揭陽至惠來鐵路某站點防洪澇設防水位分析

張鑠涵，陳記臣

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635；3. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

近年來由于全球氣候變暖和人類活動的影響，極端水文事件時有發生，洪澇問題日益增多[1]。在揭陽至惠來鐵路某站點的設計中，場區防洪防澇是水文工作的重點內容。根據《防洪標準》[2]，鐵路作為重大基礎設施，防護等級為I級，防洪標準為100年一遇。而該站點所在的揭陽市磐嶺澇區的排澇標準為20年一遇24 h最大設計暴雨1 d排干，鄰近的榕江南北河的防洪標準為50年一遇[3]。因此，現有資料中缺少區域100年一遇防洪澇設防水位成果，使該站點的設計缺少設計依據。防洪澇設防水位的研究一般為調查分析法[4]，但調查分析法主要適用于有大量歷史內澇水位數據的情形，且因洪澇兩者往往難以區分而導致該方法并不適用于易受洪災和澇災雙重影響的地區[5]。而基于水量平衡原理的“平湖法”，其資料獲取較為容易，且計算結果相對合理。目前，已有較多學者開展了對“平湖法”計算防洪澇設防水位的研究，如周俊[6]、廖慶龍[7]和陳立華[8]運用“平湖法”分別計算了安徽省環巢湖大道三岔河濕地復線工程、南寧市軌道交通1號線和亳州市渦陽縣渦北電廠防洪澇設防水位，結果均較為合理。

為滿足揭陽至惠來鐵路某站點的設計要求，本文結合澇區劃分和考慮堤防潰堤與否，通過“平湖法”提出該站點防洪澇設防水位的計算成果，可為該站點的設計提供依據，并為平原區類似工程防洪澇設防水位的計算提供參考。

1 工程位置及區域概況

揭陽至惠來鐵路位于廣東省東南部，起自揭陽站，經揭東區、揭西縣、普寧市、惠來縣，接入在建汕汕鐵路惠來站。因該站點的地面四周由于道路和堤防的阻隔，四周高、中間低，地形呈漏斗狀，故本文選擇該站點作為典型進行分析。該站點位于廣東省揭陽市揭陽產業轉移工業園霖磐鎮的磐嶺澇區內，澇區內地勢平坦，河網密布。該站點位于榕江流域，與榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距離分別為1.8 km和7.5 km(見圖1)。研究區域的多年平均降水量為1 765 mm[3]。降雨量年內分配主要集中在汛期4—9月，汛期降雨量占全年降雨量的83.3%。研究區域位于粵東沿海，且常受東南季風影響，高溫濕熱，暴雨頻繁，歷史上洪澇災害嚴重[9]。

圖1 該站點位置示意

2 研究方法與計算思路

2.1 “平湖法”

“平湖法”以水量平衡為原則，具有嚴格水量平衡的優點，能充分考慮澇區的蓄滯作用，對于平原地區的防洪澇設防水位計算較為實用[10]。

“平湖法”將河網與低洼區域概化為等容積的湖泊進行蓄排演算，其水量平衡公式為[10]：

(1)

式中：

V1，V2——時段初、時段末滯蓄水量，m3；

q1，q2——時段初、時段末澇水流量，m3/s；

Q1，Q2——時段初、時段末排水流量，m3/s。

2.2 計算思路

本文分大小澇區和考慮洪澇同頻遭遇潰堤與否，以較為準確地計算該站點的防洪澇設防水位。

根據該站點所在區域的地形情況，磐嶺澇區的最低點為德橋河下游，為得到偏安全的防洪澇設防水位，不考慮潰堤情形時本文采用不包括德橋河流域的小澇區進行防洪澇設防水位計算。同時，因該站點距離榕江南北河均比較近，故洪澇同頻遭遇并發生超過堤防防洪標準的洪水時考慮了河流潰堤作用，此時的澇區需與榕江南北河均連接，為大澇區。

3 結果與討論

3.1 水文分析

1) 設計暴雨

當無實測降雨資料時，設計暴雨可由地區水文圖集查算[5]。本文采用《廣東省暴雨參數等值線圖》中的各歷時暴雨參數，計算不同頻率的設計點暴雨值(見表1～表2)。根據表1和表2，區域100年一遇24 h最大設計面雨量為381.98 mm。

表1 設計暴雨參數

表2 各頻率設計面雨量 mm

設計雨型采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中粵東沿海Ⅱ區。按照《廣東省暴雨徑流查算圖表》給出的分區產流參數表，對粵東沿海地區、集水面積小于100 km2的流域，平均下滲率為4.5 mm/h。

2) 澇水量計算

結合區域規劃土地利用情況，綜合考慮各組分權重，取綜合徑流系數為0.80，再由降雨量計算澇水量。

3.2 工況設置

1) 工況1：不考慮潰堤情形

該站點所在區域的西側和南側分別為卅嶺水和榕江南河的堤圍，北側和東側分別為省道S234和揭普惠高速公路，結合區域地形情況，可形成一個相對獨立的排澇分區。該排澇片區的面積為24.86km2(見圖2)。

2) 工況2：考慮潰堤情形

因為該站點與榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距離分別為1.8km和7.5km，榕江南河左岸和榕江北河右岸現狀的堤防防洪標準均為50年一遇，當榕江南北河發生100年一遇洪水時則有潰堤可能，因此，本次計算區域100年一遇暴雨遭遇榕江南北河100年一遇洪水潰堤下，進入澇區的水量包括區域暴雨產生的澇水量及榕江南北河潰口涌入的洪水量。潰堤時，該站點所在的工況1所劃的流域邊界將會被淹沒，因此工況2的澇區為磐嶺澇區的集雨范圍。該排澇片區的面積為111.12km2(見圖2)。

注：內圈為工況1的澇區(陰影部分)，外圈為工況2的澇區。

為得到最不利于工程安全的區域內澇水位，本文假定區域澇水與外江洪水遭遇，即2種工況下的區域澇水均無法正常排泄至外江。

1) 邊界條件

工程上游的榕江南河和榕江北河干流上分別有東橋園和赤坎水文站。依據水文比擬法，得到模型的上邊界榕江南河三洲攔河閘與北河水閘100年一遇設計流量分別為6 296m3/s和3 456m3/s；依據已有的水面線計算成果，下邊界榕江南河和北河100年一遇情況下的下洲高速路大橋和潭王大洲處的設計洪水位分別為6.04m(1985國家高程基準，下同)和6.68m。

2) 潰口寬度計算

根據《洪水風險圖編制導則》，該站點附近的榕江南北河潰堤適合用沒有潰痕情況計算潰口寬度的經驗公式[11]：

Bb=1.9(1og10B)4.8+20

(2)

式中:

Bb——潰口寬度，m；

B——河寬，m。

最終確定該站點附近的榕江南河與榕江北河斷面的潰口寬度分別為207.19m和83.77m。

3.3 水位—庫容曲線

根據“平湖法”計算防洪澇設防水位時，澇區水位～庫容曲線的確定對計算結果有著較大影響。根據現場地形查勘和1:10000地形圖，基于ArcGIS平臺，建立數字地形模型并繪制水位—庫容曲線(見圖3)。

a 工況1

3.4 設防水位計算結果

1) 工況1：不考慮潰堤情形

工程所在澇區按遭遇20年、50年和100年一遇降雨，從偏安全的角度，假設該排澇區工況1完全封閉，采用“平湖法”計算最大24h的澇水量對應的澇水位(見表3)。可知，在不考慮潰堤情形下，該站點在100年一遇降雨條件下的防洪澇設防水位為6.62m。

表3 不潰堤下不同頻率的設防水位

2) 工況2：考慮潰堤情形

MIKE11模型在潰堤潰壩和排澇分析中均有廣泛應用[12-13]，本文采用MIKE11模型模擬100年一遇洪水頻率下榕江南河左堤和榕江北河右堤位于該站點附近處發生潰堤的出流洪水過程。

潰堤時，該站點所在的工況一所劃的流域邊界將會被淹沒，因此工況2的澇區為磐嶺澇區的集雨范圍(圖2的外圈)。

根據MIKE11得到的榕江南北河潰堤流量過程，二者的潰堤流量剛開始時均為0。因為榕江南河上邊界流量與河寬均大于榕江北河，故榕江南河堤防先潰堤，而榕江北河在榕江南河潰堤6h后才開始出現潰口，故表4中榕江北河在歷時1h和6h時的潰堤來水量均為0。將該站點所在排澇分區的區域澇水量疊加潰堤洪水量得到總澇水量，根據圖3的水位—庫容曲線，得到相應的設防水位(見表4所示)。可知，在考慮榕江南北河潰堤情形下，該站點在100年一遇降雨條件下的防洪澇設防水位為7.84m。

表4 潰堤下不同歷時的設防水位

3) 設防水位最終計算結果

對以上2種工況的計算結果取較大值(見表5)。可知，綜合考慮大小澇區和潰堤與否，最終得到該站點在100年、50年和20年一遇降雨條件下的防洪澇設防水位推薦值分別為7.84m、6.47m和6.27m。

表5 內澇水位推薦值 m

3.5 合理性分析

1) 該站點附近揭普惠高速公路的防洪標準為50年一遇，其標高為6.8m，本次計算的區域50年一遇的推薦防洪澇設防水位為6.47m，與其接近。

2) 根據《廣東省揭陽市流域綜合規劃修編報告(2005—2030年)》(2011.11)，該站點附近的榕江南河上的三洲攔河壩壩下100年一遇和50年一遇設計水位分別7.734m和7.074m。因本文計算該站點100年一遇的防洪澇設防水位時考慮了潰堤來水量和澇區內的澇雨量，故其值(7.84m)略大于三洲攔河壩壩下100年一遇的設計水位(7.734m)；而計算該站點50年一遇的防洪澇設防水位時僅用澇區內澇雨量進行計算而未考慮潰堤來水量，故其值(6.47m)略小于三洲攔河壩壩下50年一遇的設計水位(7.074m)。因此，本文的防洪澇設防水位計算結果較為合理。

4 結語

1) 在不考慮潰堤情形下，該站點在100年、50年和20年一遇降雨條件下的防洪澇設防水位分別為6.62m、6.47m和6.27m。

2) 因該站點鄰近的榕江南北河河段的堤防防洪標準為50年一遇，故100年一遇降雨頻率下堤防有潰堤的可能，通過MIKE11模型計算潰堤流量，得到該站點在考慮榕江南北河潰堤時100年一遇的防洪澇設防水位為7.84m。