平原河網(wǎng)地區(qū)區(qū)域防洪標準分析

莊天文

摘要： 在大量工程建設中，水文站點較少，普遍對工程防洪要求考慮不足，使工程難以長期有效。平原河網(wǎng)地區(qū)水位變化的影響因素復雜，本文基于修正后的水文資料，通過頻率分析計算，推求設計洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計算區(qū)域內(nèi)工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，以典型區(qū)域為例作進一步計算說明。本文的研究成果可以為平原河網(wǎng)地區(qū)城市（鎮(zhèn)）建設、堤防高程控制提供技術參考。

Abstract： In a large number of construction projects， there are few hydrological sites， reflecting the general lack of consideration for engineering flood control requirements， which makes the project difficult to be long-term effective. Factors influencing the change of water level in plain river network are complex. Based on the modified hydrological data， through frequency analysis calculation， this paper deduces the design flood level eigenvalues， draws the flood contour maps， and calculates the minimum control height and embankment design elevation for engineering construction ground in the area， and carries on further calculation with typical area as example. The research results of this paper can provide technical reference for the construction of the city （town） and the embankment elevation control in the plain river network area.

關鍵詞： 平原河網(wǎng)；防洪標準；水文

Key words： plain river network；flood control standard；hydrology

中圖分類號：TV122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0241-02

1 問題的提出

洪澇災害是影響國民經(jīng)濟發(fā)展的主要災害之一。在各項國民經(jīng)濟建設中，防洪因素是一項必須考慮的重要工作內(nèi)容[1]。但水利防洪工作在許多行業(yè)和區(qū)域沒有同步跟進，很大程度上成了社會進一步發(fā)展的短板。且平原河網(wǎng)地區(qū)的水位變化與水利工程調(diào)度、地面沉降、農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整等影響因素息息相關，導致洪水標準的分析研究更趨復雜，主要在于：①在各項工程建設中，小區(qū)域內(nèi)水位資料缺乏，水文資料覆蓋面不足，需要對每一項工程進行水文分析和防洪計算，過程繁瑣。尤其在非水利行業(yè)的工程建設中，因不熟悉當?shù)厮臈l件，通常對工程防洪要求考慮不足[2]。②50年代后期以來，由于地面沉降、周邊邊界條件的變化，使區(qū)域內(nèi)暴雨下墊面發(fā)生了較大變化。隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，地下水大量地被開采，各地形成許多的漏斗形地面沉降區(qū)[3]，對整個平原河網(wǎng)地區(qū)的防洪形勢造成了極為嚴重的影響，使得大范圍的洪澇災害進一步加劇。③由于農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整及各項國民經(jīng)濟建設，圩區(qū)內(nèi)調(diào)蓄能力大幅下降[4]，單位降水量引起的水位漲幅變大。大規(guī)模圩區(qū)建設、土地平整，雖然提高了各圩區(qū)內(nèi)防洪排澇能力，但不可避免地減小了外港的水面積，在相同降雨量下促使洪水位進一步抬高。

本文基于修正后的水文資料，通過頻率分析計算，推求設計洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計算區(qū)域內(nèi)工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，以典型區(qū)域為例作進一步計算說明。

2 設計洪水位計算

2.1 水文觀測資料修正

地面沉降使水文站觀測數(shù)值發(fā)生較大失真，降低了水利工程的防洪能力，有必要對已測水位進行統(tǒng)一的地面沉降修正。根據(jù)各地市國土資源局提供的《地面沉降監(jiān)測報告》，確定歷史區(qū)域內(nèi)累計地面沉降量，作為水位修正值。初步擬定預期地面沉降量，作為防洪標準安全余量ΔH。

工程建設和農(nóng)業(yè)種植結構的調(diào)整使水利下墊面工況發(fā)生變化，提高了抗洪排澇的要求，有必要對已測水位進行相應調(diào)整。水位分為三個時間段系列：第一階段為初始狀態(tài)，第二階段為圩區(qū)布局形成階段，第三階段大規(guī)模水利建設階段。在水位系列修正時，均以工程已經(jīng)實施的第三階段（代表現(xiàn)狀階段）為洪水形成條件的統(tǒng)一基礎，依據(jù)區(qū)域內(nèi)的暴雨量不隨水利工程建設的影響，分三個階段通過區(qū)域內(nèi)暴雨量與由此暴雨所引起的水位漲幅線性回歸。以第三階段回歸線為基準回歸線，第一階段或二階段內(nèi)的回歸線與基準回歸線之間水位漲幅的差值即為該階段內(nèi)相應暴雨量的水位調(diào)整值。

2.2 站點防洪水位分析計算

對于防洪問題，需確定保護區(qū)域內(nèi)設計洪水位的重現(xiàn)期。設計水位的推求有兩種方法：一種是“過程模擬”，即水力計算。另一種是數(shù)理統(tǒng)計，即不管水流和水位的時空變化過程，通過對長系列實測資料進行統(tǒng)計分析，推求出設計洪水位。

平原河網(wǎng)地區(qū)的市（鎮(zhèn)）區(qū)及周邊地區(qū)地勢平坦，河流縱橫交叉，水流順逆不定，水位和流量關系非常復雜，且受到境外上游區(qū)域來水量、下游排水通道排泄量和當?shù)乇┯昃C合控制[5]。區(qū)域內(nèi)研究范圍的水力要素和水流結構與整個平原河網(wǎng)地區(qū)息息相關，難以獨立確定研究范圍的邊界條件，故難以采用“過程模擬”計算出區(qū)域內(nèi)設計水位。資料的收集和計算非常復雜，本文計算均采用數(shù)理統(tǒng)計方法，以PIII型曲線進行適線，得到洪水頻率曲線。按照設計洪水重現(xiàn)期，在該曲線上取得相對應的設計洪水位。

2.3 區(qū)域防洪水位分析計算

由于水文站分布較少，大部分區(qū)域內(nèi)并無可直接引用的長系列洪水位資料。通過洪水等值線圖的繪制，可以擴展區(qū)域內(nèi)洪水特征值的范圍，在圖紙范圍內(nèi)任何地方進行工程設計建設，均可直接查閱套用設計洪水位。

根據(jù)某行政區(qū)域內(nèi)多個國家基本水文觀測站的某一重現(xiàn)期對應的設計洪水位，按照水文站之間距離與水位落差，采用內(nèi)插法原理，即可繪制洪水等值線圖。洪水頻率分析計算和洪水等值線圖，基本描述了區(qū)域內(nèi)在設計洪水條件下的洪水位與水流流動的基本方向。

3 防洪水位的確定

3.1 城市（鎮(zhèn)）建設地面最低高程控制

建議城市（鎮(zhèn)）建設地面最低高程控制值按下式計算：

區(qū)域內(nèi)工程建設最低高程=設計洪水位+A′+ΔH

式中，A′為安全超高。鑒于地面加高后區(qū)域內(nèi)整體防洪能力較強，A′按《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）[6]中容許越浪取值。例如，重現(xiàn)期50年時為0.4m；重現(xiàn)期20年時為0.3m。

ΔH為預期地面沉降量。

3.2 堤防建設最低高程控制

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）[6]，堤防的安全加高值由下式確定：

Y=R+e+A

式中，Y為堤頂超高；R為設計波浪爬高（m）；e為設計風壅增水高度（m）；A為安全加高。根據(jù)洪水重現(xiàn)期，按照容許越浪或不容許越浪分別考慮。

由于平原河網(wǎng)地區(qū)地面沉降現(xiàn)象嚴重，為保證堤防建成后的后續(xù)應用，考慮預計地面沉降量ΔH，即

Y=R+e+A+ΔH

4 典型區(qū)域計算分析

上述高程控制值的影響因素及計算方法解決了水文資料密度不足的問題，適用于平原河網(wǎng)地區(qū)各項工程建設。現(xiàn)以典型區(qū)域——桐鄉(xiāng)市相關數(shù)據(jù)為例，進一步計算分析說明。

桐鄉(xiāng)市境內(nèi)河港縱橫交錯，是典型的江南水網(wǎng)平原，是杭嘉湖平原“洪水過境走廊”。市域多年平均降雨量1246.7mm，年平均降水約141天。

根據(jù)嘉興市國土資源局提供的《嘉興市地面沉降監(jiān)測報告》，初步擬定各鎮(zhèn)、街道在2030年前的預期地面沉降量。以崇德站、烏鎮(zhèn)站、桐鄉(xiāng)站為基點分析推求洪水位，見表1，從而繪制洪水等值線圖。

根據(jù)洪水等值線圖，初步確定各鎮(zhèn)街道的設計洪水位，見表2。由于每一個鎮(zhèn)（街道）的范圍較大，同一鎮(zhèn)（街道）區(qū)域內(nèi)的洪水位有差異，為便于應用，以各鎮(zhèn)街道政府所在地作為設計洪水位取值點。

確定各鎮(zhèn)街道行政區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)建設最低高程控制值（表3）和規(guī)劃建設堤防高程理論值（表4）。為方便應用，對于采用五十年一遇、二十年一遇的防洪標準與采用土堤、構筑物防洪工程。

5 結語

防洪工程建設是一項長期的任務，按既定的防洪標準建設，能有效減少投資和節(jié)約社會資源，使工程有效使用和長治久安?？紤]到水利工程調(diào)度、地面沉降、農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整等影響因素，通過水文數(shù)據(jù)的調(diào)整和頻率計算，得出以下結論：①洪水等值線圖可表示分析區(qū)域內(nèi)任意點位的水位特征值，在實際工程設計建設中，可直接查閱套用設計洪水位，使用快捷方便。合理設定防洪工程的建設標準對于有效治理水患、合理配置水資源、節(jié)省工程投資與延長工程壽命都有重要的意義。②區(qū)域內(nèi)工程建設地面最低控制高程和堤防設計高程，為各項國民經(jīng)濟建設提供了防洪標準參考，更利于防洪工作快速有效的開展。

防洪堤防的建設必須在一個具體的標準下建設。當遇到標準以內(nèi)的洪水時，保證不出險；當遇到超標準洪水時，應能夠最大限度地減輕受災損失。本文的研究成果可運用于平原河網(wǎng)地區(qū)城市（鎮(zhèn)）工業(yè)民用建筑建設、水利工程建設、海綿城市建設、公路交通工程建設等等各項國民經(jīng)濟建設中，為城市地面高程控制和堤防高程控制提供參考。

參考文獻：

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[6]GB50286-2013，堤防工程設計規(guī)范[S].