大坦沙岛北片区排涝流量分析研究

2010-06-29蔡剑波于庆嫒

城市道桥与防洪 2010年6期

蔡剑波，林宁，张健，于庆嫒

（1.广州市市政工程设计研究院，广东广州510060；2.广东省航运规划设计院，广东广州510050；3.广东省地质矿产公司，广东广州510080）

1 概述

大坦沙岛位于广州市西部荔湾区，面积3.46km2，南北向长3.7 km，东西向宽1.2 km，呈纺锤形，为珠江西航道、沙贝海、白沙河所环绕。岛屿规划为广州城西的商务、居住和休闲区，岛上通过珠江桥、地铁5号线、6号线与中心城区连接。随着地铁线路的开通，大大加速了整个岛屿的开发，对于完善岛内的防洪排涝体系提出了迫切的要求。而岛上涌口水闸泵站多建于上世纪60-70年代，当时设计标准偏低，加之设备老化，可靠性较低，因此，需在重新论证排涝规模的基础上，重建部分水闸泵站。

目前，8.9 km长环岛珠江堤防已按200 a一遇标准建设，堤顶高程在3.3～4.0 m（珠基，下同），而岛内标高多在1.7～2.6 m之间，因而岛内形成了一个盆地，强降雨遇外江高潮水位时往往需要强排，因此排涝流量的分析确定成为大坦沙岛排涝安全的关键。

如图1所示，根据大坦沙岛地形及水系特征，岛内分成南、北两个独立的排涝片区。本文研究区位于北片区，集水面积为1.35 km2。该片区有东西向和南北向主干河涌排水渠道，通过河涌口水闸泵站排涝。

2 排涝标准

根据《广东省广州市城市排涝总体规划》及《广州市中心城区河涌水系规划》等专项规划精神，大坦沙岛外江堤防防洪（潮）标准为200 a一遇，岛内防洪排涝标准为“20 a一遇不成灾”，同时遭遇外江设计潮位为平均多年年最高潮位。

需要注意的是原规划中所述“20 a一遇24 h暴雨，24 h排干不受灾”的提法，已不适用于城区排涝设计。因为24 h排干是指在农作物的耐淹时间内排干不受灾，而城区2～3 h的水浸，特别是像天河路（岗顶）这样的城市主干道水浸，造成区域交通严重堵塞，上、下班市民怨声载道。城区排涝流量按20 a一遇暴雨不水浸为标准计算确定，具体排涝时段根据汇流面积、时间选定。

3 排涝计算条件与规模论证

3.1 排涝计算边界条件

大坦沙岛北片区洪水过程线：20 a一遇洪水过程线。

外江潮位：平均多年年最高潮位2.13 m。

河涌最高控制水位：河涌地面现状标高为1.7～2.6 m，以较低地面标高1.7 m作为河涌最高控制水位。

地面标高：按相关规划，大坦沙岛内地坪标高将逐步填高至2.8 m，填高后雨水自排，鉴于全面填高所需时间长和投资大，目前涌口水闸泵站流量分析，按局部填高进行设计，即近期岛内新建、改建地块，将局部低洼地面填高至不低于2.0 m。

3.2 规模论证

3.2.1推求片区20 a一遇洪水流量及过程线

对于面积仅1.35 km2，且有4处涌口水闸泵站出口的大坦沙岛北片区这样的小汇水区域的洪水过程线推算，不同于一般河道洪水过程计算。

广东省水利工程通常采用广东省综合单位线法计算洪水过程线。但该方法是根据集水面积2.3～950 km2的50个水文站共639场雨洪对应资料分析综合的，不适宜计算2 km2以下（特别是完全城市化）汇水区域的洪水过程线。对于小面积的洪水过程线，通过对广州暴雨资料的收集分析以及查算《广东省水文图集》、《广东省暴雨径流查算图表使用手册》，采用扣除平均损失率后的净雨过程计算。

针对研究片区面积小的特征，设计净雨过程的计算取6 h珠江三角洲雨型进行暴雨时程分配。

根据《广东省暴雨径流查算图表》，查得研究区域的最大6 h的设计雨型，雨型分布见表1所列。研究区域下垫面包括商住区、道路、绿地、水域等，综合平均损率为4.5 mm/h。

表1 设计来水量及洪水过程线汇总表

由表1可知，20 a一遇降雨净雨主要集中在6-12时的6 h里，其他时段净雨量较分散。该计算前后各拓宽1 h参与计算。

3.2.2外江潮型、潮位关系

由于大坦沙岛沿岸没有水文站，外江设计潮型选用距离涌口最近的下游浮标厂站多年的年最高潮位潮型，其潮位增加0.03 m。所采用的1994年7月23日5-12 h潮位过程，见表2所列。

表2 浮标厂站设计潮型过程数据表

由表2可知：洪水时段6-12时的外江平均多年年最高潮位潮型为0.22～0.68 m之间，按此潮型式，岛内地面高于潮水面，应可自排，不必设置排涝泵站强排。但实际情况却不能保证强降雨洪水遭遇外江低潮位时刻，因此，像大坦沙岛北片区这样的小区域排涝分析不宜按潮型过程计算，而选用平均多年年最高潮位2.13 m作为外江水位，这样才相对安全合理。

3.2.3水位-容积关系

大坦沙岛北片区的水面主要由河沙涌、沙中涌等河涌及水塘组成，水面面积为4.35万m2，水面率仅3.2%。大坦沙岛河涌的景观水位为0.8±0.2 m，可根据气象预报，在台风强降雨来临前，通过涌口水闸泵站提前抢排至0.2 m，据此，确定片区的排涝起调水位为0.2 m。片区内河涌及水塘堤岸修建年代较早，绝大多数为直立式堤岸，不同水位下的水面率变化不大，按平均水面率3.2%计算，以0.2 m起调，得到水位与有效调蓄容量关系，如表3所列。

表3 水位与有效调蓄容量关系表

由表3可知：由于北片区水域面积有限，从0.2 m水位起调至1.7 m最高水位时的总有效调蓄容量仅6.53万m3，约为8 h的总来水量23.37万m2的28%，因此，遇外江设计高潮位，雨水无法自排的情况下，必须通过泵站强排。

3.2.4 6 h排涝过程调节计算

根据片区来水流量特征（见表1），流量介于6.0～12.8 m3/s之间，考虑片区内水面具有调蓄作用，但水面率又不高的情况，排涝流量要小于最大来水流量而大于最小流量，初选排涝流量为6～12 m3/s。

通过前述初选的排涝流量进行试算，联解水量平衡方程，计算得到不同的排涝流量下河涌中段的最高水位。

计算原则为：当洪水遭遇外江5 a一遇高潮位时，外江水位高于岛内水位及片区内地面，各河涌口水闸关闭，岛内涝水由泵站强排。根据片区20 a一遇来水过程，当来水量小于泵站设计流量时，按来水流量抽排。当来水流量大于泵站设计流量时，按设计流量抽排，此时片区内水位上涨。根据洪水过程线及片区内水位-有效调蓄容积关系，得到河涌中段最高水位（控制河涌内最高水位不超过1.7 m）。当泵站设计流量大于来水量时，片区内水位开始下降至低水位0.2 m，直至洪水过程结束。

结合片区内河涌洪水流量、河道断面、河长、糙率等参数，推算涌中段与涌尾的水位差为0.06 m。

经试算：

（1）排涝流量为7.5 m3/s时，涌中段最高水位为11-12时的1.60 m，涌尾水位为1.66 m接近地面标高；而至12-13时涌中段水位已逐渐回落至1.08 m。

（2）排涝流量为7 m3/s时，涌中段最高水位为11-12时的1.80 m，将产生水浸问题，排涝流量偏小。

（3）排涝流量为8 m3/s时，涌中段最高水位为11-12时的1.39 m，涌尾水位为1.45 m，未充分利用调蓄作用。

因此，通过6 h净雨过程，初选大坦沙岛北片区的排涝流量为7.5 m3/s，起调水位为汛期抢排低水位至0.2 m。

三个流量的试算过程如表4所列。

4 其他计算方法

4.1 排水规范

根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）雨水流量计算方法计算最大排涝流量：

表4 排涝流量7.5 m3/s时计算结果汇总表（起调水位0.2 m）

式中：Qs——雨水设计流量，L/s；

q——设计暴雨强度，L/（s·hm2）；

Ψ——径流系数，取0.65；

F——汇水面积，hm2。

大坦沙岛北片区自岛中部向四周涌口最远距离约900 m，根据岛内地势较平坦，河道坡降缓的特征，取平均流速约0.5 m/s，预计汇流时间约为0.58 h，雨水设计流量为25.7 m3/s。

4.2 最大1 h净雨洪水

根据《广东省水文图集》，最大1 h（P=5%）降雨量为106.8 mm，由于降雨时间短，不按平均损失率法计算，按初损后综合径流系数0.7计算，净雨量为 74.76 mm，来水量为 10.1万 m3，扣除6.53万m3河涌可调蓄容量，扣减1 h抽排水量7.5 m3/s×3 600 s/h×1 h=2.7万m3，尚有0.87万m3水量未排，存在水浸问题。当排涝流量取10 m3/s时，才不致水浸。

5 综合选定

综合前述平均损失率法计算的6 h洪水过程、排水规范法雨水流量及综合损失率法1 h净雨，共3种计算排涝计算方法分析，排水规范法只提供雨水流量的最大值，无过程线，无法进行调蓄分析，所得排涝流量偏大，只适用于无调蓄功能的区域，因此排水规范中雨水流量计算方法不适宜本片区排涝流量分析。而6 h排涝调算结果小于1 h的，考虑到城区水浸时间一般为2～3 h的特点，采用1 h的调算结果较合理，因此，以1 h综合损失率法确定北片区的排涝流量为10 m3/s。

6 抢排效果分析

经计算，当汛前未能及时抢排，排涝水位按0.8 m景观水位起调时，有效调蓄容量下降为3.9万m3，1 h排涝流量应为17 m3/s才不致水浸；排涝水位按1.0 m景观水位起调时，有效调蓄容量下降为 3.0万m3，1 h排涝流量应为 19.7 m3/s才不致水浸。可见汛期抢排预降，腾出的涌容量可减少排涝泵站装机规模40%～50%，效果非常明显。