淺析2017 年長(zhǎng)沙特大洪水中梅溪湖湖泊水位超標(biāo)的原因

呂常亮，段 璆

（長(zhǎng)沙市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410008）

1 項(xiàng)目背景

梅溪湖片區(qū)位于長(zhǎng)沙湘江新區(qū)的核心區(qū)域。梅溪湖背靠長(zhǎng)沙市岳麓山國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，坐擁龍王港水系，擁有優(yōu)美的景觀與完整的自然生態(tài)體系。

防洪、排澇等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是城市安全的保障。梅溪湖片區(qū)洪澇災(zāi)害往往是外河洪水與本地暴雨遭遇時(shí)所致，洪水多發(fā)生在5～9 月份，其中6～7 月份最集中。梅溪湖片區(qū)的雨水均需流入湖泊后再排入龍王港，當(dāng)龍王港水位較低時(shí)，湖泊水可通過(guò)自排箱涵排入龍王港，而閉閘期，當(dāng)龍王港水位較高時(shí)，則需要通過(guò)泵站抽排的方式進(jìn)行排澇。因此梅溪湖綜合泵站不但具有維護(hù)恒定水位功能，同時(shí)具有片區(qū)的排澇功能作用。

2017 年6 月25～7 月1 日，長(zhǎng)沙市區(qū)連降暴雨，梅溪湖湖泊水位快速上漲。2017 年7 月2 日實(shí)測(cè)梅溪湖最高水位35.76 m，超過(guò)湖泊百年一遇設(shè)計(jì)洪水位（35.40 m）0.36 m，對(duì)湖泊周邊城市建筑物產(chǎn)生不同程度的影響。為準(zhǔn)確掌握其水位上漲的原因，通過(guò)復(fù)核其基礎(chǔ)資料并進(jìn)行水文分析及泵站運(yùn)行等多方面進(jìn)行分析計(jì)算。

2 基本資料

1）梅溪湖湖泊設(shè)計(jì)集雨面積10.93 km2，汛限水位為34.80 m，相應(yīng)庫(kù)容490.28 m3，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）為35.40m，相應(yīng)庫(kù)容為609.44m3。梅溪湖綜合泵站布置在湖泊東北角靠近龍王港處，泵站設(shè)計(jì)排水流量為8.0m3/s。

2）本文對(duì)湖泊集雨面積進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)核為12.3 km2，較原設(shè)計(jì)增加1.37 km2。

其中：①三環(huán)線撇洪渠匯水區(qū)原設(shè)計(jì)以三環(huán)線路網(wǎng)為界，僅三環(huán)線以東部分面積進(jìn)入梅溪湖，經(jīng)復(fù)核本次設(shè)計(jì)按照雨水排出口匯水面積計(jì)算，增加1.48 km2；②二環(huán)以東撇洪渠匯水面積原計(jì)算匯水面積1.47 km2，經(jīng)復(fù)核匯水面積為1.85 km2，較原設(shè)計(jì)增加0.38 km2。③原設(shè)計(jì)根據(jù)分水嶺二環(huán)以西部分區(qū)域全部匯入梅溪湖，經(jīng)本次復(fù)核管道直排部分僅2.62 km2，較原設(shè)計(jì)減少0.49 km2。見(jiàn)圖1。

圖1 梅溪湖匯水范圍示意圖

3）梅溪湖湖泊庫(kù)容曲線采用實(shí)測(cè)水下地形圖進(jìn)行計(jì)算，汛限水位34.80 m 時(shí)相應(yīng)庫(kù)容467.40 m3，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）35.40 m 時(shí)相應(yīng)庫(kù)容為575.75 m3。湖泊調(diào)蓄庫(kù)容較原設(shè)計(jì)減少10.8 萬(wàn)m3。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4）梅溪湖在東、西湖分界處（西二環(huán)）設(shè)置了一座臨時(shí)溢流壩，壩頂高程為34.50 m，寬度為10.0 m（2×5.0 m）。在堰頂設(shè)置有閘墩及插板門(mén)，閘墩頂高程約為35.00 m，閘墩厚度約為0.35 m，每孔共5 個(gè)閘墩。因此35.0 m 以下的凈寬度為6.5 m。

5）根據(jù)長(zhǎng)沙市氣象臺(tái)提供的降雨資料，2017 年6 月30 日14 時(shí)至7 月1日14 時(shí)，梅溪湖實(shí)測(cè)最大6 h 降雨量H6=79.0 mm，最大24 h 降雨量H24=218.8 mm。2017 年7 月2 日實(shí)測(cè)梅溪湖最高水位為35.76 m。

3 湖泊水文分析計(jì)算

3.1 調(diào)洪演算

1）洪水計(jì)算方法：因?yàn)槊废^(qū)域沒(méi)有實(shí)測(cè)水文資料，故本次計(jì)算采用2015 年5 月湖南省水利廳編制的《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》及河流地理特征資料進(jìn)行分析計(jì)算。

表1 梅溪湖湖泊水位～面積～庫(kù)容表

根據(jù)梅溪湖的地理位置，屬湖南省暴雨一致區(qū)第七區(qū)，產(chǎn)流分區(qū)第Ⅱ區(qū)，利用《查算手冊(cè)》查得有關(guān)參數(shù)。河道多年平均最大24 h 點(diǎn)暴雨H24點(diǎn)=100 mm。

統(tǒng)計(jì)參數(shù)Cv=0.46，Cs=3.5Cv，點(diǎn)面關(guān)系折算系數(shù)α=0.992。根據(jù)龍王港流域特性參數(shù)，利用《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》的概化雨型，將計(jì)算出的24 h 各頻率暴雨進(jìn)行時(shí)程分配，利用推理公式法標(biāo)準(zhǔn)化程序，該流域?qū)佼a(chǎn)流分區(qū)第Ⅱ區(qū)，前期扣損I0=32 mm，得各時(shí)段凈雨深R總，根據(jù)公式R上t=ψ·R總，ψ 查表得：ψ=0.80，求得設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程R上t～t。采用試算法推求設(shè)計(jì)洪水，從而繪制出設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，見(jiàn)圖2。

2）調(diào)洪計(jì)算原則：調(diào)洪起始水位為Z限=34.8 m，當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)，泵站開(kāi)機(jī)，開(kāi)始抽排，來(lái)水流量大于泵站排水流量，水位持續(xù)上漲，當(dāng)來(lái)水流量等于泵站排水流量，水位不再繼續(xù)上漲，此時(shí)水位達(dá)到最高值。此后來(lái)水流量漸漸變小，小于泵站流量，水位逐漸回落至34.8 m，泵站關(guān)機(jī)，不再排水。

圖2 梅溪湖洪水及湖泊水位過(guò)程線

3）計(jì)算結(jié)果：調(diào)洪起始水位為Z限=34.8 m，排水泵站流量為8.0 m3/s，洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，計(jì)算得出最高水位為35.55 m。見(jiàn)表2。

表2 梅溪湖調(diào)洪演算成果表

3.2 臨時(shí)壩過(guò)流能力計(jì)算

臨時(shí)溢流壩按照蓄水情況存在兩種運(yùn)行工況：

工況一：西湖蓄水，東湖未蓄水，臨時(shí)壩為寬頂堰自由出流。

工況二：東西湖均蓄滿水，臨時(shí)壩為寬頂堰淹沒(méi)出流。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000）寬頂堰的泄流能力按下列公式計(jì)算：

Q=εσmB（2g）1/2H03/2

式中 Q——流量（m3/s）；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，取值為0.95；

σ——淹沒(méi)系數(shù)，查表取值；

m——流量系數(shù)，查表取值；

B——寬度（m）；

g——重力加速度；

H0——包括行進(jìn)流速在內(nèi)的進(jìn)口水深。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 梅溪湖臨時(shí)壩過(guò)流能力計(jì)算（工況一）

表4 梅溪湖臨時(shí)壩過(guò)流能力計(jì)算（工況二）

4 結(jié) 論

1）相比較原設(shè)計(jì)參數(shù)，梅溪湖集雨面積增加了1.37 km2，湖泊調(diào)蓄庫(kù)容減少了10.8 萬(wàn)m3，從而導(dǎo)致湖泊100年一遇洪水位（35.55 m）高于原設(shè)計(jì)洪水位（35.40m）。

2）根據(jù)長(zhǎng)沙市氣象臺(tái)提供的降雨資料2017 年6月30 日14 時(shí)至7 月1 日14 時(shí)，梅溪湖實(shí)測(cè)最大6 h降雨量H6=79.0 mm，最大24 h 降雨量H24=218.8 mm，而100 年一遇設(shè)計(jì)最大24 h 暴雨量H24=250 mm，即表示該次的洪水重現(xiàn)期未達(dá)到100 年一遇，但2017 年7月2 日實(shí)測(cè)梅溪湖最高水位為35.76 m，超過(guò)了100 年一遇設(shè)計(jì)洪水位35.55 m。

經(jīng)本文分析論證，其原因主要是由于臨時(shí)溢流壩的設(shè)置，使得西湖的水需通過(guò)溢流壩調(diào)蓄后進(jìn)入東湖再由泵站抽排入龍王港。由于溢流壩的過(guò)流能力在低水位時(shí)小于泵站的設(shè)計(jì)排水流量8.0 m3/s，使得調(diào)洪初期泵站無(wú)法按照設(shè)計(jì)流量排水。即臨時(shí)溢流壩的設(shè)置改變了湖泊調(diào)洪，無(wú)法按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，從而導(dǎo)致西湖水位上升。