:水利電力出版社,1985.

[6]張中和著,北京市市政工程設計研究總院編.給水排水設計手冊(第5冊:城鎮排水)[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社,2004.

[7]譚瓊,李田.城市雨水管渠設計理論與標準問題的探討[J].給水排水,2007,33(1):106-109.

[8]Hunter N M,Horritt M S,Bates P D,et al.An adaptive time step solution for raster-based storage cell modeling of flood-plain inundation[J].Advances in Water Resources,2005,28(9):975-991.

[9]葉守澤.水文水利計算[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[10]鄭春明,張映輝,李旭杭,等.麗水市小流域特征及治理對策[J].浙江水利科技,2001,(4):18-19.