廣州“5.22”暴雨及暴雨洪水量級分析

張 欣,張大偉,陳 琰

(廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣東 廣州 510635)

受全球氣候變暖和城鎮化進程的影響，近年廣州市極端暴雨發生概率增加，強度愈來愈大，暴雨內澇災害已成為影響廣州城市水安全的突出問題[1-3]。

2020年5月21日夜間到22日早晨，廣州市普降大暴雨，局部特大暴雨，受本次強降雨影響，全市共有443處出現積水，多地出現水淹現象，廣州地鐵13號線官湖地鐵站、新沙地鐵站及南沙區間風井嚴重浸水，致使地鐵13號線停運，對社會產生了極大的不良影響。

為分析“5.22”強降雨及暴雨洪水量級，本文以地鐵13號線官湖站所在的官湖河流域為研究對象，采用多種方法進行流域設計暴雨量計算，以設計面暴雨量為基礎資料，利用綜合單位線法進行河道主要控制斷面設計洪水計算分析；選取代表性雨量站，對各站在“5.22”暴雨期間的實測降雨資料進行統計分析，并與流域設計暴雨量相比較，給出流域降雨各歷時暴雨量的等級；以流域綜合單位線及“5.22”實測降雨過程為基礎，用卷積公式計算設計洪水過程線，并與流域設計洪水相比較，給出流域各歷時暴雨洪水的等級。

1 流域概況

官湖河為東江一級支流，發源于廣州市黃埔區華峰，由西北向東南流動，縱貫永和開發區，經紅旗水庫、永寧街和新塘鎮后流入東江北干流。流域上游受紅旗水庫控制，紅旗水庫集雨面積為1.6 km2，總庫容為132萬m3，屬小(1)型水庫。官湖河河口以上(含紅旗水庫)集雨面積為67.28 km2，河道總長度為21.9 km，河道平均坡降為2‰。

匯入官湖河的支流主要有6條，分別為大陂河、東浦河、官湖支涌、石下左支涌、石下右支涌和新街支涌。官湖河流域水系分布見圖1所示。

圖1 官湖河流域水系分布示意

流域內雨量站主要為紅旗水庫站，無水文測站，官湖河流域附近雨量站主要有位于雅瑤河流域的萬田水庫、永和河、余家莊水庫及溫涌流域的禾叉窿水庫、南崗街道、水聲水庫等。官湖河及附近雅瑤河、溫涌流域雨量站分布如圖2所示。

圖2 官湖河流域及附近雨量站點分布示意

2 設計暴雨及設計洪水計算

2.1 設計暴雨計算

流域各種歷時設計暴雨量的計算，可根據流域大小和資料條件采用不同的方法進行：① 在流域有較長系列的面暴雨量資料時，可采用數理統計方法直接計算；② 在流域面暴雨量資料短缺時，可利用暴雨參數等值線圖，通過設計點暴雨和暴雨的點面關系間接推算設計面暴雨量[4]。本文分別采用以上兩種方法對官湖河流域各歷時設計暴雨進行推求。

2.1.1實測暴雨分析

本文收集到官湖河流域附近萬田水庫1991—2019年共29 a實測年最大24 h降雨量，根據實測的年最大24 h降雨量系列采用P-Ⅲ適線法進行頻率分析，適線成果如圖3所示，萬田水庫各頻率24 h設計點雨量成果見表1。

圖3 萬田水庫年最大24 h降雨頻率曲線示意

2.1.2查算圖表

由于官湖河流域范圍內沒有實測水文資料，通過查算《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》和《廣東省水文圖集》(2003年版)求得各時段流域中心點暴雨均值Ht平均和變差系數Cv值，計算流域設計點雨量，計算成果見表2。

表2 設計點暴雨成果

由表1及表2對比分析，《廣東省暴雨徑流查算圖表》成果整體較實測降雨排頻成果偏大，《廣東省暴雨徑流查算圖表》由廣東省水文總站編制，成果均經各協作片區內相鄰省之間和相鄰片區之間的拼接協調，又由全國暴雨洪水分析計算協調小組辦公室組織全國拼接協調及專家小組詳細審查、通過驗收。

綜合以上分析，從流域設計暴雨時、空要求以及偏安全角度等方面綜合考慮，本研究選用查算圖表成果。

通常求解超參數的方法是利用邊緣似然函數來推導模型的參數,最終采用共軛梯度法獲得邊緣似然最大值來求解超參數。但是,共軛梯度法存在明顯缺點,例如容易陷入局部最優解、對初始值依賴性強等。為了克服共軛梯度法學習超參數的缺點,很多學者利用已有的一些其他優化算法來學習超參數,如粒子群算法、人工蟻群算法以及遺傳算法等[12-14]。相比之下,遺傳算法具有極強的自組性,對種群的初始值沒有要求,在多目標隱性參數的優化求解上有著良好的應用。此外,遺傳算法不需要利用一階導數的信息,比共軛梯度法更加簡單,也更容易操作。因此,本小節利用遺傳算法來優化超參數。具體步驟如下:

2.2 設計洪水計算

設計洪水盡可能用流量資料來計算，當沒有可以直接引用的流量資料時，可采用暴雨資料來計算設計洪水[5-7]。官湖河流域內無滿足設計洪水分析計算要求的實測洪峰流量系列資料，因此設計洪水采用設計暴雨推求。

本研究采用廣東省綜合單位線法，求得官湖河主要控制斷面的設計洪峰流量見表3。

表3 官湖河主要控制斷面設計洪水成果

2.3 流域洪水淹沒分析

官湖河為東江北干流右岸的一條一級支流，參考《廣州市防洪防澇系統建設標準指引(暫行)》[8]，流域排澇為主時，以流域內頻率洪水過程遭遇東江北干流多年平均高高潮位為計算條件，估算官湖河流域洪澇淹沒情況。

由以上洪潮遭遇工況，分別繪制官湖河流域50年、100年一遇設計洪水淹沒風險示意(見圖4～5)。

圖4 官湖河流域50年一遇設計洪水淹沒風險示意

流域發生50年及100年一遇設計洪水時，官湖河流域淹沒范圍主要集中在河道中下游東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區域。

3 “5.22”實測暴雨分析

3.1 實測降雨過程

為分析本場降雨期間，官湖河流域降雨量等級及暴雨產匯流洪水量級，本研究收集到流域內及附近紅旗水庫、水聲水庫、新塘站、永和河、禾叉隆水庫站、南崗街道站和萬田水庫站等共7個雨量站(見圖2)“5.22”暴雨實測降雨過程，禾叉隆水庫站、南崗街道站及永和河降雨過程見表4所示，降雨由凌晨1:30至上午9:30，歷時約8 h，1 h、3 h、6 h和總降雨量統計見表5。

表4 官湖河流域附近雨量站實測降雨過程

表5 “5.22”暴雨實測降雨統計 mm

3.2 暴雨等級

將“5.22”暴雨各歷時點雨量與設計暴雨進行對比，萬田水庫站與永和河站1 h降雨量為20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量約為50年一遇。新塘站1 h降雨量為20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量約為100年一遇。

4 “5.22”實測暴雨洪水分析

4.1 實測暴雨洪水過程

本研究實測暴雨洪水過程計算采用綜合單位線法。降雨過程采用永和河站“5.22”實測降雨過程，綜合單位線參數與設計洪水計算參數保持一致，用卷積公式計算設計洪水過程線。

經計算，官湖河新沙大道斷面、官湖河河口斷面“5.22”流量過程分別見圖6～7，其斷面洪峰流量分別為452 m3/s、430 m3/s。

圖6 官湖河新沙大道斷面“5.22” 暴雨期間來水過程示意

4.2 洪水量級

“5.22”暴雨降雨期間，官湖河河口來流洪峰為452 m3/s，大于50年一遇洪峰439 m3/s，官湖河新沙大道斷面來流洪峰為430 m3/s，大于50年一遇洪峰424 m3/s。

圖7官湖河河口斷面“5.22” 暴雨期間來水過程示意

4.3 流域實測暴雨洪水淹沒分析

通過對廣州市“5.22”暴雨洪水淹沒情況進行實地調查考證，根據流域大范圍實測地形圖，結合暴雨期間實際淹沒情況繪制“5.22”暴雨洪水淹沒范圍(見圖8)。

圖8 廣州市“5.22”暴雨洪水淹沒范圍示意

“5.22”暴雨洪水造成官湖河流域出現大面積水浸，官湖河沿線淹沒范圍上至矮崗河匯入口上游，創想路橋南側河道左岸，下至新街支涌涌口附近區域，東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區域受淹，受淹區域的淹沒水深在0.8～1.8 m范圍內，淹沒面積總計約450 hm2。

將圖8與圖4及圖5進行對比分析，“5.22”暴雨期間，官湖河流域實際淹沒范圍基本上與50年一遇設計洪水淹沒范圍一致，相比略大。以設計洪水及實測暴雨洪水淹沒范圍進行對比分析，“5.22”場次暴雨洪水等級略大于50年一遇。

5 結語

1)2020年的“5.22”特大暴雨具有強度大、歷時短、范圍廣和面雨量大的特點，這是造成本場特大暴雨雨洪不同頻的主要原因。

2)根據官湖河流域實測降雨資料，綜合判斷“5.22”暴雨為100年一遇，超過官湖河流域現狀及規劃防洪排澇標準。

3)采用綜合單位線法計算分析“5.22”暴雨洪水，官湖河流域洪水大于50年一遇。

4)“5.22”暴雨對官湖河流域造成的淹沒主要集中在官湖河支流東埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸區域