莊天文

摘要： 在大量工程建設(shè)中，水文站點(diǎn)較少，普遍對(duì)工程防洪要求考慮不足，使工程難以長(zhǎng)期有效。平原河網(wǎng)地區(qū)水位變化的影響因素復(fù)雜，本文基于修正后的水文資料，通過(guò)頻率分析計(jì)算，推求設(shè)計(jì)洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計(jì)算區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)地面最低控制高程和堤防設(shè)計(jì)高程，以典型區(qū)域?yàn)槔鬟M(jìn)一步計(jì)算說(shuō)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(shè)、堤防高程控制提供技術(shù)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(guān)鍵詞： 平原河網(wǎng)；防洪標(biāo)準(zhǔn)；水文

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

中圖分類號(hào)：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）18-0241-02

1 問(wèn)題的提出

洪澇災(zāi)害是影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。在各項(xiàng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，防洪因素是一項(xiàng)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(méi)有同步跟進(jìn)，很大程度上成了社會(huì)進(jìn)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(jié)構(gòu)調(diào)整等影響因素息息相關(guān)，導(dǎo)致洪水標(biāo)準(zhǔn)的分析研究更趨復(fù)雜，主要在于：①在各項(xiàng)工程建設(shè)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(duì)每一項(xiàng)工程進(jìn)行水文分析和防洪計(jì)算，過(guò)程繁瑣。尤其在非水利行業(yè)的工程建設(shè)中，因不熟悉當(dāng)?shù)厮臈l件，通常對(duì)工程防洪要求考慮不足[2]。②50年代后期以來(lái)，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(jì)的發(fā)展，地下水大量地被開(kāi)采，各地形成許多的漏斗形地面沉降區(qū)[3]，對(duì)整個(gè)平原河網(wǎng)地區(qū)的防洪形勢(shì)造成了極為嚴(yán)重的影響，使得大范圍的洪澇災(zāi)害進(jìn)一步加劇。③由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及各項(xiàng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，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(shè)、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(jìn)一步抬高。

本文基于修正后的水文資料，通過(guò)頻率分析計(jì)算，推求設(shè)計(jì)洪水位特征值，繪制洪水等值線圖，并計(jì)算區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)地面最低控制高程和堤防設(shè)計(jì)高程，以典型區(qū)域?yàn)槔鬟M(jìn)一步計(jì)算說(shuō)明。

2 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

2.1 水文觀測(cè)資料修正

地面沉降使水文站觀測(cè)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(duì)已測(cè)水位進(jìn)行統(tǒng)一的地面沉降修正。根據(jù)各地市國(guó)土資源局提供的《地面沉降監(jiān)測(cè)報(bào)告》，確定歷史區(qū)域內(nèi)累計(jì)地面沉降量，作為水位修正值。初步擬定預(yù)期地面沉降量，作為防洪標(biāo)準(zhǔn)安全余量ΔH。

工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)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(duì)已測(cè)水位進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。水位分為三個(gè)時(shí)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(shè)階段。在水位系列修正時(shí)，均以工程已經(jīng)實(shí)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(chǔ)，依據(jù)區(qū)域內(nèi)的暴雨量不隨水利工程建設(shè)的影響，分三個(gè)階段通過(guò)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(zhǔn)回歸線，第一階段或二階段內(nèi)的回歸線與基準(zhǔn)回歸線之間水位漲幅的差值即為該階段內(nèi)相應(yīng)暴雨量的水位調(diào)整值。

2.2 站點(diǎn)防洪水位分析計(jì)算

對(duì)于防洪問(wèn)題，需確定保護(hù)區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)洪水位的重現(xiàn)期。設(shè)計(jì)水位的推求有兩種方法：一種是“過(guò)程模擬”，即水力計(jì)算。另一種是數(shù)理統(tǒng)計(jì)，即不管水流和水位的時(shí)空變化過(guò)程，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，推求出設(shè)計(jì)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(shì)平坦，河流縱橫交叉，水流順逆不定，水位和流量關(guān)系非常復(fù)雜，且受到境外上游區(qū)域來(lái)水量、下游排水通道排泄量和當(dāng)?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(jié)構(gòu)與整個(gè)平原河網(wǎng)地區(qū)息息相關(guān)，難以獨(dú)立確定研究范圍的邊界條件，故難以采用“過(guò)程模擬”計(jì)算出區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)水位。資料的收集和計(jì)算非常復(fù)雜，本文計(jì)算均采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，以PIII型曲線進(jìn)行適線，得到洪水頻率曲線。按照設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期，在該曲線上取得相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位。

2.3 區(qū)域防洪水位分析計(jì)算

由于水文站分布較少，大部分區(qū)域內(nèi)并無(wú)可直接引用的長(zhǎng)系列洪水位資料。通過(guò)洪水等值線圖的繪制，可以擴(kuò)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(jìn)行工程設(shè)計(jì)建設(shè)，均可直接查閱套用設(shè)計(jì)洪水位。

根據(jù)某行政區(qū)域內(nèi)多個(gè)國(guó)家基本水文觀測(cè)站的某一重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jì)算和洪水等值線圖，基本描述了區(qū)域內(nèi)在設(shè)計(jì)洪水條件下的洪水位與水流流動(dòng)的基本方向。

3 防洪水位的確定

3.1 城市（鎮(zhèn)）建設(shè)地面最低高程控制

建議城市（鎮(zhèn)）建設(shè)地面最低高程控制值按下式計(jì)算：

區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)最低高程=設(shè)計(jì)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(qiáng)，A′按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）[6]中容許越浪取值。例如，重現(xiàn)期50年時(shí)為0.4m；重現(xiàn)期20年時(shí)為0.3m。

ΔH為預(yù)期地面沉降量。

3.2 堤防建設(shè)最低高程控制

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)波浪爬高（m）；e為設(shè)計(jì)風(fēng)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(yán)重，為保證堤防建成后的后續(xù)應(yīng)用，考慮預(yù)計(jì)地面沉降量ΔH，即

Y=R+e+A+ΔH

4 典型區(qū)域計(jì)算分析

上述高程控制值的影響因素及計(jì)算方法解決了水文資料密度不足的問(wèn)題，適用于平原河網(wǎng)地區(qū)各項(xiàng)工程建設(shè)?，F(xiàn)以典型區(qū)域——桐鄉(xiāng)市相關(guān)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)一步計(jì)算分析說(shuō)明。

桐鄉(xiāng)市境內(nèi)河港縱橫交錯(cuò)，是典型的江南水網(wǎng)平原，是杭嘉湖平原“洪水過(guò)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(guó)土資源局提供的《嘉興市地面沉降監(jiān)測(cè)報(bào)告》，初步擬定各鎮(zhèn)、街道在2030年前的預(yù)期地面沉降量。以崇德站、烏鎮(zhèn)站、桐鄉(xiāng)站為基點(diǎn)分析推求洪水位，見(jiàn)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(shè)計(jì)洪水位，見(jiàn)表2。由于每一個(gè)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(yīng)用，以各鎮(zhèn)街道政府所在地作為設(shè)計(jì)洪水位取值點(diǎn)。

確定各鎮(zhèn)街道行政區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)最低高程控制值（表3）和規(guī)劃建設(shè)堤防高程理論值（表4）。為方便應(yīng)用，對(duì)于采用五十年一遇、二十年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)與采用土堤、構(gòu)筑物防洪工程。

5 結(jié)語(yǔ)

防洪工程建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，按既定的防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，能有效減少投資和節(jié)約社會(huì)資源，使工程有效使用和長(zhǎng)治久安?？紤]到水利工程調(diào)度、地面沉降、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等影響因素，通過(guò)水文數(shù)據(jù)的調(diào)整和頻率計(jì)算，得出以下結(jié)論：①洪水等值線圖可表示分析區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)位的水位特征值，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)建設(shè)中，可直接查閱套用設(shè)計(jì)洪水位，使用快捷方便。合理設(shè)定防洪工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于有效治理水患、合理配置水資源、節(jié)省工程投資與延長(zhǎng)工程壽命都有重要的意義。②區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)地面最低控制高程和堤防設(shè)計(jì)高程，為各項(xiàng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了防洪標(biāo)準(zhǔn)參考，更利于防洪工作快速有效的開(kāi)展。

防洪堤防的建設(shè)必須在一個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)下建設(shè)。當(dāng)遇到標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的洪水時(shí)，保證不出險(xiǎn)；當(dāng)遇到超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，應(yīng)能夠最大限度地減輕受災(zāi)損失。本文的研究成果可運(yùn)用于平原河網(wǎng)地區(qū)城市（鎮(zhèn)）工業(yè)民用建筑建設(shè)、水利工程建設(shè)、海綿城市建設(shè)、公路交通工程建設(shè)等等各項(xiàng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(xiàn)：

[1]喻君杰.大范圍平原河網(wǎng)地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)分析研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2013，32（2）：57-60.

[2]劉俊，張建濤，劉翔，等.平原河網(wǎng)城市水資源綜合規(guī)劃防洪校核研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（6）：603-605.

[3]周載陽(yáng).地下水開(kāi)采引起地面沉降的機(jī)理研究[J].工程勘察，2012，40（3）：22-26.

[4]周峰，呂慧華，許有鵬.城鎮(zhèn)化平原河網(wǎng)區(qū)下墊面特征變化及洪澇影響研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2015，24（12）：2094-2099.

[5]趙建波.平原河網(wǎng)地區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)暴雨下的洪水位計(jì)算方法[D].河海大學(xué)，2008.

[6]GB50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].