大湾区高密度城市设计洪水研究

薛冰贤，吴辉明，张 鹏

(广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510630)

对于流域设计洪水研究，往往采用实测洪水资料以统计频率进行推求，而对一些缺乏洪水观测数据的流域，只能采用其他方法间接推求设计洪水。粤港澳大湾区位于珠江河口三角洲，地区经济发达，人口稠密，由于地处河口地区，潮汐作用明显，缺乏洪水径流监测，在进行城市洪水研究时，河道设计洪水计算一般采用《广东省暴雨径流查算手册》中的综合单位线进行推求。

由于大湾区城市开发程度高，地表硬化面积广，降雨时地表径流偏多，地下径流相对较少；汇流过程依靠雨水口将径流收集进入地下雨水管网，通过管网汇入河道。特殊的下垫面与汇流方式，使得城市与自然下垫面流域洪水过程存在巨大差异，综合单位线法无法准确描述城市河道的洪水过程。

本文选取深圳市宝安区新圳河流域作为研究对象，建立片区地表-管网-河道耦合水动力模型，对比分析耦合模型(简称“模型法”)与综合单位线(简称“单位线法”)两种方法河道设计洪水计算结果，分析城市洪水产流特征，为大湾区城市洪水研究提供参考与借鉴。

1 计算方法

本次分别采用广东省综合单位线以及管网-河道-地表耦合模型进行流域设计洪水计算，为保证计算边界的一致性，采用相同的降雨过程，并且模型计算不考虑流域内工程设施调度的影响。

1.1 综合单位线

综合单位线是在短缺暴雨洪水资料地区，根据流域自然地理特征，推求设计洪水的重要手段。广东省综合单位线是选用集水面积为2.30～950km2的50个水文站共639场雨洪对应资料分析综合得出的，广泛应用于广东省各地区设计洪水研究。

产流分析采用初损后损法。广东省地处南方湿润地区，损失量相对于设计暴雨量来说所占比重很小，全省(包括海南)划分为内陆、粤东沿海和珠江三角洲、粤西沿海、琼雷台地、海南山丘5个产流分区，并根据实际资料反映的集水面积大小的差别，分别给出各分区集水面积大于和小于100km2的产流参数。汇流分析采用线性系统识别的最小二乘法解算经验单位线，综合给出分区分类的无因次单位线表达的经验线型，并从设计条件出发，建立分区的集水区域特征参数与稳定的单位线滞时的关系。单位线使用下列公式计算：

ui=qitp/W

(1)

xi=ti/tp

(2)

式中，ui、xi—无因次单位线纵横坐标;qi、ti—时段单位线的纵横坐标;tp—单位线的上涨历时，h；W=F/3.6为集水区1mm径流深的水量，F—集雨面积，km2。

1.2 水动力模型

根据流域管网、河道断面以及地形资料建立水动力耦合模型。

产流：降雨发生后，部分雨水被地表植物截流；部分下渗进入地下，当降雨强度大于下渗率时，地表开始产流，采用Horton下渗公式进行下渗量计算。

地表汇流：在城市汇流区域中，各种建筑物、道路和街区将城市分割成多个子流域。降雨后，除极少数产流直接进入天然水体，大部分产流以坡面流的形式通过城市排水管网的雨水口进入管网系统。因此，地表汇流采用非线性水库模型，将各子汇水区域化为水深较浅的小型水库，由连续方程和曼宁方程联立求解。

水动力：管网及河道水动力计算采用一维求解的圣维南方程组计算，地表洪水水动力计算采用二维浅水方程计算，从不可压缩流体运动的基本方程忽略物理量沿水深方向的变化，沿水深方向积分，即求得深度平均的平面二维水流运动方程。

模型耦合：以一维、二维模型间水量及动量守恒为前提，通过“互相提供边界”的方式实现一维、二维模型之间的耦合，即：将河道边界、管道检查井作为耦合边界，在二维模型中，耦合边界被定义为独立的水位边界；在一维模型中，耦合边界被定义为旁侧入流。

1.3 设计降雨

采用《广东省暴雨径流查算手册》进行24h设计降雨计算，为两种设计洪水计算方法提供降雨边界。根据查算，新圳河流域设计暴雨成果及时程分配比例见表1、2。

2 研究区概况

新圳河流域位于深圳市宝安区新安街道，地处中心城区，城市开发程度高。流域面积9.485km2，流域内现状雨水主干管约89.92km，管网密度约9.49km/km2，现有62个雨水排口。流域地势北高南低，以广深高速为界，下游高程基本在5m以下，上游高程基本在5m以上。高程4m以下面积占比17.28%，4～5m占比为10.76%，5m以上面积占比为71.96%。对新圳河流域进行下垫面解析，新圳河流域城市下垫面(建成区)占整个片区的80.0%，自然下垫面占比20.0%。流域内仅有1条行洪河道：新圳河，新圳河河长7.8km，平均坡降1.893‰，河道断面基本为矩形，如图1所示。

3 计算结果合理性

3.1 综合单位线

新圳河流域位于深圳市宝安区新安街道，根据《广东省暴雨径流查算手册》查找综合单位线计算参数，即：暴雨径流分区取“Ⅶ1珠江三角洲”、产流参数取“粤东沿海、珠江三角洲”、无因次单位线取“Ⅱ号单位线”、滞时关系取“大陆低区B号线”。

表1 新圳河流域设计降雨计算成果

表2 新圳河流域24h设计降雨时程分配

图1 新圳河流域

3.2 水动力模型

根据各集水区下垫面解析成果，设置模型产汇流参数。由于流域无水文监测资料，因此，采用水量平衡进行模型参数率定。而根据流域下垫面解析结果，参考GB 50014—2021《室外排水设计标准》，新圳河流域综合径流系数约为0.72。

根据计算，不同重现期下，新圳河流域降雨径流深、径流系数见表3。由计算结果可知，5年一遇、10年一遇情况下，径流系数分别为0.70、0.74，与流域下垫面解析得出的径流系数基本相符；而重现期大于10年一遇时，由于雨量较大，径流系数较下垫面解析成果偏大。不同重现期下，两种计算方法流域径流系数基本一致，表明两种方法所计算的洪水过程水量是平衡的，计算参数及结果是合理的，符合流域的实际情况如图2—3所示。

同时，重现期越大，流域径流系数越大。不同重现期下，计算初始状态相同，根据产流计算原理，在流域全面产流的情况下，流域降雨初期管网、地表等初损量、蓄水容量基本相等，而重现期越大，降雨量越大，径流系数则越大，计算结果符合流域产流规律。

4 结果分析

不同重现期下，新圳河流域两种方法设计洪水计算结果见表4。由计算结果可知，模型法较单位线法洪峰流量计算结果偏小，两者差幅约17.4%～38.3%，且洪峰流量差幅与重现期呈正相关关系。各重现期下，模型法与单位线法洪水滞时分别约为10、90min，相较于单位线法，模型法暴雨与径流的响应速度更快。

分析其原因：

第一,单位线法采用广东省Ⅱ号无因次单位线进行计算，计算时不会考虑流域下垫面差异，洪水主要集中在10～14h之间，洪峰流量较大，洪水过程相对尖瘦。

第二,模型法计算时，受城市下垫面及管网汇流模式影响，暴雨与径流的响应速度更快，流域汇流速度更快，降雨前期洪水流量更大；雨锋到来时，受管道过流能力限制以及河道水位顶托对雨水排泄的影响，洪峰流量较小；洪峰过后，河道流量、水位逐渐减小，此时地表及管道中存水逐渐排泄入河，使得河道退流过程较缓，洪水过程相对扁平。

第三,重现期(雨量)越大时，管网过流能力对入河流量的限制越明显；且此时河道流量越大、水位越高，河道对管网的顶托作用越强，使得两种方法计算的洪峰流量差幅越大。

表3 新圳河流域径流系数计算结果

表4 各重现期洪峰流量计算结果

图2 各重现期洪峰流量计算结果

图3 洪水过程计算结果

5 结语

本文选取大湾区高密度城市典型流域进行研究，结果表明。

模型法与单位线法设计洪水计算存在明显差异，单位线洪水主要集中在雨锋后4h以内，洪峰流量较大，滞时较长。而模型能够考虑高密度城市特殊的下垫面和汇流方式，更为准确地描述高密度城市洪水过程：城市下垫面产流迅速、管网汇流较快，洪水滞时短；同时受管网过流能力、河道水位顶托的影响，洪峰流量相对偏小，退流过程较缓。本研究为大湾区城市洪水研究提供借鉴与参考。

由于流域内无实测降雨径流资料，模型未进行详细的率定验证，且流域局部管网数据粗糙，结果存在误差，在今后的研究中将加以改进。