平原河網地區區域防洪標準分析

莊天文

摘要： 在大量工程建設中，水文站點較少，普遍對工程防洪要求考慮不足，使工程難以長期有效。平原河網地區水位變化的影響因素復雜，本文基于修正后的水文資料，通過頻率分析計算，推求設計洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計算區域內工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，以典型區域為例作進一步計算說明。本文的研究成果可以為平原河網地區城市（鎮）建設、堤防高程控制提供技術參考。

Abstract： In a large number of construction projects， there are few hydrological sites， reflecting the general lack of consideration for engineering flood control requirements， which makes the project difficult to be long-term effective. Factors influencing the change of water level in plain river network are complex. Based on the modified hydrological data， through frequency analysis calculation， this paper deduces the design flood level eigenvalues， draws the flood contour maps， and calculates the minimum control height and embankment design elevation for engineering construction ground in the area， and carries on further calculation with typical area as example. The research results of this paper can provide technical reference for the construction of the city （town） and the embankment elevation control in the plain river network area.

關鍵詞： 平原河網；防洪標準；水文

Key words： plain river network；flood control standard；hydrology

中圖分類號：TV122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0241-02

1 問題的提出

洪澇災害是影響國民經濟發展的主要災害之一。在各項國民經濟建設中，防洪因素是一項必須考慮的重要工作內容[1]。但水利防洪工作在許多行業和區域沒有同步跟進，很大程度上成了社會進一步發展的短板。且平原河網地區的水位變化與水利工程調度、地面沉降、農業種植結構調整等影響因素息息相關，導致洪水標準的分析研究更趨復雜，主要在于：①在各項工程建設中，小區域內水位資料缺乏，水文資料覆蓋面不足，需要對每一項工程進行水文分析和防洪計算，過程繁瑣。尤其在非水利行業的工程建設中，因不熟悉當地水文條件，通常對工程防洪要求考慮不足[2]。②50年代后期以來，由于地面沉降、周邊邊界條件的變化，使區域內暴雨下墊面發生了較大變化。隨著區域經濟的發展，地下水大量地被開采，各地形成許多的漏斗形地面沉降區[3]，對整個平原河網地區的防洪形勢造成了極為嚴重的影響，使得大范圍的洪澇災害進一步加劇。③由于農業種植結構調整及各項國民經濟建設，圩區內調蓄能力大幅下降[4]，單位降水量引起的水位漲幅變大。大規模圩區建設、土地平整，雖然提高了各圩區內防洪排澇能力，但不可避免地減小了外港的水面積，在相同降雨量下促使洪水位進一步抬高。

本文基于修正后的水文資料，通過頻率分析計算，推求設計洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計算區域內工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，以典型區域為例作進一步計算說明。

2 設計洪水位計算

2.1 水文觀測資料修正

地面沉降使水文站觀測數值發生較大失真，降低了水利工程的防洪能力，有必要對已測水位進行統一的地面沉降修正。根據各地市國土資源局提供的《地面沉降監測報告》，確定歷史區域內累計地面沉降量，作為水位修正值。初步擬定預期地面沉降量，作為防洪標準安全余量ΔH。

工程建設和農業種植結構的調整使水利下墊面工況發生變化，提高了抗洪排澇的要求，有必要對已測水位進行相應調整。水位分為三個時間段系列：第一階段為初始狀態，第二階段為圩區布局形成階段，第三階段大規模水利建設階段。在水位系列修正時，均以工程已經實施的第三階段（代表現狀階段）為洪水形成條件的統一基礎，依據區域內的暴雨量不隨水利工程建設的影響，分三個階段通過區域內暴雨量與由此暴雨所引起的水位漲幅線性回歸。以第三階段回歸線為基準回歸線，第一階段或二階段內的回歸線與基準回歸線之間水位漲幅的差值即為該階段內相應暴雨量的水位調整值。

2.2 站點防洪水位分析計算

對于防洪問題，需確定保護區域內設計洪水位的重現期。設計水位的推求有兩種方法：一種是“過程模擬”，即水力計算。另一種是數理統計，即不管水流和水位的時空變化過程，通過對長系列實測資料進行統計分析，推求出設計洪水位。

平原河網地區的市（鎮）區及周邊地區地勢平坦，河流縱橫交叉，水流順逆不定，水位和流量關系非常復雜，且受到境外上游區域來水量、下游排水通道排泄量和當地暴雨綜合控制[5]。區域內研究范圍的水力要素和水流結構與整個平原河網地區息息相關，難以獨立確定研究范圍的邊界條件，故難以采用“過程模擬”計算出區域內設計水位。資料的收集和計算非常復雜，本文計算均采用數理統計方法，以PIII型曲線進行適線，得到洪水頻率曲線。按照設計洪水重現期，在該曲線上取得相對應的設計洪水位。

2.3 區域防洪水位分析計算

由于水文站分布較少，大部分區域內并無可直接引用的長系列洪水位資料。通過洪水等值線圖的繪制，可以擴展區域內洪水特征值的范圍，在圖紙范圍內任何地方進行工程設計建設，均可直接查閱套用設計洪水位。

根據某行政區域內多個國家基本水文觀測站的某一重現期對應的設計洪水位，按照水文站之間距離與水位落差，采用內插法原理，即可繪制洪水等值線圖。洪水頻率分析計算和洪水等值線圖，基本描述了區域內在設計洪水條件下的洪水位與水流流動的基本方向。

3 防洪水位的確定

3.1 城市（鎮）建設地面最低高程控制

建議城市（鎮）建設地面最低高程控制值按下式計算：

區域內工程建設最低高程=設計洪水位+A′+ΔH

式中，A′為安全超高。鑒于地面加高后區域內整體防洪能力較強，A′按《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）[6]中容許越浪取值。例如，重現期50年時為0.4m；重現期20年時為0.3m。

ΔH為預期地面沉降量。

3.2 堤防建設最低高程控制

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）[6]，堤防的安全加高值由下式確定：

Y=R+e+A

式中，Y為堤頂超高；R為設計波浪爬高（m）；e為設計風壅增水高度（m）；A為安全加高。根據洪水重現期，按照容許越浪或不容許越浪分別考慮。

由于平原河網地區地面沉降現象嚴重，為保證堤防建成后的后續應用，考慮預計地面沉降量ΔH，即

Y=R+e+A+ΔH

4 典型區域計算分析

上述高程控制值的影響因素及計算方法解決了水文資料密度不足的問題，適用于平原河網地區各項工程建設。現以典型區域——桐鄉市相關數據為例，進一步計算分析說明。

桐鄉市境內河港縱橫交錯，是典型的江南水網平原，是杭嘉湖平原“洪水過境走廊”。市域多年平均降雨量1246.7mm，年平均降水約141天。

根據嘉興市國土資源局提供的《嘉興市地面沉降監測報告》，初步擬定各鎮、街道在2030年前的預期地面沉降量。以崇德站、烏鎮站、桐鄉站為基點分析推求洪水位，見表1，從而繪制洪水等值線圖。

根據洪水等值線圖，初步確定各鎮街道的設計洪水位，見表2。由于每一個鎮（街道）的范圍較大，同一鎮（街道）區域內的洪水位有差異，為便于應用，以各鎮街道政府所在地作為設計洪水位取值點。

確定各鎮街道行政區域內的城鎮建設最低高程控制值（表3）和規劃建設堤防高程理論值（表4）。為方便應用，對于采用五十年一遇、二十年一遇的防洪標準與采用土堤、構筑物防洪工程。

5 結語

防洪工程建設是一項長期的任務，按既定的防洪標準建設，能有效減少投資和節約社會資源，使工程有效使用和長治久安。考慮到水利工程調度、地面沉降、農業種植結構調整等影響因素，通過水文數據的調整和頻率計算，得出以下結論：①洪水等值線圖可表示分析區域內任意點位的水位特征值，在實際工程設計建設中，可直接查閱套用設計洪水位，使用快捷方便。合理設定防洪工程的建設標準對于有效治理水患、合理配置水資源、節省工程投資與延長工程壽命都有重要的意義。②區域內工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，為各項國民經濟建設提供了防洪標準參考，更利于防洪工作快速有效的開展。

防洪堤防的建設必須在一個具體的標準下建設。當遇到標準以內的洪水時，保證不出險；當遇到超標準洪水時，應能夠最大限度地減輕受災損失。本文的研究成果可運用于平原河網地區城市（鎮）工業民用建筑建設、水利工程建設、海綿城市建設、公路交通工程建設等等各項國民經濟建設中，為城市地面高程控制和堤防高程控制提供參考。

參考文獻：

[1]喻君杰.大范圍平原河網地區防洪標準分析研究[J].灌溉排水學報，2013，32（2）：57-60.

[2]劉俊，張建濤，劉翔，等.平原河網城市水資源綜合規劃防洪校核研究[J].河海大學學報（自然科學版），2006，34（6）：603-605.

[3]周載陽.地下水開采引起地面沉降的機理研究[J].工程勘察，2012，40（3）：22-26.

[4]周峰，呂慧華，許有鵬.城鎮化平原河網區下墊面特征變化及洪澇影響研究[J].長江流域資源與環境，2015，24（12）：2094-2099.

[5]趙建波.平原河網地區不同頻率設計暴雨下的洪水位計算方法[D].河海大學，2008.

[6]GB50286-2013，堤防工程設計規范[S].