大坦沙島北片區(qū)排澇流量分析研究

蔡劍波 ，林 寧 ，張 健 ，于慶嬡

（1.廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060；2.廣東省航運規(guī)劃設計院，廣東廣州510050；3.廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)公司，廣東廣州510080）

1 概述

大坦沙島位于廣州市西部荔灣區(qū)，面積3.46km2，南北向長3.7 km，東西向?qū)?.2 km，呈紡錘形，為珠江西航道、沙貝海、白沙河所環(huán)繞。島嶼規(guī)劃為廣州城西的商務、居住和休閑區(qū)，島上通過珠江橋、地鐵5號線、6號線與中心城區(qū)連接。隨著地鐵線路的開通，大大加速了整個島嶼的開發(fā)，對于完善島內(nèi)的防洪排澇體系提出了迫切的要求。而島上涌口水閘泵站多建于上世紀60-70年代，當時設計標準偏低，加之設備老化，可靠性較低，因此，需在重新論證排澇規(guī)模的基礎上，重建部分水閘泵站。

目前，8.9 km長環(huán)島珠江堤防已按200 a一遇標準建設，堤頂高程在3.3～4.0 m（珠基，下同），而島內(nèi)標高多在1.7～2.6 m之間，因而島內(nèi)形成了一個盆地，強降雨遇外江高潮水位時往往需要強排，因此排澇流量的分析確定成為大坦沙島排澇安全的關鍵。

如圖1所示，根據(jù)大坦沙島地形及水系特征，島內(nèi)分成南、北兩個獨立的排澇片區(qū)。本文研究區(qū)位于北片區(qū)，集水面積為1.35 km2。該片區(qū)有東西向和南北向主干河涌排水渠道，通過河涌口水閘泵站排澇。

2 排澇標準

根據(jù)《廣東省廣州市城市排澇總體規(guī)劃》及《廣州市中心城區(qū)河涌水系規(guī)劃》等專項規(guī)劃精神，大坦沙島外江堤防防洪（潮）標準為200 a一遇，島內(nèi)防洪排澇標準為“20 a一遇不成災”，同時遭遇外江設計潮位為平均多年年最高潮位。

需要注意的是原規(guī)劃中所述“20 a一遇24 h暴雨，24 h排干不受災”的提法，已不適用于城區(qū)排澇設計。因為24 h排干是指在農(nóng)作物的耐淹時間內(nèi)排干不受災，而城區(qū)2～3 h的水浸，特別是像天河路（崗頂）這樣的城市主干道水浸，造成區(qū)域交通嚴重堵塞，上、下班市民怨聲載道。城區(qū)排澇流量按20 a一遇暴雨不水浸為標準計算確定，具體排澇時段根據(jù)匯流面積、時間選定。

3 排澇計算條件與規(guī)模論證

3.1 排澇計算邊界條件

大坦沙島北片區(qū)洪水過程線：20 a一遇洪水過程線。

外江潮位：平均多年年最高潮位2.13 m。

河涌最高控制水位：河涌地面現(xiàn)狀標高為1.7～2.6 m，以較低地面標高1.7 m作為河涌最高控制水位。

地面標高：按相關規(guī)劃，大坦沙島內(nèi)地坪標高將逐步填高至2.8 m，填高后雨水自排，鑒于全面填高所需時間長和投資大，目前涌口水閘泵站流量分析，按局部填高進行設計，即近期島內(nèi)新建、改建地塊，將局部低洼地面填高至不低于2.0 m。

3.2 規(guī)模論證

3.2.1推求片區(qū)20 a一遇洪水流量及過程線

對于面積僅1.35 km2，且有4處涌口水閘泵站出口的大坦沙島北片區(qū)這樣的小匯水區(qū)域的洪水過程線推算，不同于一般河道洪水過程計算。

廣東省水利工程通常采用廣東省綜合單位線法計算洪水過程線。但該方法是根據(jù)集水面積2.3～950 km2的50個水文站共639場雨洪對應資料分析綜合的，不適宜計算2 km2以下（特別是完全城市化）匯水區(qū)域的洪水過程線。對于小面積的洪水過程線，通過對廣州暴雨資料的收集分析以及查算《廣東省水文圖集》、《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》，采用扣除平均損失率后的凈雨過程計算。

針對研究片區(qū)面積小的特征，設計凈雨過程的計算取6 h珠江三角洲雨型進行暴雨時程分配。

根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表》，查得研究區(qū)域的最大6 h的設計雨型，雨型分布見表1所列。研究區(qū)域下墊面包括商住區(qū)、道路、綠地、水域等，綜合平均損率為4.5 mm/h。

表1 設計來水量及洪水過程線匯總表

由表1可知，20 a一遇降雨凈雨主要集中在6-12時的6 h里，其他時段凈雨量較分散。該計算前后各拓寬1 h參與計算。

3.2.2外江潮型、潮位關系

由于大坦沙島沿岸沒有水文站，外江設計潮型選用距離涌口最近的下游浮標廠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潮位過程，見表2所列。

表2 浮標廠站設計潮型過程數(shù)據(jù)表

由表2可知：洪水時段6-12時的外江平均多年年最高潮位潮型為0.22～0.68 m之間，按此潮型式，島內(nèi)地面高于潮水面，應可自排，不必設置排澇泵站強排。但實際情況卻不能保證強降雨洪水遭遇外江低潮位時刻，因此，像大坦沙島北片區(qū)這樣的小區(qū)域排澇分析不宜按潮型過程計算，而選用平均多年年最高潮位2.13 m作為外江水位，這樣才相對安全合理。

3.2.3水位-容積關系

大坦沙島北片區(qū)的水面主要由河沙涌、沙中涌等河涌及水塘組成，水面面積為4.35萬m2，水面率僅3.2%。大坦沙島河涌的景觀水位為0.8±0.2 m，可根據(jù)氣象預報，在臺風強降雨來臨前，通過涌口水閘泵站提前搶排至0.2 m，據(jù)此，確定片區(qū)的排澇起調(diào)水位為0.2 m。片區(qū)內(nèi)河涌及水塘堤岸修建年代較早，絕大多數(shù)為直立式堤岸，不同水位下的水面率變化不大，按平均水面率3.2%計算，以0.2 m起調(diào)，得到水位與有效調(diào)蓄容量關系，如表3所列。

表3 水位與有效調(diào)蓄容量關系表

由表3可知：由于北片區(qū)水域面積有限，從0.2 m水位起調(diào)至1.7 m最高水位時的總有效調(diào)蓄容量僅6.53萬m3，約為8 h的總來水量23.37萬m2的28%，因此，遇外江設計高潮位，雨水無法自排的情況下，必須通過泵站強排。

3.2.4 6 h排澇過程調(diào)節(jié)計算

根據(jù)片區(qū)來水流量特征（見表1），流量介于6.0～12.8 m3/s之間，考慮片區(qū)內(nèi)水面具有調(diào)蓄作用，但水面率又不高的情況，排澇流量要小于最大來水流量而大于最小流量，初選排澇流量為6～12 m3/s。

通過前述初選的排澇流量進行試算，聯(lián)解水量平衡方程，計算得到不同的排澇流量下河涌中段的最高水位。

計算原則為：當洪水遭遇外江5 a一遇高潮位時，外江水位高于島內(nèi)水位及片區(qū)內(nèi)地面，各河涌口水閘關閉，島內(nèi)澇水由泵站強排。根據(jù)片區(qū)20 a一遇來水過程，當來水量小于泵站設計流量時，按來水流量抽排。當來水流量大于泵站設計流量時，按設計流量抽排，此時片區(qū)內(nèi)水位上漲。根據(jù)洪水過程線及片區(qū)內(nèi)水位-有效調(diào)蓄容積關系，得到河涌中段最高水位（控制河涌內(nèi)最高水位不超過1.7 m）。當泵站設計流量大于來水量時，片區(qū)內(nèi)水位開始下降至低水位0.2 m，直至洪水過程結(jié)束。

結(jié)合片區(qū)內(nèi)河涌洪水流量、河道斷面、河長、糙率等參數(shù)，推算涌中段與涌尾的水位差為0.06 m。

經(jīng)試算：

（1）排澇流量為7.5 m3/s時，涌中段最高水位為11-12時的1.60 m，涌尾水位為1.66 m接近地面標高；而至12-13時涌中段水位已逐漸回落至1.08 m。

（2）排澇流量為7 m3/s時，涌中段最高水位為11-12時的1.80 m，將產(chǎn)生水浸問題，排澇流量偏小。

（3）排澇流量為8 m3/s時，涌中段最高水位為11-12時的1.39 m，涌尾水位為1.45 m，未充分利用調(diào)蓄作用。

因此，通過6 h凈雨過程，初選大坦沙島北片區(qū)的排澇流量為7.5 m3/s，起調(diào)水位為汛期搶排低水位至0.2 m。

三個流量的試算過程如表4所列。

4 其他計算方法

4.1 排水規(guī)范

根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB50014-2006）雨水流量計算方法計算最大排澇流量：

表4 排澇流量7.5 m3/s時計算結(jié)果匯總表（起調(diào)水位0.2 m）

式中：Qs——雨水設計流量，L/s；

q——設計暴雨強度，L/（s·hm2）；

Ψ——徑流系數(shù)，取0.65；

F——匯水面積，hm2。

大坦沙島北片區(qū)自島中部向四周涌口最遠距離約900 m，根據(jù)島內(nèi)地勢較平坦，河道坡降緩的特征，取平均流速約0.5 m/s，預計匯流時間約為0.58 h，雨水設計流量為25.7 m3/s。

4.2 最大1 h凈雨洪水

根據(jù)《廣東省水文圖集》，最大1 h（P=5%）降雨量為106.8 mm，由于降雨時間短，不按平均損失率法計算，按初損后綜合徑流系數(shù)0.7計算，凈雨量為 74.76 mm，來水量為 10.1萬 m3，扣除6.53萬m3河涌可調(diào)蓄容量，扣減1 h抽排水量7.5 m3/s×3 600 s/h×1 h=2.7萬m3，尚有0.87萬m3水量未排，存在水浸問題。當排澇流量取10 m3/s時，才不致水浸。

5 綜合選定

綜合前述平均損失率法計算的6 h洪水過程、排水規(guī)范法雨水流量及綜合損失率法1 h凈雨，共3種計算排澇計算方法分析，排水規(guī)范法只提供雨水流量的最大值，無過程線，無法進行調(diào)蓄分析，所得排澇流量偏大，只適用于無調(diào)蓄功能的區(qū)域，因此排水規(guī)范中雨水流量計算方法不適宜本片區(qū)排澇流量分析。而6 h排澇調(diào)算結(jié)果小于1 h的，考慮到城區(qū)水浸時間一般為2～3 h的特點，采用1 h的調(diào)算結(jié)果較合理，因此，以1 h綜合損失率法確定北片區(qū)的排澇流量為10 m3/s。

6 搶排效果分析

經(jīng)計算，當汛前未能及時搶排，排澇水位按0.8 m景觀水位起調(diào)時，有效調(diào)蓄容量下降為3.9萬m3，1 h排澇流量應為17 m3/s才不致水浸；排澇水位按1.0 m景觀水位起調(diào)時，有效調(diào)蓄容量下降為 3.0萬m3，1 h排澇流量應為 19.7 m3/s才不致水浸。可見汛期搶排預降，騰出的涌容量可減少排澇泵站裝機規(guī)模40%～50%，效果非常明顯。

7 結(jié)語

（1）像大坦沙島北片區(qū)這樣具有小面積、多出口、有調(diào)蓄水域的區(qū)域，在廣州還有很多，在進行排澇分析時，常用的水文及排水計算方法并不適用，可選用綜合損失率法計算最大1 h凈雨洪水。

（2）大坦沙島北片區(qū)排澇流量為10 m3/s。

（3）從降低城區(qū)排澇壓力，緩解水浸的角度出發(fā)，有必要在保持一定水面率（3%～5%）的情況下，強降雨前及時搶排。預降是行之有效的辦法。

[1]竇漢林.廣州南沙區(qū)沙仔島排澇泵站流量的確定[J].中國農(nóng)村水利水電，2006,(9):67-70.

[2]50014-2006，室外排水設計規(guī)范[S].