基于綜合單位線法地下水設計洪水計算

張 杰

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

東莞市城市規(guī)劃展覽館位于南城旗峰路西北側，2014 年3月30 日和4 月3 日的強降雨均造成了嚴重澇災及損失。考慮到區(qū)域沒有足夠的水文地質資料，本文擬利用綜合單位線法對該區(qū)域地下水設計洪水進行分析，以期判斷造成澇災的主要原因。

1 綜合單位線

在給定的流域上，單位時段內均勻分布的單位地面（直接）凈雨量，在流域出口斷面形成的地面（直接）徑流過程線，稱之為單位線[1]。廣東省綜合單位線法是通過對納希瞬時單位線方法的深入研究，并汲取國內外經驗，提出的一套具有廣東特色的綜合單位線。其選用了廣東省內集水面積為30 km2～950 km2的50個水文站共639 場雨洪對應資料進行分析綜合，資料使用到1983 年。產流分析采用初損后損法，匯流分析主要采用應用于線性系統(tǒng)識別的最小二乘法解算經驗單位線，綜合給出分類的以無因次單位線ui-xi表達的經驗線型。并從實際條件出發(fā)，建立分區(qū)集水區(qū)域特征參數θ 與穩(wěn)定的單位線滯時m1的關系[2-3]：

式中：ui為無因次單位線的縱坐標（比值）；xi為無因次單位線的橫坐標（比值）；qi為時段單位線的縱坐標，m3/s；ti為時段單位線的橫坐標，h；tp為時段單位線的上漲歷時，h；W=F/3.6，相當于 1 mm 的凈雨所形成的時段單位的總洪量，F 為流域面積，km2；Δt 為時間間隔，h；K 為無因次單位線的一階原點矩；L 為河長，m；J 為河道比降。

2 東莞市規(guī)劃展覽館概況

東莞市城市規(guī)劃展覽館位于南城旗峰路西北側，原市委黨校地塊內（見圖1），占地面積為3.46 hm2，總建筑面積1.5 hm2，包括主展示區(qū)，公示辦公樓及配套建筑。

圖1 東莞市城市規(guī)劃展覽館位置示意圖

由于規(guī)劃展覽館的主展示區(qū)設計在老黨校的水塘下面，主展示區(qū)的東、西分別設下沉平臺和人工湖，高程均低于地面。由于這種“下沉式”的結構，加上建設區(qū)雨水系統(tǒng)尚未完善，造成了施工場地特別是主展示區(qū)的內澇災害。2014 年3 月30 日和4 月3 日的強降雨均造成了下沉平臺處地下水噴涌和大量雨水從人工湖倒灌至主展示區(qū)負二層的嚴重澇災及損失。

規(guī)劃展覽館地表水匯水范圍被南北面的兩座小山、西面的東方華府和東面的旗峰路包圍（見圖2），地表水匯水面積為5 萬m2。

圖2 規(guī)劃展覽館地表水匯水區(qū)域圖

地下水匯水范圍較大，根據歷史1∶1000、1∶10000、現狀1∶500 地形圖及《東莞市規(guī)劃展覽館擬建場地工程物探勘查報告》研究成果，雖然地形地貌與歷史上相比發(fā)生較大變化，但地下水匯水范圍基本不受影響，根據歷史地形圖對高程高于館址歷史高程的區(qū)域進行劃分，地下水匯水面積為31.2 萬m（2見圖3）。

圖3 規(guī)劃展覽館地下水匯水區(qū)域圖

3 地下水設計洪水

3.1 地下匯水基本參數

地下水主要是由一場降雨的后損下滲產生，本次計算按20 年一遇降雨過程與平均扣損二者的最小值作為地下凈雨進行綜合單位線計算。

根據本項目所在位置的五萬分之一航測地形圖量算，各項地理參數：

地下匯水面積：0.312 km2；坡降J=0.0435；集水區(qū)域特征參

本項目位于《廣東省暴雨徑流查算圖表》分區(qū)的珠江三角洲分區(qū)，應采用珠江三角洲設計雨型，暴雨低區(qū)的αt-t-F 關系圖，粵東沿海、珠江三角洲產流參數，廣東省綜合單位線滯時m1-Θ 關系圖中的大陸低區(qū)（即B 線），III 號無因次單位線。考慮到地下徑流的匯流時間長，單位線滯時m1=2.46。

適宜計算時段Δt=1/3 h。

3.2 單位線的計算

單位線上漲歷時：

計算得到單位線：

3.3 設計洪水過程線

采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的經驗值，最大24 小時，下滲量4.5 mm/h，其余時段2.7 mm/h；對比設計暴雨過程，若時段降雨量小于上述經驗值，則全部下滲，若大于，則下滲量為經驗值4.5 mm/h 或2.7 mm/h。

表2 下滲量計算表

采用單位線計算方法列表計算得到地下徑流過程，見表3、圖 4。

圖4 地下徑流過程線

表3 地下徑流過程（p=5%） 單位：流量m3/s

3.4 地下水設計洪水合理性分析

由于滲流參數：滲透系數（k）、透水斷面面積（A）、滲流總水頭（h）以及滲流距離（L）等均不確定，因此無法采用達西定律進行復核。

本次地下水設計洪水采用能量守恒定律進行復核，根據機械能守恒公式:mgh=1/2mv2，可得v=(2gh)0.5，根據場地施工人員觀察，地下水噴高在1.5 m 左右，可計算得v=5.4 m/s。根據現場查勘，4 個噴水口大小在0.01 m2～0.02 m2左右，可計算地下水噴水流量為0.216 m3/s～0.4322 m3/s。因此地下水綜合單位線計算結果0.389 m3/s 是合理的。另外，根據東莞市城鄉(xiāng)規(guī)劃局最新水文地質勘查結果，極端天氣場地地下水涌水量估算結果為713.82 m3/h（0.20 m3/s），小于綜合單位線計算結果。

4 結論

通過分析廣東省綜合單位線法計算設計洪水的原理，提出應用該方法計算地下水設計洪水，經復核分析，結果可靠合理。