普济圩食品加工园区规划竖向标高确定方法

石 超

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

普济圩二分场涝水位与规划的食品工业园用地竖向标高、填土高度、提高排涝泵站机排能力之间关系密切。在保证食品工业园用地安全的前提下，如何科学、合理确定园区的用地竖向高程，对食品工业园今后建设的经济合理性具有重要意义，因此在食品加工园区单元控制性详细规划编制阶段进行本项目的研究非常必要。

1 基本情况

陈瑶湖流域主要由枫沙湖、小陈瑶湖、竹丝湖三大水系组成。枫沙湖水系主要河流为横埠河，发源于枞阳庐江两县交界的三官山，其支流在龟形山汇合，经毛竹园至九儿潭闸逐步渐进入圩畈区。在九儿潭闸分为二支，一支向南与汤沟河汇合后，在湖东闸处入江，另一支向东经枫沙湖湖区，横埠新后河，在梳桩台闸处入江。

小陈瑶湖流域基本为圩畈区，是陈瑶湖流域相对独立的流域，与枫沙湖之间通过双河口闸控制，实现分泄枫沙湖洪水。小陈瑶湖流域内河道为圩区排水沟渠，主要水系有环圩干沟，沙池河等。

流域内现有7个圩口承担蓄滞洪任务，均分布在小陈瑶湖周边，分别为凤凰圩、元宝岭圩、小普济圩、七墩圩、其凤圩、高桥联圩和普济圩农场二分场，七圩口总耕地面积3.76万亩，其中普济圩农场二分场圩内耕地面积2.4万亩。

普济圩农场二分场西接小陈瑶湖、南抵沙池河、东临环圩干沟，是普济圩农场的政治、经济、文化中心，是国家级农机示范场、安徽省现代农业示范场、万亩高产示范区、现代农业科技园区、稻渔综合种养普济圩农业示范区和有机大米生产基地，是普济圩农场经济发展的核心区域。现状防洪工程主要有沙池河堤防、陈瑶湖堤防、环圩干渠堤防及北埂河堤防。现状排涝工程主要有排涝涵闸、排涝站以及排涝沟渠。由于地势低洼，自排条件差，排涝主要依靠排涝站机排，圩区排涝站先排入内部河道、排涝干沟，再通过河道干沟出口排涝站排入环圩干渠。二分场内现有排涝站3座，总装机990 kW，设计排涝流量10.9 m3/s。

铜陵普农食品加工园区位于普济圩二分场东北部，现状普济圩种子公司南侧，规划总面积2.0 km2，其中近期规划面积1.1 km2，远期0.9 km2。食品加工园区规划范围及陈瑶湖流域总体概况见图1。

图1 食品加工园区与陈瑶湖流域位置关系图

2 涝水位计算

2.1 排涝标准及范围

按照食品工业园建设要求，并结合当地调蓄、排水条件，除涝标准采用20年一遇，按24 h暴雨地面不积水计算。

普济圩农场二分场在陈瑶湖流域是一个相对独立的排区，现状通过桥北新站、二场八分渠站、二场四支渠站三个排涝站向环圩干渠排水，再通过沿江泵站抽排入江。根据陈瑶湖治理规划，沙池一站、红旗站等沿江泵站以及环圩干渠治理工程实施后，二分场涝水通过对江泵站直接抽排入江。

根据以上分析及园区用地布局及发展安排，将整个二分场作为1个排水区，排涝控制面积17.3 km2。

2.2 计算研究区库容曲线

由于食品工业园地面高程高于涝水位，因此需要计算圩区扣除了园区2 km2对应的库容曲线。圩区地形平坦，具有较多的等高点，但等高线非常稀疏，通过水文学公式和方法计算库容难度较大，且不易衡量结果的可靠性。而将时段降水过程线以面雨平铺形式加载入圩区方式不考虑地形，具有很大的不确定性。GIS三维表面分析可以利用现有等高点数据，通过插值方法和三角网算法建立三维数据模型，实现空间分析功能，可以获得比较准确的圩区库容曲线。

2.2.1 计算原理

(1)构建TIN原理

求取地表物质体积关键在于对原始地形的表述。地表是由无数个点组成的表面，而通常所获得的只是离散的有限数据，因此对于原始地形的任何表述只能是模拟和近似。各种模拟和近似的方法，都是基于地表连续和渐变的假定。

TIN是基于矢量的数字地理数据的一种形式，通过一系列折点(点)组成三角形，将一系列边连接各个折点，形成三角网。目前有多种不同的插值方法可以生成TIN，Delaunay三角测量法是其中最常用的一种。

Delaunay三角网生成也有许多成熟算法，本文采用递归生长算法。其基本过程为：①在所有数据中取任意一点l(一般从几何中心附近开始)，查找距离此点最近的点2，相连后作为初始基线1-2；②在初始基线右边应用Delaunay法则搜寻第三点3，形成第一个Delaunay三角形；③以此三角形的两条新边(2-3，3-1)作为新的初始基线；④重复步骤②和③直至所有数据点处理完毕。该算法主要的工作是在大量数据点中搜寻给定基线符合要求的邻域点。一种比较简单的搜索方法是通过计算三角形外接圆的圆心和半径来完成对邻域点的搜索。为减少搜索时间，还可以预先将数据按X或Y坐标分块并进行排序。使用外接圆的搜索方法限定了基线的待选邻域点，因而降低了用于搜寻Delaunay三角网的计算时间。如果引入约束线段，则在确定第三点时还要判断形成的三角形边是否与约束线段交叉。递归生长算法示意图见图2。

图2 递归生长算法生成Delaunay三角网示意图

(2)库容计算原理

传统的计算库容方法有等高线法、断面法、方格网法等，这些方法耗费的人力、物力较多，且精度多受限于地形或断面测量数据。实践表明，利用地统计分析方法计算库容，测算范围不受地形限制，既适用于平坦地区，也适用于地形变化较大的地区[1]。由样本点插值生成拟合表面，无论是计算精度还是计算效率都比较高。

地统计分析方法计算库容原理：GIS三维分析以现有数据或经空间插值后的数据去近似表述各微元的地形，将研究区域分成微小的单元(三角网或者网格)，然后叠加在给定高程面下所有的椎体或柱体体积，从而求得所有的台地体积，这些台地体积之和即为高程下的总库容[2]。库容计算原理示意图见图3。

图3 某一高程下库容计算原理示意图

2.2.2 计算过程

(1)数据处理

根据排区1∶10000地形图，将高程点转换成Shp点格式，排区作为约束面，建立三维TIN数据模型。

TIN为不规则三角网模型，在地理信息系统中有广泛应用：根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，数字高程有连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的位置和密度，能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征[3]。

(2)构建DEM

数字高程模型(简称DEM)，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，可以高效地对地形进行分析、计算和统计。

为便于后续统计分析，根据前面构建的TIN模型可以直接转换为DEM模型，本次将输出的DEM像元大小设置为1×1，即每个像元为1 m2。

(3)库容曲线计算

利用GIS的表面分析功能，可以求出DEM范围内某一高程以下的表面积和体积，也即为所推求的库容曲线。根据上述建模过程，二分场扣除加工园区后的库容曲线成果见图4。

图4 二分场区内高程～库容曲线

2.3 涝水计算

涝水位与流域暴雨特性、设计暴雨、调蓄能力、泵站外排能力密切相关。基于以上因素，本文分现状工况(利用桥北新站、二场八分渠站、二场四支渠站三个排涝站抽排入环圩干渠)、规划工况(沙池一站建成后)等两种工况分析涝水位。

本次设计暴雨分别采用《暴雨等值线图》和利用雨量站雨量资料进行排频分析两种途径推求。前者由《暴雨等值线图》，查得横埠河流域年最大点雨量均值P1h=42 mm，P24h=115 mm，P3d=165 mm；1 h暴雨Cv=0.55，24 h暴雨Cv=0.60，3 d暴雨Cv=0.57，Cs=3.5Cv。后者根据流域内北埂站、横埠站多站平均实测最大1 d、3 d暴雨资料统计排频成果[4]。两种途径推求设计暴雨成果见表1。

表1 设计暴雨成果表

由于等值线图的描绘考虑与周边地区的雨量成果的衔接，对地形条件、高低值地区变化规律、抽样误差及各种历时参数图之间的协调等作全面考虑，不拘泥于个别点据的数值，在适线时还考虑到临近地区已出现的特大值数据，参考等值线图的设计暴雨偏安全，故本设计暴雨采用等值线图成果，即5年、10年、20年一遇最大24 h暴雨分别为155 mm、204 mm、253 mm，最大3 d暴雨分别为223 mm、287 mm、353 mm。

3 分析与探讨

3.1 确定涝水位

偏安全考虑前期沟塘蓄满条件下(6 m以下水塘死库容蓄满)，根据降雨量、二分场高程～库容曲线等，计算不同工况涝水位，结果见表2。

表2 不同工况涝水位分析结果表

由表2可知，两种工况下，二分场涝水位在9.33 m～9.38 m，偏安全考虑，取9.50 m。

3.2 问题探讨

食品工业园所在二分场现状地面高程9.1 m～9.4 m，本文通过分析20年一遇涝水位，可为园区竖向标高确定提供技术支撑。食品工业园园区地面标高根据涝水位、区内排水体系布置等综合确定。

根据陈瑶湖治理规划，陈瑶湖20年一遇、50年一遇设计洪水位分别为11.0 m、11.5 m，现状堤顶高程基本满足50年一遇防洪标准要求，部分堤段堤身单薄，后期需实施加固。沙池河按20年一遇水位11.0 m进行堤防加固，考虑堤顶超高后，可使遇50年一遇水位时洪水不漫堤。在陈瑶湖堤防加固、沙池河堤防加固，以及沙池一站、红旗站、王套站、湖东新站等泵站及配套工程建成后，遭遇50年一遇洪水时，二分场可不进洪，基本保障食品工业园安全。

如遇特大洪水，省防汛抗旱指挥部要求二分场承担蓄洪任务时，若仍需保证食品工业园安全，园区地面标高应超过11.5 m。

4 结语

通过计算排区内涝水量，结合GIS三维模型及空间分析功能推求圩区库容，根据滞蓄水量确定涝水位。为二分场食品工业园用地竖向标高、填土高度、排涝设施布局提供了科学、合理的技术支撑，可以为圩区类似建设工程提供参考。