蔡劍波 ，林 寧 ，張 健 ，于慶嬡

（1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060；2.廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(wù)、居住和休閑區(qū)，島上通過珠江橋、地鐵5號(hào)線、6號(hào)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(gè)島嶼的開發(fā)，對(duì)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(jì)60-70年代，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，加之設(shè)備老化，可靠性較低，因此，需在重新論證排澇規(guī)模的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，堤頂高程在3.3～4.0 m（珠基，下同），而島內(nèi)標(biāo)高多在1.7～2.6 m之間，因而島內(nèi)形成了一個(gè)盆地，強(qiáng)降雨遇外江高潮水位時(shí)往往需要強(qiáng)排，因此排澇流量的分析確定成為大坦沙島排澇安全的關(guān)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(gè)獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)

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(xiàng)規(guī)劃精神，大坦沙島外江堤防防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，島內(nèi)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)為“20 a一遇不成災(zāi)”，同時(shí)遭遇外江設(shè)計(jì)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(zāi)”的提法，已不適用于城區(qū)排澇設(shè)計(jì)。因?yàn)?4 h排干是指在農(nóng)作物的耐淹時(shí)間內(nèi)排干不受災(zāi)，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(yán)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定，具體排澇時(shí)段根據(jù)匯流面積、時(shí)間選定。

3 排澇計(jì)算條件與規(guī)模論證

3.1 排澇計(jì)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(biāo)高為1.7～2.6 m，以較低地面標(biāo)高1.7 m作為河涌最高控制水位。

地面標(biāo)高：按相關(guān)規(guī)劃，大坦沙島內(nèi)地坪標(biāo)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(shí)間長和投資大，目前涌口水閘泵站流量分析，按局部填高進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(duì)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(jì)算。

廣東省水利工程通常采用廣東省綜合單位線法計(jì)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(gè)水文站共639場(chǎng)雨洪對(duì)應(yīng)資料分析綜合的，不適宜計(jì)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(duì)于小面積的洪水過程線，通過對(duì)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(cè)》，采用扣除平均損失率后的凈雨過程計(jì)算。

針對(duì)研究片區(qū)面積小的特征，設(shè)計(jì)凈雨過程的計(jì)算取6 h珠江三角洲雨型進(jìn)行暴雨時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)的6 h里，其他時(shí)段凈雨量較分散。該計(jì)算前后各拓寬1 h參與計(jì)算。

3.2.2外江潮型、潮位關(guān)系

由于大坦沙島沿岸沒有水文站，外江設(shè)計(jì)潮型選用距離涌口最近的下游浮標(biāo)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(biāo)廠站設(shè)計(jì)潮型過程數(shù)據(jù)表

由表2可知：洪水時(shí)段6-12時(shí)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(yīng)可自排，不必設(shè)置排澇泵站強(qiáng)排。但實(shí)際情況卻不能保證強(qiáng)降雨洪水遭遇外江低潮位時(shí)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(jì)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(duì)安全合理。

3.2.3水位-容積關(guān)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(yù)報(bào)，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)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(jì)算，以0.2 m起調(diào)，得到水位與有效調(diào)蓄容量關(guān)系，如表3所列。

表3 水位與有效調(diào)蓄容量關(guān)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(shí)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(shè)計(jì)高潮位，雨水無法自排的情況下，必須通過泵站強(qiáng)排。

3.2.4 6 h排澇過程調(diào)節(jié)計(jì)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(jìn)行試算，聯(lián)解水量平衡方程，計(jì)算得到不同的排澇流量下河涌中段的最高水位。

計(jì)算原則為：當(dāng)洪水遭遇外江5 a一遇高潮位時(shí)，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(guān)閉，島內(nèi)澇水由泵站強(qiáng)排。根據(jù)片區(qū)20 a一遇來水過程，當(dāng)來水量小于泵站設(shè)計(jì)流量時(shí)，按來水流量抽排。當(dāng)來水流量大于泵站設(shè)計(jì)流量時(shí)，按設(shè)計(jì)流量抽排，此時(shí)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(guān)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(dāng)泵站設(shè)計(jì)流量大于來水量時(shí)，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(shí)，涌中段最高水位為11-12時(shí)的1.60 m，涌尾水位為1.66 m接近地面標(biāo)高；而至12-13時(shí)涌中段水位已逐漸回落至1.08 m。

（2）排澇流量為7 m3/s時(shí)，涌中段最高水位為11-12時(shí)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(shí)，涌中段最高水位為11-12時(shí)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(gè)流量的試算過程如表4所列。

4 其他計(jì)算方法

4.1 排水規(guī)范

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

表4 排澇流量7.5 m3/s時(shí)計(jì)算結(jié)果匯總表（起調(diào)水位0.2 m）

式中：Qs——雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)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(yuǎn)距離約900 m，根據(jù)島內(nèi)地勢(shì)較平坦，河道坡降緩的特征，取平均流速約0.5 m/s，預(yù)計(jì)匯流時(shí)間約為0.58 h，雨水設(shè)計(jì)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(shí)間短，不按平均損失率法計(jì)算，按初損后綜合徑流系數(shù)0.7計(jì)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(dāng)排澇流量取10 m3/s時(shí)，才不致水浸。

5 綜合選定

綜合前述平均損失率法計(jì)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(jì)算排澇計(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)間一般為2～3 h的特點(diǎn)，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(jì)算，當(dāng)汛前未能及時(shí)搶排，排澇水位按0.8 m景觀水位起調(diào)時(shí)，有效調(diào)蓄容量下降為3.9萬m3，1 h排澇流量應(yīng)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(shí)，有效調(diào)蓄容量下降為 3.0萬m3，1 h排澇流量應(yīng)為 19.7 m3/s才不致水浸?？梢娧雌趽屌蓬A(yù)降，騰出的涌容量可減少排澇泵站裝機(jī)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(jìn)行排澇分析時(shí)，常用的水文及排水計(jì)算方法并不適用，可選用綜合損失率法計(jì)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(qiáng)降雨前及時(shí)搶排。預(yù)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(shè)計(jì)規(guī)范[S].