黎達通

(廣東省水文局 梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

1 研究區(qū)概況

1.1 流域水系

梅州地處韓江中、上游，是一個以山地、丘陵為主的地區(qū)。境內(nèi)水系發(fā)育，河流溪澗縱橫密布，有53條集水面積100 km2以上的河流，其中主要有琴江、五華河、寧江、程江、石窟河、松源河、梅江、汀江、梅潭河、豐良河、八鄉(xiāng)河及榕江北河12條河流。全市分屬韓江、粵東沿海諸小河及東江三個流域，其中韓江流域在梅州境內(nèi)的集水面積14 778 km2，占全市總面積(15 890 km2)的93.0%，粵東諸小河流域集水面積858 km2，占5.4%，東江流域集水面積254 km2，占1.6%，梅江與汀江為韓江流域兩大水系，在大埔縣三河壩匯合后稱為韓江，然后南流經(jīng)潮州市入南海。

1.2 流域降雨特性

工程區(qū)域?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛[1]。由于區(qū)域內(nèi)地理條件不一，降雨量時空分配極不平衡，易形成局部暴雨和洪澇災害；夏季常受臺風侵襲，往往造成災害性天氣。

由于本地區(qū)位于沿海地區(qū)，暴雨的水汽、熱力、動力條件皆強于我國大陸的其他沿海省份。暴雨一般表現(xiàn)為強度大、季節(jié)長，全年均可能發(fā)生暴雨，雖然年內(nèi)干濕兩季明顯，暴雨主要集中在汛期(4—9月)，但非汛期(10月—次年3月)也可能出現(xiàn)暴雨或大暴雨。根據(jù)雨量站降雨資料分析，本地區(qū)暴雨有明顯的季節(jié)性。前汛期(4—6月)：每年4月開始，受西南季風影響，與南下冷空氣遭遇，形成靜止鋒、冷鋒，雨量充沛，常造成暴雨和大暴雨。5月、6月西風槽、西南槽低空急流、切變線、低渦等天氣系統(tǒng)進一步活躍，鋒面類暴雨增多，雨量增大；后汛期(7—9月)，暴雨主要受熱帶環(huán)流系統(tǒng)如臺風、熱帶輻合帶、東風波等影響，是臺風活動的盛期。暴雨量的年際變化相對較大，根據(jù)實測年最大24 h降雨資料統(tǒng)計，歷年最大24 h降雨量為631.0 mm(2008年6月13日)，歷年最小24 h降雨量為60.5 mm(1991年8月11日)，前者為后者的10.4倍，多年平均24 h降雨量為174.6 mm。

1.3 流域洪水特性

流域的洪水主要由暴雨形成，通常4—9月頻發(fā)，峰面雨導致4—6月份洪水，7—10月份因為臺風雨和熱帶氣旋造成洪水。因為城區(qū)貫穿上寮河，改變了流域的天然匯流條件，天然狀態(tài)下的壤中流因為硬化的地面直接形成了地表徑流，地表徑流的比例明顯增加，匯流時間縮短。另外，該區(qū)域暴雨的特點歷時短強度大，暴雨陡漲陡落[2-3]。

2 一二維水動力模型構(gòu)建

針對梅州河流域陡漲陡落洪水分布特征進行水動力數(shù)值模擬研究，利用 MIKE FLOOD模塊建立一二維水動力模型[3-5]，模擬該地區(qū)的洪水時空分布特征和淹沒情況。

2.1 水動力模型原理

采用MIKE11計算模型基于非恒定流理論[6]，軟件計算模型是有關(guān)非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學模擬程序，以圣維南方程作為基礎理論，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Q為流量，m3/s；x為距水道某固定斷面沿流程的距離，m；h為水位，m；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；g為重力加速度，m/s2。

線性方程的求解算法，利用微分方程進行線性化的有限差分格式。模型的假定依托靜水壓分布、一維流態(tài)、均質(zhì)流體，以及動量方程、連續(xù)性方程等。

2.2 模型構(gòu)建范圍

基于研究區(qū)流域劃分情況建立水動力模型，確定模型構(gòu)建范圍為[7]：北至梅江與寧江交匯區(qū)，南至龍村鎮(zhèn)下游排區(qū)，西至岐嶺河邊界，東至榕江北河與豐良河交匯處。覆蓋面積36.5 km2，網(wǎng)格分辨率采用10 000 mm×10 000 mm，均為正交網(wǎng)格，網(wǎng)格最終劃分數(shù)量為53 952個。

2.3 模型參數(shù)設置

根據(jù)2016年實測1∶1000梅州電子版地形圖，同時考慮片區(qū)現(xiàn)狀及規(guī)劃雨水管網(wǎng)、路網(wǎng)的布置情況及設計需要，對工程區(qū)段流域面積F、河長L及河道平均坡降J等地理參數(shù)進行量算作為建模取值依據(jù)。洪水采用初損后損法進行產(chǎn)流計算[8]，查用廣東省分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)查算圖表，求得不同頻率的平均后損率f及三天平均損失率值fd。應用m1～θ關(guān)系圖中的大陸低區(qū)B線，Ⅲ號無因次單位線Ui～Xi，Um=0.750，K=1.547。模型主要參數(shù)成果見表1。

表1 流域水動力模型計算參數(shù)

2.4 模型降雨邊界設定

本工程集雨面積較小，設計洪水成果主要由1 h及24 h控制。模型計算在進行河道率定時，上游邊界為恒定流量過程，下游邊界為設計水位。根據(jù)雨量站歷年實測雨量系列，統(tǒng)計其年實測最大1 h、6 h、24 h及3 d各時段暴雨資料系列，適線采用P-Ⅲ曲線，暴雨的地區(qū)分布規(guī)律按照珠江三角洲區(qū)域進行設計，采用Cs/Cv=3.5，進行變差系數(shù)和各個時段暴雨均值的計算。求得各時段不同頻率設計暴雨量作為模型的降雨邊界。

3 水動力模型合理性驗證

基于各控制斷面以上流域的自然地理參數(shù)及流域的設計暴雨成果，應用“廣東省水文水利計算工作平臺”推算出各控制斷面的設計洪水綜合單位線法[9]和MIKE FLOOD模塊模擬法驗證水動力模型的合理性。

3.1 模型洪峰模數(shù)合理性驗證

本次設計洪水從洪峰模數(shù)論述其合理性?；贛IKE FLOOD模塊計算，現(xiàn)狀各控制斷面洪峰流量模數(shù)模擬結(jié)果見表2。

表2 各控制斷面洪峰流量模數(shù)模擬值

由表2可見，同一河流從上游至下游斷面的設計洪峰流量模數(shù)符合由大到小的規(guī)律；同一斷面洪峰流量模數(shù)由低頻率至高頻率符合由大到小的規(guī)律。為進一步驗證其合理性，現(xiàn)將梅州河現(xiàn)狀工程區(qū)河口斷面與水系內(nèi)其他集雨面積相當?shù)暮佑亢榉辶髁磕?shù)做比較分析。經(jīng)分析，河涌P=2%～50%設計洪水洪峰模數(shù)范圍基本與本工程治理終點控制斷面設計洪水洪峰模數(shù)模擬值相當。

3.2 模型設計洪水合理性驗證

在控制斷面洪水洪峰模數(shù)合理性驗證的基礎上，采用綜合單位線法與MIKE FLOOD模塊計算出各控制斷面的設計洪水，結(jié)果見表3。

表3 控制斷面設計洪水成理論值與模擬值對比表

由表3可以看出，本工程各控制斷面設計洪水成果采用MIKE FLOOD模擬比綜合單位線法成果大1.57%～6.53%，總體模擬值與理論值吻合較好，水動力模型顯示水量平衡相對誤差為0.000 57%，可忽略不計，模型整體計算精度準確。因此可通過本次構(gòu)建的梅江流域一二維水動力模型進一步計算洪水時空分布特征和淹沒情況。

4 洪水模擬結(jié)果

在模型驗證的基礎上，根據(jù)水文水動力耦合模型計算梅江區(qū)域淹沒水深及覆蓋面積。

4.1 洪水淹沒風險分析

表4為梅江五華縣區(qū)域現(xiàn)狀河道20年一遇、50年一遇、100年一遇不同淹沒水深對應的淹沒面積結(jié)果。由表4可以看出梅江五華縣流域20年一遇、50年一遇、100年一遇的淹沒面積分別為8.78 km2、15.32 km2、20.82 km2，基本滿足地勢越高洪水淹沒風險越小的分布特征，淹沒水深在h≤0.5 m 和0.5 m

表4 現(xiàn)狀河道洪水淹沒風險匯總

梅江河五華縣段全長6.98 km，大部分河道進行了10年一遇至50年一遇的整治。根據(jù)河道現(xiàn)狀分析其原因，崗頭調(diào)節(jié)池至五孔箱涵出口段為天然河道，寬約30～60 m，該段已納入橋頭片區(qū)排澇工程中進行整治。本工程治理范圍為五孔箱涵出口至屋山水庫主壩下游段。其中，創(chuàng)新路以下河段周邊地勢低洼，地面高程在3～4 m之間，局部低點高程<3 m，同時受崗頭調(diào)節(jié)池水位頂托、中心路-寶安大道箱涵壓低的影響，導致該片區(qū)內(nèi)澇嚴重。片區(qū)內(nèi)澇問題已啟動橋頭片區(qū)排澇工程可行性研究，應重點解決河道的排洪工程。

4.2 滯洪區(qū)調(diào)蓄能力分析

本工程擬在S-1斷面處新建1#滯洪區(qū)，此處滯洪區(qū)占地0.60萬m2，最大滯洪容積為1.76萬m3。滯洪區(qū)采用河湖結(jié)合的方式，河寬22～40 m。S-4斷面處新建2#滯洪區(qū)，此處滯洪區(qū)占地1.50萬m2，最大滯洪容積為4.53萬m3。滯洪區(qū)采用河湖結(jié)合的方式，河寬18～140 m。擬新建的滯洪區(qū)對流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。調(diào)蓄后設計洪水的計算根據(jù)水量平衡原理，采用MIKE FLOOD模擬對各調(diào)蓄工程進行調(diào)洪演算[10]，下游設計洪水為區(qū)間設計洪水與下泄流量同頻率同時段疊加。

各調(diào)蓄工程水位～庫容成果見表5；各調(diào)蓄工程出水口水位～流量關(guān)系成果見表6。

表5 各調(diào)蓄工程水位～庫容曲線

表6 各調(diào)蓄工程水位～流量曲線

根據(jù)水位～流量關(guān)系繪制相應擬建1#、2#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線圖，如圖1、圖2所示。

圖1 擬建1#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線

圖2 擬建2#滯洪區(qū)出口水位～流量曲線

根據(jù)洪水過程線、水位～庫容曲線及水位～流量關(guān)系曲線等對各調(diào)蓄工程進行調(diào)洪演算。經(jīng)MIKE FLOOD水動力模型模擬分析，各調(diào)蓄工程調(diào)蓄能力成果見表7，可以看出滯洪區(qū)在不同洪水頻率風險下能夠消減3.71～7.40 m3/s的洪峰，擬新建的滯洪區(qū)對流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。

表7 各調(diào)蓄工程調(diào)蓄能力成果

5 結(jié) 論

(1)因為暴雨形成的流域洪水，其暴雨特點歷時短、強度大，極易造成區(qū)域洪水的陡漲陡落。

(2)同一河流從上游至下游斷面的設計洪峰流量模數(shù)符合由大到小的規(guī)律；同一斷面洪峰流量模數(shù)由低頻率至高頻率符合由大到小的規(guī)律。洪水成果采用MIKE FLOOD模擬，模擬值與理論值吻合較好，水動力模型顯示水量平衡相對誤差為0.000 57%，模型有效可行。

(3)梅江五華縣流域20年一遇、50年一遇、100年一遇的淹沒面積分別為8.78 km2、15.32 km2、20.82 km2，地勢越高洪水淹沒風險越小。

(4)針對洪水風險擬建1#、2#滯洪區(qū)，滯洪區(qū)在不同洪水頻率風險下能夠消減3.71～7.40 m3/s的洪峰，擬新建的滯洪區(qū)對流域洪水均有一定的調(diào)蓄作用。