洪潮遭遇中的錯(cuò)峰分析

嚴(yán) 鈺

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

感潮河網(wǎng)地區(qū)的河道一方面受到上游來水的影響，另一方面也受到下游潮位的頂托[1]，因此，在進(jìn)行該區(qū)域水利工程規(guī)模論證時(shí)既要考慮上游的洪水流量，也要考慮下游的潮水位[2]。在以往的工程實(shí)踐中，常采用內(nèi)河設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均高潮位，并將洪水的峰值與潮位的峰值相遭遇作為最不利的計(jì)算工況，以此為依據(jù)來推求工程規(guī)模。

本文針對同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的不同錯(cuò)峰工況，分別進(jìn)行調(diào)蓄演算，選取最不利工況，以此合理地確定工程規(guī)模，保證工程的安全性。

1 研究區(qū)概況

廈門市地處我國東南沿海福建省東南部、九龍江入海處，月美池公園位于廈門市集美區(qū)杏林街道轄區(qū)，總面積約有20.5萬m2，是集美地區(qū)的大型濱海公園，靠近廈門海域杏林灣；月美池是公園中被人為從杏林灣隔出來的一個(gè)海水湖。

月美池上游均為城市用地，水流源短坡降陡，具有匯流速度快，來水暴漲暴落的特性，同時(shí)受外海潮水位的頂托影響，使蓄洪池的洪水退落過程較長，流域內(nèi)澇嚴(yán)重。因此，規(guī)劃在月美池外排杏林灣處設(shè)置強(qiáng)排泵站，以緩解其在遭遇外海潮位頂托時(shí)的內(nèi)澇壓力。泵站的規(guī)模根據(jù)月美池在洪潮遭遇時(shí)的調(diào)蓄演算進(jìn)行論證[3]，保證月美池的最高水位得到控制。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

月美池流域范圍內(nèi)無雨量站，較近的三社站可作為依據(jù)站。位于灌口的三社站有自1966年以來的實(shí)測雨量資料，經(jīng)相關(guān)插補(bǔ)得到該站1956年～2007年共計(jì)52年的降雨資料。其中1956年～1958年資料采用鄰近灌口站資料，1959年～1960年資料采用塘邊站資料。

根據(jù)三社站年最大1 h、3 h、6 h和24 h暴雨資料進(jìn)行頻率分析，采用P-Ⅲ型頻率曲線[4]，離差系數(shù)Cs=3.5CV。各時(shí)段暴雨頻率分布曲線的配線過程在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。其中，時(shí)段雨量平均值按矩法估計(jì)，Cv和Cs的初值按經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與P-Ⅲ型理論曲線絕對離差和最小為準(zhǔn)則得出，然后通過目估適當(dāng)調(diào)整確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

在各暴雨頻率（p）下不同時(shí)段暴雨特征值見表1。

表1 各時(shí)段年最大雨量設(shè)計(jì)成果表

2.2 設(shè)計(jì)洪水

月美池流域集雨面積5.49 km2，匯流總長度約3.5 km，平均比降3.0‰。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨成果和流域特征值資料，采用華東地區(qū)特效流域暴雨推求設(shè)計(jì)洪水法（原水利電力部華東電力規(guī)劃院公式），按照蓄滿產(chǎn)流和推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水，匯流計(jì)算公式如下：

式中：QM為地表洪峰流量，m3/s；F為流域面積，km2；Rt為 子時(shí)段內(nèi)凈雨量，mm；子為匯流時(shí)間，h；J為干流比降；m為匯流參數(shù)；L為匯流長度，t為匯流時(shí)間。

用華東地區(qū)特效流域推理公式法計(jì)算得到各頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，如表2所示。

表2 月美池設(shè)計(jì)洪峰流量 m3/s

根據(jù)福建省暴雨洪水概化過程和概化地表流量過程，同時(shí)按等腰三角形分配地下洪水過程，疊加即得到設(shè)計(jì)洪水過程線，見表3。

表3 月美池設(shè)計(jì)洪水過程（p=2%）

2.3 設(shè)計(jì)潮位

月美池是圈圍杏林灣的部分水域，屬于廈門海域，因此，潮水位分析采用廈門高崎潮位站的潮位資料。本工程以國家海洋局東海分局廈門中心海洋站1998年9月24日提供的廈門海域不同重現(xiàn)期的潮水位特征值資料，作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)，其潮水位特征值見表4。

表4 高崎潮位站不同頻率設(shè)計(jì)高潮位 m

從工程安全角度出發(fā)，排洪設(shè)計(jì)潮型應(yīng)選擇對工程排洪不利，即高潮位和設(shè)計(jì)潮位相近，低潮位高、潮差小的潮型。根據(jù)以上原則，以潮位觀測資料為依據(jù)選擇潮型并加以修正，從而得到設(shè)計(jì)潮型，見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)潮位過程線

3 泵站規(guī)模試算

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)保護(hù)片區(qū)內(nèi)人口和城市重要性，以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，月美池流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，調(diào)洪演算采用50 a一遇洪水遭遇外海多年平均年最高潮位組合，進(jìn)行抽水流量試算。

3.2 水位庫容曲線

月美池原占地面積約為15.0萬m2，受池內(nèi)紅樹林限制以及新建五星級酒店（海灣大酒店面積2.5萬m2）的影響，月美池實(shí)際蓄水面積約為10萬m2。其水位庫容關(guān)系如表5所示。

表5 月美池水位庫容關(guān)系

月美池設(shè)計(jì)池底高程為-1.80m，汛前控制水位0.50 m（計(jì)算的初始水位），最高內(nèi)澇水位按2.80m進(jìn)行控制（排澇工況下，池內(nèi)水位不超過2.80m）。

3.3 調(diào)洪演算

調(diào)洪演算依據(jù)水量平衡公式：

式中：Q1、Q2為計(jì)算時(shí)段始末的來水流量；q1、q2為計(jì)算時(shí)段始末的泄水流量；V1、V2為計(jì)算時(shí)段始末的河涌蓄水量；Δt為計(jì)算時(shí)段，取1 h。

月美池靠外側(cè)海堤設(shè)1條涵洞，并設(shè)置水閘控制水流，在閘門全啟的情況下，泄流流量主要受涵洞影響，其過水?dāng)嗝鏋?孔3.91m（H）×2 m（B）；擋潮閘設(shè)置2孔閘門，單孔閘孔凈寬為2.0m，閘底板高程-1.8m。當(dāng)澇片內(nèi)洪水匯入月美池后，池內(nèi)水位低于外海潮位時(shí)，啟用泵排，關(guān)閉水閘擋潮；當(dāng)池內(nèi)水位高于外海水位時(shí)，關(guān)閉泵排，開啟閘門排水。

以2.80m內(nèi)澇水位作為控制條件，分別計(jì)算潮峰提前1 h、峰峰相遇、潮峰滯后1～4 h等工況所需的泵站規(guī)模。經(jīng)過試算，各工況下所需的排澇流量分別為 11.2m3/s、15.1m3/s、19.0m3/s、24.2m3/s、27.5m3/s、24.0m3/s，其調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程見圖2。

峰峰相遇工況下試算得到的泵站規(guī)模為15.1m3/s，該流量均小于潮峰滯后1 h等工況下所需的泵站規(guī)模；潮峰滯后3 h的工況下試算得到的泵站規(guī)模為27.5m3/s，為各錯(cuò)峰工況下泵站所需的最大流量。以15.1m3/s作為泵站流量，計(jì)算得到潮峰滯后3 h時(shí)月美池的池內(nèi)最高水位為4.14m（見圖3），不能滿足2.80m的控制水位。

圖2 調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程

圖3 調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程（潮峰滯后3 h,泵站規(guī)模15.1 m3/s）

根據(jù)以上排澇演算成果，選用潮峰滯后3 h的錯(cuò)峰工況作為最不利工況，即通過設(shè)置抽排流量27.5m3/s的強(qiáng)排泵站，可在50 a一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均年最高潮位時(shí)，將月美池水位控制在2.80m安全控制水位以下，以適應(yīng)排澇需求，滿足月美池工程的整體布置和月美池流域的防洪排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

為合理論證月美池排海泵站的規(guī)模，本文在50 a一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均年最高潮位的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，分別計(jì)算不同錯(cuò)峰組合工況所需的排澇泵站規(guī)模。根據(jù)計(jì)算，峰峰相遇并非最不利工況，本次工程中的最不利工況為潮峰滯后3 h。因此，在類似感潮河網(wǎng)地區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算時(shí)，不能簡單地采用峰峰相遇的工況，需進(jìn)行不同的錯(cuò)峰遭遇分析計(jì)算，以選取洪潮時(shí)空最不利工況，保障工程的安全可靠性。