城市洪水计算方法探讨

李满刚

(运城市水利勘测设计研究院,山西 运城 044000)

目前我国经济的高速发展,城市化建设步伐越来越快,建设水平也越来越高。据不完全统计资料表明,2006年,我国东、中、西部等发达地区的城市化水平已分别达到了54.6%、40.4%和35.7%,其中最高的东部沿海城市上海,其城市化水平已高达88.7%;其次是北京和天津,其城市水平分别为84.3%和75.7%。城市化水平的提高一方面推动了城市经济的迅猛发展,但同时也带来了地区人口密度的急剧加大,城市生态环境条件被破坏,进而引起局部气候和城市水循环条件发生变化,城市防洪排涝问题日显突出[1-2]。结合城市发展的实际情况,对城市现有的防洪工程进行除险加固,有针对性的新建防洪工程以完善城市综合防洪体系,已成为当前城市水务规划设计人员研究的一个重要内容。计算城市洪水洪峰流量是确定城区小汇水范围内防洪水工建筑物断面尺寸的主要依据。当前,我国绝大部分城市小汇流区域一般没有实测的河川径流资料,在进行防洪水工建筑物设计时,所需的设计洪峰流量一般按照暴雨资料来间接推求。城市小汇水面积的洪水计算方法有水利部门和城乡建设部门颁发的两套计算方案,其中水利部颁发的文件中,城市小汇水区域设计洪水计算主要采用水科院水文所的推理公式法(全称:水利部中国水利水电科学研究院水文研究所公式法)和经验公式法;而城乡建设部门在城市小汇水区域设计洪水计算时则采用室外排水设计流量公式法。上述几种方法在推导原理、适用条件等均有很大差异,因此计算结果也会存在很大差别。本文将对上述三种方法的适用条件、设计洪水计算要点、计算结果等进行详细比对分析,以期为城市小汇水区域防洪工程设计洪水计算提供准确计算参考,确保城市防洪工程设施规模具有较高的性能水平,有效完善城市防洪体系[3]。

1 区域雨洪特点

1.1 降雨特点

城市防洪设计过程中考虑的小区域降雨特性,主要指在不同降雨成因条件下,降雨所具有的时程分配和空间分布特性,主要按历时长短、降雨强度、以及分布均匀与否、暴雨中心移动与否四个方面的内容进行考虑。对小汇水区域而言,一般认为降雨流域面积不是很大,即常规设计过程中,通常将暴雨分布近似按均匀分布进行计算。但从大量实际观测数据资料来看,小汇水区域暴雨分布呈现明显非均布特性。从降雨特性来看,处于小汇水区域的暴雨呈现分布不均匀特性多半是由于暴雨中心位置发生移动引起,即在进行暴雨分析计算时,其分析计算时段Δ t应考虑到暴雨中心位移问题。对于小汇水区域的降雨,短时段暴雨面受中心偏移影响其分布是不均匀的;对于较长时段的暴雨而言,这种中心偏移引起的不均匀特性又会被降雨时间所均化,即暴雨面分布在长时间段又相对是较均匀的[4-5]。因此,在考虑小汇水区域降雨特性时,通常可以将“Δ t”时间段内或主雨峰时段内暴雨面是否处于均匀分布作为分析降雨特性的依据。

1.2 洪水特点

1.2.1 汇流速度快,预测预报难度较大

由于城市小汇水流域面积较小,其蓄滞洪的能力有限,加上洪水与暴雨间存在密切的时空分布特性,汇流速度非常快。城市河流普遍采用分区治理方法,其小流域汇水能力通常只有几至十几平方公里,易产生骤涨骤落等现象,给小区域洪水预测预报带来较大难度。

1.2.2 洪峰量大,历时短破坏性强

城市小流域洪水通常表现洪源近、水流急、洪峰高、洪量大、历时短、破坏性强等特性,在暴雨之后小区域急剧汇水极易造成城市小流域发生严重的洪涝灾害。如2004年～2005年两年,四川省达州市连续两年遭受“百年一遇”的特大洪涝灾害,其中2004年的洪水,达州市区的州河洪水位暴涨高达18.7 m,洪峰量大,破坏性极强[6]。

1.2.3 地质地貌复杂,极易诱发泥石流等山地灾害

乡镇城市由于其小汇水区域的地质地貌情况十分复杂,加上人为破坏等因素的影响,其生态环境综合性能十分脆弱,洪涝灾害十分严重,特别是丘陵地区的城镇发生暴雨洪水时,极易诱发泥石流、山体滑坡等山地自然灾害。同时小汇水区域的洪水影响具有局部特征,在小区域范围内造成房屋倒塌、城市基础设施损坏、生态环境严重破坏等问题,灾后恢复重建工作困难重重[7]。

2 城市小汇水区域设计洪水计算方法

2.1 水利部门小汇水区域洪峰流量计算法

目前,进行城市防洪工程设计洪水洪峰流量计算时,没有一个完整系统的计算方法体系,但在实际城市防洪工程设计过程中,通常采用水利部中国水利水电科学研究院提出的小流域洪峰流量计算公式进行城市防洪工程设计洪水计算。

2.1.1 推理公式法

从大量文献资料和实际工作经验可知,影响城市小汇流区域面积上洪峰流量的因素十分繁多,用某一种准确的计算方法或推理公式来对不同气候条件、地形地貌、水循环特性的小流域洪水进行定性函数描述,从理论来看是非常困难的,实际也是不可取的。水科院水文所提出的推理公式是一种基于半理论半经验的近似推理公式[8]。推理公式中着重于城市防洪工程设计洪峰流量的计算,并结合暴雨洪水特性可以推求出小汇流区域某时段的洪峰流量和洪水过程线。利用推理公式法进行设计洪水计算时,主要以暴雨演变成洪水的成因为计算基础,同时考虑到洪水洪峰流量的主要影响因素,在假定某些参数条件下,建立一个能够近似估算设计洪水的推理公式,即:

式中:Qm为城市防洪工程设计洪峰流量(m3/s);Ψ为城市河川的径流系数;Sp为暴雨降雨速率(mm/h);τ为小区域流域汇流时间常数(h);n为暴雨强度的递减系数;F为区域汇水面积(km2);L为城市河流主河槽长度(km);m为小区域汇流参数;J为城市河流主河槽平均坡降度;θ为小汇水区域集水区特征参数。

从式(1)可知,推理公式法是把城市小区域流域的产流和汇流等条件均化和概化后,由暴雨水流的连续方程和运动方程相互联解,并结合经验而推导出城市河流流域出口断面的洪峰流量近似值的半理论半经验计算公式。

2.1.2 综合经验公式法

城市小汇水区域的设计洪水综合经验公式中,最为常见的是结合城市防洪工程的实际情况,将洪峰流量与流域汇流面积间建立某种关系,有的考虑到城市所处位置的山区、丘陵和平原区别;有的则考虑下垫面植被、土壤等因素间的差异;有的则考虑洪水重现期、雨量等影响因素,这样在结合设计经验基础上就形成了型式众多的设计洪水经验计算公式。从众多综合经验公式的编制依据及实际应用效果来看,基于本地区实测洪水资料或统计调查分析相关洪水资料基础上形成了综合经验公式,其可以直接近似反映城市小汇水区域设计洪水洪峰流量与其它影响因素间的相互关系[9]。设计中常用的设计洪水洪峰流量计算经验公式为:

式中:K为设计洪水洪峰流量参数。

2.2 城建部门室外排水公式法

室外排水公式法是城建部门进行城市防洪工程规划设计广泛采用的设计洪水计算方法,进行设计洪水流量计算时,主要依据城市排水(雨水)规划统计得到的各雨水出水口的洪峰流量,利用暴雨强度公式和雨水出水口规划设计流量公式联立共同解出城市小汇水区域设计洪水洪峰流量,即:

式中:Q为城市防洪工程设计洪峰流量(m3/s);q为设计暴雨强度〔m3/(s·hm2)〕;P为设计洪水重现期间(a);t1为地面集水时间(min);t2城市泄洪渠道的洪水流行时间(min);m为折算系数;A1,c,b,n为设计洪水计算过程中选取的地方系数。

3 城市小汇水区域设计洪水计算方法选用

我国城市间水文气象、地形地貌、地质等条件相差较大,现有的城市防洪工程设计洪水计算方法较多,要选某一种公式进行统一较为困难。因此,在实际设计计算分析过程中,应在保证一定计算精度和计算结果满足相关设计要求条件的基础上,优选计算不宜太繁琐,约束参数不宜太多的计算公式,以免在近似计算过程中造成误差累积,获得不准确的计算结果。进行城市小汇水区域设计洪水计算时,应采用多种计算方法和途径,分别计算设计洪水洪峰流量。通过不同计算方法结果间的相互比较印证,对提高计算结果的准确性非常重要。计算结果不能简单采用几种方法计算结果的平均值,应该在几种计算结果相互印证正确的前提下,结合工程实际情况优选最能符合城市小汇水区域的计算方法结果。对于城市小汇水区域的设计洪水计算,由于突发洪水现象内部影响和约束影响因素异常繁多,远不是现有的各种估算和经验公式计算结果能够充分真实反应的,故在进行城市防洪工程设计时,要对计算结果进行反复合理性论证分析后,方能用在实际防洪工程设计过程中[10]。

不管采用哪种计算方法或经验公式进行设计洪水洪峰流量计算时,均须对城市小汇水区域进行实地查勘,具体内容包括:①城市小汇水区域暴雨洪水特性调查:通过调查明确暴雨洪水的形成主要原因、暴雨洪水主要特性等特征参数。并尽量搜集完整当地历史发生的大洪水资料;②城市河道形态特征调查:包括河道的纵、横断面深度、冲蚀程度、以及河床基质组成等形态特征信息;③流域生态环境调查:城市河道中植被种类、高度、疏密厚薄程度等生态条件,并测定当地的土壤条件等;④城市防洪水利设施调查:明确河道中的防洪水工建筑物数量、类型,并查看人类活动对暴雨洪水影响情况如违章建筑等。通过合理完善的野外查勘,可以有效补充城市防洪工程河道流域的第一手资料,从而在计算过程中使参数的定量和定性更加正确、合理。对于不同计算方法和经验公式,在使用过程中必须注意其公式逻辑结构、适用范围、以及需要的参变量数据,同时应充分利用城市河道已有的历史洪水数据作为印证参考,反推出更加符合城市防洪工程设计洪水计算实际情况的计算数据,以期为城市防洪工程提供准确、可靠、合理的设计洪水参考数据。

4 城市小汇水区域设计洪水计算实例

为了验证上述3种计算方法在城市防洪工程设计洪水计算过程中的适用条件和正确性,选用某城市某河流作为研究对象,分别采用推理公式法、经验公式法、以及室外排水公式法对该小汇水区域的设计洪水进行计算分析。

4.1 工程基本概况

一城市某小汇水区域,其计算分析断面以上的集水区域大多属于低山和低丘陵地带,其区域汇水面积F=5.423 km2,城市河流主河槽长度L=2.61 km,河流主河槽平均坡降度J=0.01127,小汇水区域集水区特征参数 θ=11.5。

4.2 计算结果分析

采用推理公式法、经验公式法(综合单位线法)、以及室外排水公式法分别计算,其计算结果如表1所示。

表1 不同计算方法获得计算成果表

从表1可以看出,本工程中采用推理公式法和综合单位线法,在不同频率条件下,相对误差均在10%范围以内,能够满足设计规范要求。城建部门采用的室外排水公式法在 P=1%和P=2%条件下,与推理公式计算结果相对误差也较小,分别为2.8%和5.2%,而在频率为P=5%和P=10%条件下,其计算结果相对误差就相当大,分别为19.2%和36.6%。

从上述分析可知,室外排水公式法中所获得洪水洪峰流量计算值受小区域洪水重现期频率P的影响值非常大;对于同频率条件下,三种计算方法所获得的设计洪水洪峰流量值谁大谁小,主要取决于室外排水公式法中暴雨历时长度的选取值,即:水利部门所提出用的推理公式法和经验公式法(综合单位线法),比较适用于重现期较大的汇水区域设计洪水洪峰流量计算领域;而城建部门所提出的室外排水公式法,比较适用于重现期较小,暴雨洪水发生较为频繁的小汇水区域设计洪水洪峰流量计算领域。由于水利部和城建部提出的两类设计洪水计算方法其规划设计出发点有很大差异,因此两种方法不可相互利用,也不可在设计计算过程中取两者的平均值,否则会影响到城市防洪工程的综合造价,甚至产生安全问题。

5 结 语

在城市小汇水区域设计洪水计算过程中,无论采用哪种产流和汇流计算经验公式和方法,均应通过实地查勘等技术手段,尽量获得本流域或附近相似流域完善准确的实测资料,并结合城市防洪工程的实际情况对各项参数进行全方位的分析和检验。洪水设计计算过程中的参数值设定和选取应根据所选用公式和方法的型式及其均化和概化条件来确定,确保观测分析值和实际设计计算方法相一致的原则。在洪水洪峰流量计算过程中,应选用几种不同的计算方法进行相互印证,但不可简单选用几种方法计算数据平均值,而需要通过该区域历时洪水资料作反推印证参考,以期获得符合城市小汇水区域设计洪水实际情况的计算方法,为城市防御小流域洪水提供准确可靠的工程设计数据成果。

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