珠江三角洲地區(qū)防洪排澇水文分析

楊震坤

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

隨著全球氣候變化和人類活動的不斷加劇，洪澇災害已經成為影響人類社會發(fā)展的重要問題之一。在我國的珠江三角洲地區(qū)，由于地形復雜、氣候多變等因素的影響，洪澇災害頻發(fā)，給人民生命財產安全和社會經濟發(fā)展帶來了極大的威脅。因此，防洪排澇已經成為珠江三角洲地區(qū)水利工程建設中的重要任務之一。

本研究以中山市阜沙鎮(zhèn)為例，對珠江三角洲地區(qū)的防洪排澇水文情況進行分析，為該地區(qū)的防洪排澇工程建設提供科學的依據(jù)和指導。在本研究中，采用了多種水文分析方法，包括洪潮遭遇分析、設計暴雨的計算、設計洪水的計算等，對該地區(qū)的水文特征進行了研究和分析。本研究的意義在于為珠江三角洲地區(qū)的防洪排澇工程建設提供科學的水文分析和建議，為該地區(qū)的防洪排澇能力和災害應對能力的提高做出了一定的貢獻。同時，本研究所采用的方法和思路，也可以為珠江三角洲其他地區(qū)的防洪排澇工程建設提供借鑒和參考。

1 流域概況

阜沙鎮(zhèn)位于珠江三角洲南部，屬中山市北部平原，該鎮(zhèn)地勢西北高，東南低，平均海拔1.4m，最高處為浮圩山，海拔67.6m[1]。鎮(zhèn)區(qū)東臨雞鴉水道，西瀕小欖水道，總面積35.6km2，其中圍內面積32.3km2，水域面積3.3km2。鎮(zhèn)內以平原為主，內河涌縱橫交錯，大小河涌約68條，總長約103.47km。阜沙鎮(zhèn)全鎮(zhèn)屬于五鄉(xiāng)聯(lián)圍和大南聯(lián)圍，總面積32.3km2。鎮(zhèn)區(qū)北部和西南部屬五鄉(xiāng)聯(lián)圍，面積24.96km2，東南部屬大南聯(lián)圍，面積7.37km2，五鄉(xiāng)聯(lián)圍北側自西而東緊鄰雞鴉水道，南側自西而東臨小欖水道。雞鴉水道流經阜沙鎮(zhèn)長度8.9km；大南聯(lián)圍位于小欖水道北部。鎮(zhèn)區(qū)小欖水道流經阜沙鎮(zhèn)長度2.9km。

阜沙鎮(zhèn)附近的水文測站主要有鶯哥咀站、小欖(二)站、馬鞍站、橫門站、東河水閘站，其中鶯哥咀站、小欖站、馬鞍站、橫門站是國家級水文站，東河水閘站是由中山市水務局三防指揮部設立的[2]。

2 洪潮遭遇分析

2.1 外江設計水位

本項目的外河設計水位是以《中山市主要閘、涵設計洪潮水面線計算》為基礎，利用鄰近鶯哥咀、小欖、馬鞍、東河等地水位數(shù)據(jù)，分別計算出各站點低潮水位、多年潮水位以及高潮水位，見表1。根據(jù)本區(qū)各外江水閘與鶯哥咀、小欖(二)、馬鞍、東河站的距離，可插值計算得各外江水閘特征潮水位。

表1 各站特征潮水位 單位：m

2.2 洪潮遭遇分析

2.2.1遭遇分析

由于匯水區(qū)各河段均無實測洪水資料，且區(qū)域洪水均以雨量為依據(jù)，故用匯水區(qū)的暴雨流量與外江洪水進行遭遇分析。由于距離本項目最近的馬鞍水文站沒有雨量觀測資料，因此本工程選用橫門站為遭遇分析的參證站[3]。降雨量資料采用橫門站，外江洪潮水位選用該站潮水位觀測資料。

統(tǒng)計橫門站年最大24h暴雨量與發(fā)生暴雨相應時間的橫門站外江日內最高洪潮水位，從安全考慮，取相應日與前后2d的日最高洪潮水位作為最高洪潮水位[4]；取相應日及前、后兩日的日降雨量最大值作為相應日降雨量[5]，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)點繪制內洪與外洪的相關圖，如圖1—2所示，從圖1—2可以看出內洪、外洪(潮)相關點據(jù)散亂，兩者可視為互相獨立的事件，故可采用統(tǒng)計方法確定內洪與外洪遭遇關系。

圖1 內洪為主與相應外江洪水相關圖

圖2 外洪為主與圍內相應洪水相關圖

在遭遇分析中，有兩類抽樣：一是總體抽樣；二是剔除平均以下年份的短序列樣本，也就是豐水年樣本[6]。

在統(tǒng)計方法上，兩種抽樣都可進行水文分析。一是“相應值”的多年平均值，這一數(shù)值與“為主值”相遇的概率最高，且組合結果不會出現(xiàn)超頻，是一個比較合理的選擇；二是將“相應值”從大到小進行排序取在20%左右的“相應值”該方法所遇到的“為主值”概率比較低，所以，組合結果可能會超頻，但為了安全起見，可以在分析洪水和潮汐遭遇時使用[7]。

(1)方案Ⅰ：圍內洪水為主

1)歷年相應日最高洪潮水位的多年平均值；

2)舍棄在相應日最高洪水水位20%左右的年份，以剩余年份對應的日最高洪水水位最大值為基準；

3)豐水年份的相應日最高洪潮水位的多年平均值，橫門站年最大24h降雨量均值為170mm，豐水年份即為年最大24h降雨量大于170mm的年份；

4)放棄相應日在豐水年份最高洪水水位20%左右的年份，并以剩余年份對應的日最高洪水水位最大值為基準。統(tǒng)計結果見表2。

表2 與橫門站年最大24h暴雨相應日最高水位統(tǒng)計表 單位：m

從表2可以看出：豐水樣本的相應洪潮水位均值比總體樣本略大，說明兩者不存在正反比關系，故采用總體樣本的多年平均值作為設計值比較合適，從安全考慮可采用5年一遇相應日洪潮水位進行復核。故將相應值排頻，采用矩法估算參數(shù)。根據(jù)矩法估算的頻率參數(shù)，采用正偏態(tài)進行適線，計算結果見表3。

表3 與橫門站年最大24h暴雨相應日最高水位頻率計算表

綜上所述，圍內洪水為主時，橫門水文站相應外江洪水設計值采用相應日5年一遇最高洪潮水位1.50m，復核值采用10年一遇相應日最高洪潮水位1.68m。

(2)方案Ⅱ：外江洪水為主

1)歷年橫門站相應日降雨量的多年平均值；

2)約80%年份橫門站相應日降雨量最大值。即舍棄約20%橫門站相應日降雨量大的年份，取其余年份相應日降雨量最大值；

3)豐水年份的橫門站相應日降雨量的多年平均值，豐水年份即指外江年最高洪潮水位大于多年平均最高洪潮水位的年份；

4)約80%豐水年份相應日降雨量的最大值，即舍棄約20%豐水年份的相應日降雨量，取其余豐水年份該站相應日降雨量的最大值。統(tǒng)計結果見表4。

表4 與橫門站年最高洪潮水位相應日降雨量統(tǒng)計表 單位：mm

采用矩法估算統(tǒng)計參數(shù)，適線確定圍內相應日暴雨量頻率計算成果，見表5。

表5 與橫門站年最高洪潮水位相應日降雨量頻率計算表

從表5可知，橫門站相應日P=10%設計暴雨值為76.69mm，大于表4中相應日年最高潮水位均值80%年份的最大相應日降雨量47.2mm，說明相應日P=10%設計暴雨76.69mm安全、合理。

2.2.2遭遇分析結論

從以內洪為主、遭遇外潮水位和以外潮為主、遭遇內河相應洪水的計算分析可知，出現(xiàn)10年一遇的大暴雨相遇相應日5年一遇外潮情形的可能性不大，但也存在一定的遭遇可能性。從工程安全角度考慮，計算10年或20年一遇暴雨時，外潮水位宜取相應日5年一遇水位。從以上的分析可知，在以內洪為主的情況下，橫門站“相應日”5年一遇水位為1.50m；在外潮占主導地位的情況下，24h最大暴雨達到76.69mm。珠江河口的潮汐是一種不規(guī)則的半日潮，每天漲潮兩次，在外江的洪水占主導地位時，圍內降雨量較少，且經過河槽和土壤蓄滯作用后，內洪量較小，可在落潮時排出；而以圍內洪水為主時，降雨量大，洪水峰值高、水量大，加上外江潮水頂托，對圍內造成的影響相對嚴重，因此后續(xù)設計洪水計算時選擇內洪為主、外江潮水相應情況。

3 設計暴雨

3.1 自排和電排分區(qū)

阜沙鎮(zhèn)排澇形式有水閘自排和泵站抽排兩種情況，自排時，按自排區(qū)域劃分排水面積，電排時全鎮(zhèn)按一個整體考慮。見表6。

表6 阜沙鎮(zhèn)自排分區(qū)劃分表

根據(jù)區(qū)域地形、水系特點并結合水閘排水情況，在自排情況下，自排區(qū)域按以下幾個原則劃分：①以各外排水閘相連的河涌作為各分區(qū)的中心排水渠道；②以地形高點、公路、山脊線為邊界；③以閉合的聯(lián)圍；④當無公路、山脊線、閉合區(qū)域時，相鄰2個自排區(qū)域以河涌過流能力劃分[8]。根據(jù)以上幾個原則，經現(xiàn)場調查，自排時，擬分為8個片區(qū)，合計總面積37.28km2。其中1區(qū)、8區(qū)屬東鳳鎮(zhèn)的區(qū)域，排區(qū)總面積4.01km2；2區(qū)到7區(qū)自排總面積33.27km2，其中阜沙鎮(zhèn)32.3km2，港口鎮(zhèn)0.97km2。自排區(qū)域劃分情況見表6。

考慮未來阜沙鎮(zhèn)會在新開涌下游新建南強閘、在牛角涌和排灌站河交匯口建牛角涌節(jié)制閘，屆時阜沙鎮(zhèn)將自成排水體系，因此電排時按本鎮(zhèn)在五鄉(xiāng)聯(lián)圍和大南聯(lián)圍的圍內面積進行分區(qū)，總排澇面積32.30km2。

3.2 設計暴雨

根據(jù)廣東省水利廳2003年編寫的《廣東省暴雨徑流查算圖表》的使用手冊(下文簡稱《查算手冊》)，對此次設計暴雨進行了計算分析。根據(jù)廣東省水利廳2003年發(fā)布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》，可得到阜沙鎮(zhèn)各歷時暴雨參數(shù)Ht、Cv值和Cs值。

再根據(jù)阜沙鎮(zhèn)電排區(qū)或水閘自排區(qū)域的集水面積F，查出αt，則可求得阜沙鎮(zhèn)自排區(qū)域不同頻率下的最大1、6、24、72h的設計面暴雨值。設計暴雨計算成果見表7。

表7 設計暴雨計算成果表

4 設計洪水

阜沙鎮(zhèn)的外河洪水以西江、北江為主，經過上游佛山市三水區(qū)思賢滘天然調節(jié)，重新分配組合后，從磨刀門和橫門等口門排入外海。阜沙鎮(zhèn)的內河洪水主要由暴雨形成。其中臺風帶來的暴雨所形成的洪水最大，若此時遭遇外江高潮位，形成頂托，造成的內澇最為嚴重，因此需要對該地區(qū)進行設計洪水的計算。

4.1 各自排區(qū)設計洪水計算

由于阜沙鎮(zhèn)地形平坦，河道縱橫，沒有明顯的分水嶺，因此很難精確地確定主要河段的長度和坡度。因此考慮將阜沙鎮(zhèn)劃分為8個自排區(qū)(其中1區(qū)和8區(qū)是東鳳鎮(zhèn)的面積)來計算各自排區(qū)的設計洪峰流量，具體見表6。以此為依據(jù)，計算各自排區(qū)內水閘、河涌的設計洪峰流量。

除7區(qū)外其他各自排區(qū)的集雨面積都在10km2以下，計算設計洪峰流量時采用廣東省洪峰流量經驗公式法[10]。計算結果見表8。

表8 自排區(qū)洪峰流量計算成果

4.2 各公共河涌及水閘設計洪峰流量

各自排區(qū)水閘設計流量確定方法如下：

根據(jù)河道測量資料，首先統(tǒng)計各自排區(qū)所有內排和外排水閘對應河涌寬度及各區(qū)河涌總寬度，然后計算各水閘對應河涌占該自排區(qū)河道總寬度的比例，各內排和外排閘設計流量按該比例進行分配。

公共河涌和水閘設計流量確定方法：根據(jù)上述方法確定的各內排節(jié)制閘排入各公共河涌的設計洪峰流量，再加上1區(qū)、7區(qū)(東鳳鎮(zhèn))排入阜沙鎮(zhèn)的澇水，各河涌設計流量按自身河寬占水閘需要排除的幾條河涌總寬度的比例進行分配。

4.3 泵站工程設計洪水計算

4.3.1地類統(tǒng)計

根據(jù)阜沙鎮(zhèn)1/10000地形圖和中山市阜沙鎮(zhèn)總體規(guī)劃，遠期城鎮(zhèn)建設用地占該鎮(zhèn)總面積的64.7%，河涌占地約4.33%，水田、魚塘、經濟作物占30.97%，其中水田、魚塘的比例參照該鎮(zhèn)歷年農作物統(tǒng)計資料確定。地類統(tǒng)計情況見表9。

表9 地類統(tǒng)計情況表 單位：km2

4.3.2設計洪量計算

(1)扣損法

參考珠江三角洲區(qū)域制定的扣損值和蓄滯水深經驗值[11]，得出城鎮(zhèn)道路、綠地扣損值以及魚塘、農田蓄滯水深分別為2、3、100mm。利用以上所確定的地類面積、損失值、蓄滯值，以本區(qū)10年、20年一遇的最大24h的設計暴雨為基準，用扣損法可計算出該區(qū)10年、20年一遇的設計產水量。

(2)徑流系數(shù)法

參考珠江三角洲區(qū)域制定的各地類徑流系數(shù)[12]得出本區(qū)域的城鎮(zhèn)道路徑流系數(shù)為0.9、河涌、魚塘、農田三類徑流系數(shù)采用1.0，經濟作物及綠地的徑流系數(shù)法采用0.7，魚塘、農田蓄滯水深為100mm。根據(jù)確定的徑流系數(shù)和地類面積，按10年一遇最大24h設計暴雨，可計算出10年、20年一遇設計產水量。表10為扣損法和徑流系數(shù)法的成果統(tǒng)計表。

表10 泵站工程設計洪量成果對照表

由表10可知，扣損法和徑流系數(shù)法的10年一遇設計洪量分別為695.24萬m3和611.50萬m3，20年一遇設計洪量分別為733.72萬m3和740.79萬m3，兩種方法的計算結果十分接近。

5 結語

根據(jù)洪潮遭遇分析，從工程安全角度考慮，計算10年或20年一遇暴雨時，外潮水位宜取相應日5年一遇水位，珠江三角洲地區(qū)的設計洪水計算時應選擇內洪為主、外江潮水相應情況，另外通過廣東省洪峰流量經驗公式法對阜沙鎮(zhèn)進行了各自排區(qū)設計洪水計算；采用扣損法和徑流系數(shù)法對泵站工程設計洪量成果對比分析，兩種方法的計算結果十分接近。本文的計算分析方法和成果可為珠江三角洲流域類似地區(qū)以及阜沙鎮(zhèn)后期水利規(guī)劃建設提供參考。