增城永和河流域“6.10”暴雨洪水模擬分析

李碧琦LI Bi-qi

（廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510000）

1 流域概況

永和河為東江右岸一級支流，又稱官湖水，發(fā)源于黃埔區(qū)了歌髻山，自西北向東南流動，經(jīng)流域上游紅旗水庫（小（1）型）、永寧街和新塘鎮(zhèn)流入東江北干流。永和河全長21km，河口以上集雨面積為64.9km2，其中黃埔區(qū)22.7km2，增城區(qū)境內(nèi)42.2km2，永和河流域地理位置見圖1。流域總體地勢為北高南低，流域內(nèi)河流眾多，漫灘、階地發(fā)育。流域多年平均降雨量在1921.6mm 左右，5、6 月份受熱帶海洋氣團(tuán)的影響，易形成強(qiáng)度大、歷時較長的降雨。下游新塘段既受來自東江洪水的頂托，又受來自伶仃洋的潮汐作用，因此，流域內(nèi)主要洪澇來自圍內(nèi)洪水與外江洪水的遭遇，當(dāng)圍內(nèi)降雨較大而外江又處于高水位時，圍內(nèi)易出現(xiàn)內(nèi)澇。2020 年“5·22”暴雨洪水期間，永和河順欣花園段、廣園快速路段、石下村段發(fā)生漫堤。永和河流域的瑤田村、塘美村、官湖村、石下村、官湖地鐵站、新沙地鐵站受淹[1]，廣州地鐵13 號線全線停運(yùn)[2]。

圖1 永和河位置及站點示意圖

2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文共收集到此次降雨洪水過程中流域內(nèi)7 個雨量站及增城區(qū)內(nèi)4 個水位站的實測水雨情資料。各站點在空間分布上相對均勻，可以準(zhǔn)確反應(yīng)整個流域的降雨情況及增城區(qū)內(nèi)河段水位變化。采用實地測量的方式，獲得了各水位站的斷面面積資料。

2.2 研究方法

基于一維洪水演進(jìn)模型，采用試算法（假設(shè)不同的入流過程）來反演永和河“6.10”洪水在河道和地表上的演進(jìn)過程。

模型原理及數(shù)值方法：

采用圣維南方程組[3，4]作為河道非恒定流控制方程，含連續(xù)方程和運(yùn)動方程：

式中：x 為里程（m）；t 為時間（s）；Z 為水位（m）；B 為過水?dāng)嗝嫠鎸挾龋╩）；Q 為流量（m3/s）；q 為側(cè)向單寬流量（m2/s），正值表示流入，負(fù)值表示流出；A 為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；g 為重力加速度（m/s2）；u 為斷面平均流速；β 為校正系數(shù)；R 為水力半徑；c 為謝才系數(shù)，c=R1/6/n，n 為曼寧糙率系數(shù)。

3 暴雨洪水分析

3.1 暴雨過程分析

2023 年6 月10 日凌晨，受北部灣季風(fēng)低壓影響，增城區(qū)出現(xiàn)大到暴雨、局部大暴雨的短時強(qiáng)降雨過程。6 月10 日1 時至6 時，永和河流域面累計降雨量124.6mm，流域逐時降雨分布圖見圖2。

圖2 永和河6 月10 日1-6 時降雨分布圖

6 月10 日1-2 時，永和河流域上中游雨勢較大，章陂橋站錄得流域內(nèi)點降雨量最大值33.5mm，流域平均降雨量20.1mm；2-3 時，下游雨勢較前階段明顯增大，暴雨中心集中于流域中下游，此時章陂橋站錄得1h 降雨量為80mm，簡村站錄得1 小時降雨量45.5mm，流域平均降雨量為41.1mm；3-4 時，降雨中心由南向北移動，其中上游賢江站錄得1 小時降雨71.9mm，章陂橋站錄得雨量明顯下降，僅為9.5mm，流域平均降雨量為43.3mm，剩余站點除簡村外較前一小時均有不同程度的增加；4-5 時，流域內(nèi)雨勢明顯減小，流域平均降雨量為9.8mm，較3-4 時下降77.4%；5-6 時，流域平均降雨量為10.3mm，官湖站錄得降雨量為20mm，其余站點雨量減小。

3.1.1 暴雨籠罩面積分析

本次降雨過程永和河流域歷時5 小時，平均降雨124.6mm，全流域降雨量大于100mm 籠罩面積約為58.9km2，占比90.8%。流域平均最大3 小時降雨量107.7mm，流域降雨量大于100mm 籠罩面積約為36.4km2，占比56.1%。流域平均最大1 小時降雨量57.8mm，全流域降雨量大于50mm 籠罩面積 約 為 53.5km2， 占 比82.5%。具體不同時長雨量覆蓋情況詳見表1。

表1 “6.10”暴雨不同時長雨量覆蓋占流域面積比

3.1.2 暴雨量級分析

點暴雨：由表2 可知，各雨量站中賢江站、章陂橋站1h 降雨量接近或達(dá)到5 年一遇，其余站點均小于5 年一遇；6h 降雨量接近或超5 年一遇的站點共有5 個，分別為賢江站、禾豐站、永崗社區(qū)站、章陂橋站和官湖站；6h 降雨量達(dá)到或超5 年一遇的站點有3 個，分別為禾豐站、章陂橋站、官湖站，這三個站分布相對均勻，在流域上、中、下游均有分布，其余站點不足5 年一遇。

表2 典型歷時最大降雨量統(tǒng)計表 單位：mm

面暴雨（永和河全流域）：由本報告按照算術(shù)平均法和泰森多邊形法分別計算永和河流域各時刻面降雨量，其中算數(shù)平均法1h、3h、6h 降 雨 量 分 別 為43.3mm（不足5 年一遇）、104.5mm（不足5 年一遇）、124.6mm（不足5 年一遇）；泰森多邊形法1h、3h、6h 降雨量分別為42.4mm（不足5 年一遇）、101.6mm（不足5 年一遇）、124.2mm（不足5 年一遇）。

從暴雨過程分析，本次暴雨有降雨歷時較短、短歷時降雨強(qiáng)、整體雨強(qiáng)大、前期雨量大的特點。綜合判斷“6.10”暴雨的重現(xiàn)期為5 年一遇，不超過永和河片區(qū)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 暴雨洪水計算分析

3.2.1 一維河道洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

結(jié)合實際暴雨洪水淹沒情況，一維河道模型范圍為永和河簡村站至河口段，建?？偤娱L為12.0km，其中河段橫斷面采用永和河二期河道整治工程施工圖階段相關(guān)成果及2017 年實測斷面地形，各站點斷面采用本次實測斷面地形。堤防高程根據(jù)本次道路、堤防實測數(shù)據(jù)及高精度DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

模型以簡村站實測水位過程為基礎(chǔ)，結(jié)合簡村站附近河道平均坡降，采用曼寧公式計算出永和河簡村站流量過程，作為上游流量邊界；采用東江新家埔站、大盛站插值后的永和河口潮位過程作為下游潮位邊界條件。針對永和河干流上的阻水橋梁，通過扣除實體面積或加大糙率的方式概化其阻水作用。區(qū)間入流以點源或線源的形式進(jìn)行概化。

3.2.2 一維模型率定

因流域缺乏實測水位、流量數(shù)據(jù)，本文采用《增城區(qū)新塘鎮(zhèn)、永寧街、寧西街防洪（潮）排澇規(guī)劃（2020-2035 年）》中的設(shè)計水文條件計算水面線，并與對應(yīng)的水面線成果進(jìn)行對比驗證。主要河流水面線對比驗證結(jié)果見圖3。模型計算水面線與原成果水面線各段水位變化趨勢基本吻合，各關(guān)鍵斷面的計算對比均不大于0.2m，模型計算精度較高，成果合理，經(jīng)率定后的模型可以用于本次永和河流域“6.10”暴雨洪水復(fù)盤。

圖3 永和河新塘段水面線對比圖

3.2.3 模型計算

本文采用試算法計算各支流入流過程：

①結(jié)合實測降雨過程采用瞬時單位線法計算各支流河口處洪水流量過程，并將其作為試算迭代的初始流量過程Q（t）1，輸入到模型中得到各測站水位過程h（t）1；

②以永和河章陂橋站、塘美站、官湖站實測水位過程h（t）實測為參照，通過對比各站點模擬和實測水位過程的一致性，來判斷入流的合理性，若偏差較大，則重新假定入流曲線Q（t）進(jìn)行計算，直到模擬過程與實測過程相似即可；

③試算時從上游到下游進(jìn)行試算，先后順序：簡村站→章陂橋站→塘美站→官湖站。計算結(jié)果見表3。

表3 洪水復(fù)盤成果（數(shù)學(xué)模型法） 單位：m3/s

參考《增城區(qū)新塘鎮(zhèn)、永寧街、寧西街防洪（潮）排澇規(guī)劃（2021-2035 年）》永和河流域設(shè)計洪水成果，簡村站“6.10”洪水歸槽峰值流量為191m3/s，約10 年一遇，章陂橋站“6.10”洪水歸槽峰值流量為336m3/s，超10 年一遇；永和河河口“6.10”洪水歸槽峰值流量為378m3/s，超10 年一遇。綜合判斷可認(rèn)為本次“6.10”暴雨產(chǎn)生的洪水為超10 年一遇。

4 成因分析

4.1 流域干支流遭遇同頻暴雨

根據(jù)前述暴雨分析可知，2023 年“6.10”暴雨期間，永和河上游賢江、禾豐、永崗社區(qū)三個氣象站，雨峰位置均位于6 月10 日3 時-4 時之間，上游各小流域發(fā)生同頻短歷時暴雨；同時，由于暴雨中心自東南向西北，上游發(fā)生同頻暴雨時，中下游各站點雖雨峰已過，但河道仍處于高水位；由此可判斷永和河新塘段峰值時刻洪水主要由于流域干支流遭遇同頻暴雨所致，本地降雨導(dǎo)致高水位再遭遇上游來水。各站點1h、3h 降雨量雖不足或接近5 年一遇，但在各小流域洪水匯入永和河干流后，其洪水量級突然增大，結(jié)合水動力模型計算結(jié)果，可認(rèn)為本次“6.10”暴雨產(chǎn)生的洪水為10-20 年一遇，局部河段超過永和河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)?！?.10”暴雨具有雨強(qiáng)大、歷時短、同頻率等特點，是造成永和河新塘段發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的主要原因。

4.2 橋梁等卡口縮窄河道斷面，影響河道行洪

永和河矮崗河匯口-廣深鐵路段從上游至下游有荔新大道、廣園快速路和廣深鐵路等跨河橋梁，在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，跨河橋梁橋墩及橋面阻水較為嚴(yán)重，形成卡口，使得洪水位迅速壅高，部分洪水漫過兩側(cè)堤防直接進(jìn)入保護(hù)區(qū)。

4.3 局部河段防洪不達(dá)標(biāo)

目前永和河永寧段已完成河道整治，整治標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，下游新塘段尚未進(jìn)行系統(tǒng)整治，有堤河段多為土堤，堤身低矮，防洪標(biāo)準(zhǔn)僅5-10 年。①永和河矮崗河匯口-廣深鐵路段，河段長度約1.6km，在河段首尾有2 條比較大的支流（矮崗河、東埔河）匯入，但河道卻并未進(jìn)行拓寬整治，且該河段內(nèi)阻水建筑物眾多（橋梁、過流堰等），河道行洪能力較差。②廣深鐵路-永和河河口段，局部河段防洪不達(dá)標(biāo)，如石下村沿河左岸堤防有缺口導(dǎo)致河水上岸，久裕村沿河右岸停車場處堤圍較低導(dǎo)致河水上岸。

4.4 地勢低洼易澇

永和河流域上游西北方向多為山地，地勢較高，下游河道兩岸官湖村、久裕村、石下村地勢低洼[5]，平均高程3-4m，最低處僅2m。一旦發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)暴雨后，區(qū)域內(nèi)水淹多因河道洪水位頂托導(dǎo)致自身排水能力不夠或河道內(nèi)洪水發(fā)生漫溢進(jìn)入保護(hù)區(qū)所致。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，以上區(qū)域逢暴雨必淹，一般淹沒水深在0.3-0.4m。

5 結(jié)論

“6.10”暴雨期間，永和河流域降雨有降雨歷時較短、短歷時降雨強(qiáng)、整體雨強(qiáng)大、前期雨量大的特點。綜合判斷“6.10”暴雨為5 年一遇，不超過永和河片區(qū)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)。永和河上游各小流域發(fā)生同頻短歷時暴雨，導(dǎo)致流域洪水量級超暴雨量級，經(jīng)模型復(fù)演章陂橋站、永和河河口“6.10”洪水峰值流量量級約超10 年一遇。綜合認(rèn)為本次“6.10”暴雨產(chǎn)生的洪水為超10 年一遇，局部河段超過永和河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實地情況分析，永和河流域“6.10”暴雨洪澇災(zāi)害成因主要包括：流域干支流遭遇同頻短歷時暴雨，橋梁等卡口影響河道行洪，局部河段防洪不達(dá)標(biāo)，下游地勢低洼易澇等。研究為今后永和河流域的防洪、水利工程規(guī)劃與建設(shè)提供重要參考，也可為地方政府后續(xù)防洪、防汛減災(zāi)決策提供有效的技術(shù)支撐。