傳統(tǒng)與現(xiàn)代水文方法相結(jié)合在水系規(guī)劃中的應(yīng)用研究

劉 鑫

（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

近年來越來越多的人意識(shí)到水系規(guī)劃在城市規(guī)劃中的重要性[1]。水系規(guī)劃是在調(diào)查分析現(xiàn)狀水系存在問題的基礎(chǔ)上，基于城市水系防洪排澇、供水、生態(tài)環(huán)境、景觀娛樂等不同功能要求，各功能水系布局之間應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。而防洪排澇保障城市水安全[2]，在水系規(guī)劃中尤為重要。

1 區(qū)域概況

龍江片區(qū)位于福建漳州臺(tái)商投資區(qū)北部上游，距離臺(tái)商投資區(qū)管委會(huì)2 km，漳州臺(tái)商投資區(qū)地處漳州市東部、廈門市西部、龍海市北部，是處于閩南金三角夏漳泉城市聯(lián)盟腹心地帶的節(jié)點(diǎn)城鎮(zhèn)。

規(guī)劃區(qū)北面環(huán)山，群山拱繞，峰巒疊嶂，地形高差較大，內(nèi)部河道主要為山區(qū)型河道，坡降大，且區(qū)域無較大規(guī)模的滯蓄區(qū)，一旦區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降雨形成山洪，一般峰高量大，易造成洪澇災(zāi)害。

區(qū)域目前主要疑難節(jié)點(diǎn)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)1處為下游龍嶼港干流（河道G2）與沈海高速交叉處，此處橋涵寬僅10 m，橋涵上游規(guī)劃地面標(biāo)高僅為9 m；節(jié)點(diǎn)2處為龍嶼港下游鎮(zhèn)區(qū)，該區(qū)域河段河口寬度在8～10 m，過流能力受限制，防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)較低，抵御洪澇災(zāi)害的能力不足。漳州臺(tái)商區(qū)中心城區(qū)防洪排澇規(guī)劃龍嶼港下游過流流量為137 m3/s。

圖1 區(qū)域水系疑難節(jié)點(diǎn)圖

2 規(guī)劃思路與研究方法

2.1 規(guī)劃思路

臺(tái)商投資區(qū)龍江片區(qū)區(qū)域?qū)儆诘湫蜕角鸪鞘械貐^(qū)，規(guī)劃應(yīng)遵循“安全、資源、環(huán)境”三位一體的規(guī)劃思路，而安全作為一切的前提尤為重要，規(guī)劃應(yīng)解決現(xiàn)狀防洪排澇隱患。

此次規(guī)劃主要采用設(shè)置滯洪區(qū)，并輔以拓寬河道，使洪水通過各排洪河道進(jìn)入滯蓄區(qū)，調(diào)蓄后滯洪區(qū)下游水閘下泄到下游河道，減輕下游河道防洪壓力。一方面雖然減少了建設(shè)用地面積，但通過滯蓄區(qū)的調(diào)蓄作用，降低了閘前最高洪水位，減輕區(qū)內(nèi)防洪壓力；另一方面可增加城市水面化率，符合先行宜居城市的發(fā)展趨勢(shì)，增值周邊土地，吸引投資和居住。

2.2 研究方法

龍江片區(qū)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，區(qū)域上游為山區(qū)，且面積較小，適合采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)洪水的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，區(qū)域設(shè)置滯洪區(qū)，應(yīng)進(jìn)行洪水調(diào)蓄計(jì)算，城區(qū)內(nèi)河道比降相對(duì)較小，且區(qū)間有匯流，下游橋涵處河道斷面有縮窄，傳統(tǒng)水文方法計(jì)算相對(duì)困難，適合用現(xiàn)代水文計(jì)算模型構(gòu)建。

特小流域的雨洪特性及參數(shù)變化規(guī)律與中小流域不同，特別反映在匯流條件的變化上，特小流域面積很小，一般小于10 km2，坡面匯流在流域匯流中占有不可忽視的地位。由于坡面的下墊面條件變化很大，反映流域匯流的匯流參數(shù)隨下墊面條件的變化范圍更寬，遠(yuǎn)比反映流域特征（θ=L/J1/3）的影響大，因此特小流域洪水計(jì)算隨下墊面條件的差異變化很大。

此次上游山區(qū)設(shè)計(jì)洪水采用華東地區(qū)特小流域暴雨推求設(shè)計(jì)洪水方法[3]（原水利電力部華東電力規(guī)劃院公式），根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨成果和流域特征值資料，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：

求解時(shí)必須聯(lián)解上述兩式，通過試算求解。對(duì)任意的 Δt時(shí)段，其Q1、Q2、q1、V1已知，欲求q2、V2。其求解步驟是：假定V2（或q2）后，代入式（4）可求得q2（或V2），再以此q2（或V2）代入式（5）算得V2（或q2）后，若計(jì)算的與假定的一致，則試算完成，否則重新假定V2（或q2），直到滿足為止。

此次河道匯流采用丹麥DHI的MIKE 11模型，MIKE 11一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件主要用

此次滯洪區(qū)調(diào)蓄計(jì)算通過聯(lián)解河道水量平衡方程和相應(yīng)排澇蓄泄方程實(shí)現(xiàn)。對(duì)調(diào)蓄過程中任一Δt（Δt=t2-t1）時(shí)段，計(jì)算式可表示如下：于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預(yù)報(bào)、水資源水量水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)論證均得到廣泛應(yīng)用[4]。

其中水動(dòng)力模塊（HD）原理是采用6點(diǎn)Abbott～I(xiàn)onescu有限差分格式對(duì)圣維南方程組求解[5]，方程組的基本形式如下：

模型中水工控制建筑物包括水閘、船閘、涵洞、泵站等。在水流模擬中，不僅要正確地模擬這些工程措施的規(guī)模、位置，同時(shí)也要模擬這些工程措施的控制運(yùn)行方式。在MIKE 11模型中水工建筑物的設(shè)置一般非常直觀，直接輸入設(shè)計(jì)參數(shù)即可，同時(shí)也可以自定義其他各種水工建筑物，極大地豐富了對(duì)各類實(shí)際工程情況的模擬[6]。在此次研究中主要涉及橋涵的設(shè)置。

3 水文分析計(jì)算

3.1 匯水分區(qū)劃分

根據(jù)流域內(nèi)水系分布、地形地勢(shì)、水庫和防洪控制位置及河網(wǎng)水力計(jì)算需求，將項(xiàng)目區(qū)劃分成6個(gè)匯流分區(qū)（見圖2），面積合計(jì)22.03 km2。各分區(qū)情況見表1。

圖2 流域分區(qū)圖

表1 分區(qū)參數(shù)表

3.2 設(shè)計(jì)洪水

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沒有設(shè)立水文站，無實(shí)測(cè)流量資料，僅設(shè)有角美雨量站，可收集到實(shí)測(cè)降雨資料。角美雨量站有1973～2011年的連續(xù)實(shí)測(cè)資料，由于角美雨量站實(shí)測(cè)降雨資料記錄時(shí)段未統(tǒng)一，難以統(tǒng)計(jì)到逐年最大1 h、3 h、6 h降雨量。流域鄰近石碼站、漳州站有45 a以上連續(xù)觀測(cè)資料。

根據(jù)降雨資料推算20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨為266.17 mm的時(shí)程分配，參考《福建省推理公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水手冊(cè)》中“福建省最大24 h降雨概化過程線”表，通過計(jì)算，得到該區(qū)域相應(yīng)的24 h雨量時(shí)程分配（見圖3）。

圖3 20 a一遇設(shè)計(jì)暴雨過程

根據(jù)龍江地區(qū)下墊面情況，設(shè)計(jì)洪水選擇華東特小流域Ⅱ-2類，其中m=0.510θ0.092，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各分區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果表

3.3 MIKE 11模型構(gòu)建

河網(wǎng)概化包括河道及控制建筑物概化。河網(wǎng)概化遵循突出骨干河道，保留需重點(diǎn)研究的非骨干河道，并使概化后的河網(wǎng)調(diào)蓄庫容與實(shí)際保持一致，概化河道斷面過流能力、控制建筑物規(guī)模及調(diào)度情況與實(shí)際相一致的原則。概化河道需要的參數(shù)有河道長(zhǎng)度、河底高程、斷面形式、河道糙率等。河道長(zhǎng)度、河底高程、斷面形式均根據(jù)此次設(shè)計(jì)擬定。

此次計(jì)算涉及項(xiàng)目區(qū)內(nèi)7條河道，總長(zhǎng)度約8.74 km，水工建筑物有滯洪區(qū)出口處水閘，共布置約30個(gè)河道斷面。河道概化如圖4所示。

圖4 河網(wǎng)模型概化圖

3.3.1 邊界條件

水利計(jì)算模型在選取邊界條件時(shí)充分考慮了平原洪水和山區(qū)洪水的錯(cuò)時(shí)問題、澇水匯入問題及設(shè)計(jì)洪水與下游水位的組合等情況，邊界條件的確定如下：

（1）上邊界。河道上游邊界條件為項(xiàng)目區(qū)各匯流分區(qū)匯入河網(wǎng)的流量過程，山區(qū)流量邊界數(shù)量有4個(gè)，城市化平原區(qū)域區(qū)間入流邊界有2個(gè)。

（2）下邊界。采用高干渠20 a一遇水位（最高水位5.1 m）作為下邊界。

3.3.2 相關(guān)參數(shù)

河道斷面資料采用規(guī)劃河道規(guī)模。河道初始水深采用0.5～1.5 m計(jì)算，河道糙率考慮設(shè)計(jì)河道斷面有較多形式的護(hù)岸，根據(jù)相關(guān)研究成果，規(guī)劃河道糙率在0.02～0.035選取。

4 研究成果

規(guī)劃在區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩個(gè)滯洪區(qū)（見圖5），滯洪區(qū)1（H1）和滯洪區(qū)2（H2）分別設(shè)置180畝、40畝。滯洪區(qū)1湖底高程為11 m，起調(diào)水位為12 m，常水位為12.5 m，高水位為14.5 m；滯洪區(qū)2湖底高程為6.5 m，起調(diào)水位為7.5 m，常水位為8 m，高水位為9.5 m。

區(qū)域預(yù)報(bào)有強(qiáng)降雨時(shí)，提前打開滯洪區(qū)出口處節(jié)制閘將滯洪區(qū)水位分別預(yù)降至12 m（滯洪區(qū)1）和7.5 m（滯洪區(qū)2），預(yù)降水深為0.50 m，騰出調(diào)洪庫容；滯洪區(qū)1下游控制節(jié)制閘下泄流量不超過70 m3/s，滯洪區(qū)2下游節(jié)制閘下泄流量不超過25 m3/s，以保證龍嶼港與沈海高速交叉處的橋涵安全。

圖5 水系節(jié)點(diǎn)分布圖

規(guī)劃河道斷面及計(jì)算成果見表3，可以看見橋涵上R18節(jié)點(diǎn)最高水位為8.53 m，與規(guī)劃地面標(biāo)高9 m相差接近0.5 m，能夠滿足防洪排澇的要求。龍嶼港節(jié)點(diǎn)R22、R23、R24最大過流流量均小于110 m3/s，滿足規(guī)劃不超過137 m3/s的要求。

表3 各河道主要節(jié)點(diǎn)斷面計(jì)算成果

5 結(jié)語

結(jié)合龍江片區(qū)現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃難點(diǎn)，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與現(xiàn)代水文模擬工具M(jìn)IKE 11模型相結(jié)合，構(gòu)建龍江片區(qū)水文模型，模擬片區(qū)水文情況，得出主要成果如下：

（1）根據(jù)水文分析計(jì)算，龍江片區(qū)共需設(shè)置兩個(gè)滯洪區(qū)進(jìn)行調(diào)洪，兩個(gè)滯洪區(qū)規(guī)模分別為180畝和40畝。

（2）兩個(gè)滯洪區(qū)下游需設(shè)置水閘進(jìn)行調(diào)洪控制，滯洪區(qū)1下游水閘控制下泄流量不超過70 m3/s，滯洪區(qū)2下游水閘控制下泄流量不超過25 m3/s。

（3）經(jīng)規(guī)劃，游龍嶼港干流與沈海高速交叉處橋涵上游最高水位為8.53 m，與規(guī)劃路面標(biāo)高保持安全距離。

（4）龍嶼港下游鎮(zhèn)區(qū)最大過流流量控制在110 m3/s以內(nèi)，能夠跟下游片區(qū)規(guī)劃相銜接。