程華進(jìn)，王亞妮，顧亞輝

( 1.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014 )

1 工程概況

本研究的除險(xiǎn)加固水閘工程位于江蘇省，主要由水閘大壩、閘室、導(dǎo)航設(shè)施、水利樞紐，以及交通設(shè)施等組成，總建筑面積15萬m2。其主要功能是控制長江水位，保證通航安全，調(diào)節(jié)上下游洪水，保護(hù)岸線等。地理位置接近長江入?？?，臺風(fēng)時(shí)常發(fā)生，會(huì)帶來狂風(fēng)暴雨等災(zāi)害性天氣，根據(jù)1955—2003年臺風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)，臺風(fēng)期間，日雨量≥800.0 mm的有29次，最大日雨量為517.9 mm。低壓、低渦、切變線等其他天氣系統(tǒng)多活動(dòng)于春夏季，它們常常是一起來，產(chǎn)生強(qiáng)度大、歷時(shí)短和范圍小的暴雨，但是若與其他氣象條件相結(jié)合，就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的強(qiáng)降雨[1-5]。

2 設(shè)計(jì)暴雨

由于該地區(qū)沒有觀測到的降雨數(shù)據(jù)，故本文的設(shè)計(jì)暴雨設(shè)計(jì)是根據(jù)2003版《江蘇省暴雨參數(shù)等值線圖》(簡稱《等值線圖》)進(jìn)行的。依據(jù)《等值線圖》，得到了年最大 1 h、6 h、24 h、72 h的暴雨參數(shù)(均值、Cv值) 等值線圖，查得各個(gè)歷時(shí)降雨的參數(shù)Ht和Cv，Cs取3.5Cv，在查算手冊中查出各歷時(shí)暴雨P(guān)=5%、P=3.33%對應(yīng)的Kp值，如式(1)：

Htp=Ht·Kp

(1)

式中：Htp為設(shè)計(jì)暴雨，mm；Ht為對應(yīng)頻率的t小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨量，mm，Kp為降雨系數(shù)。

計(jì)算不同頻率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨值，并按照本工程集雨面積F，查出相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)表面轉(zhuǎn)換因子αt，如式(2)：

Htp面=αt·Htp

(2)

式中：Htp面為設(shè)計(jì)面暴雨，mm；αt點(diǎn)面轉(zhuǎn)化系數(shù)。

計(jì)算本工程不同頻率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的設(shè)計(jì)面暴雨值，成果見表1。

表1 查算手冊推求暴雨成果

3 設(shè)計(jì)洪水

3.1 計(jì)算方法

按照《江蘇省暴雨徑流查算圖表》使用說明，除了水庫，對于其他具有10 km2以上集雨面積的項(xiàng)目，可以采用現(xiàn)有的洪水流量經(jīng)驗(yàn)公式。本文的計(jì)算方法是推理公式法和經(jīng)驗(yàn)公式法。

(1)推理公式法。推理公式法使用式(3)、式(4)聯(lián)合求解：

Qm=0.278(Sp/τnp-f)×F

(3)

(4)

式中：Qm為斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Sp為暴雨雨力，mm/h；τ為流域全面匯流時(shí)間，h；np為設(shè)計(jì)頻率p的暴雨遞減指數(shù)；f為平均損失率，mm/h；F為集雨面積，km2；L為干流河長，km；m為流域匯流參數(shù)；j為河道平均坡降。

(2)經(jīng)驗(yàn)公式法。如式(5)

Qp=CPH24pF0.84/(L/J1/3)0.15

(5)

式中：Qp為頻率p的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Cp為隨頻率p而變的系數(shù)，p=5%、3.33%時(shí)，相應(yīng)的Cp分別為0.064、0.066；H24p為對應(yīng)頻率的24 h設(shè)計(jì)暴雨量，mm；J為干流平均坡降。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用江蘇省水文水利計(jì)算平臺軟件以及江蘇省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)洪水流量成果見表2。從表2 洪水計(jì)算成果看，兩種方法計(jì)算結(jié)果比較接近，其中經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算成果相對較大。由于水閘自身的集雨面積≤10 km2，偏安全考慮，應(yīng)用江蘇省洪水的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。由表3可知，本流域p=3.33%、p=5%時(shí)洪峰模數(shù)分別為 11.1 m3/s·km2、9.9 m3/s·km2，根據(jù)該區(qū)域的平均洪峰模數(shù)在8.0～12.0 m3/s·km2，故該方案的防洪標(biāo)準(zhǔn)是可行的。本次初步設(shè)計(jì)計(jì)算方法、參數(shù)選用與可研成果一致，計(jì)算成果與可研一致，成果可靠[6-14]。

表2 設(shè)計(jì)洪水成果

表3 洪峰模數(shù)及流量成果

4 洪潮遭遇分析

4.1 遭遇分析

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各河涌無實(shí)測洪水資料，區(qū)內(nèi)洪水由暴雨推求，故匯水區(qū)內(nèi)洪水用暴雨量代替與外江洪水進(jìn)行遭遇分析。選用南京潮水站為遭遇分析的參證站，外江洪潮水位選用該站潮水位觀測資料。

4.2 統(tǒng)計(jì)資料

從安全考慮，取相應(yīng)日與前、后兩日的日最高洪潮水位作為相應(yīng)日的最高洪潮水位；外江年最高洪潮水位與發(fā)生最高洪潮水位相應(yīng)時(shí)間的日降雨量，從安全考慮，在相應(yīng)日與前、后兩日的日降雨量中取大值者作為相應(yīng)日降雨量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表點(diǎn)繪內(nèi)洪與外洪的相關(guān)圖(見圖1 和圖2)，可以看出內(nèi)洪、外洪(潮)相關(guān)點(diǎn)據(jù)散亂，兩者可視為互相獨(dú)立的事件，故可采用統(tǒng)計(jì)方法確定內(nèi)洪與外洪遭遇關(guān)系。

圖1 內(nèi)洪為主與相應(yīng)外江洪水關(guān)系

圖2 外洪為主與圍內(nèi)相應(yīng)洪水關(guān)系

此外，利用適線方法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)參數(shù)的估計(jì)。水文適線法是一種用于分析和模擬水文過程的方法，特別是對于流量和降雨的頻率分析。適線法的基本思想是根據(jù)歷史觀測數(shù)據(jù)，建立一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋鏊倪^程的特征。該方法通常用于推斷一定頻率下的流量或降雨量，以便進(jìn)行水資源規(guī)劃、水文預(yù)測、洪水風(fēng)險(xiǎn)評估等工作。在水文適線法中，常用的曲線擬合方法包括極值型適線法，頻率型適線法，指數(shù)型適線法。極值型適線法基于極值理論，使用極值分布(如Gumbel分布、極大值分布等)來擬合流量或降雨數(shù)據(jù)的極值。頻率型適線法基于頻率理論，使用頻率分布(如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等)來擬合流量或降雨數(shù)據(jù)的頻率特征。指數(shù)型適線法基于歷史洪水事件的特征，通過選擇適當(dāng)?shù)闹笖?shù)洪水進(jìn)行擬合，以估計(jì)其他頻率下的洪水量。

本次主要采用頻率型適線法。

表4給出了各區(qū)域?qū)?yīng)的暴雨頻度的計(jì)算結(jié)果。從表4可知，相應(yīng)日p=3.33%、p=10%、p=20%設(shè)計(jì)暴雨值分別為 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，以外洪為主時(shí)，相應(yīng)日歷年最大降雨量為 174.0 mm，略大于相應(yīng)日p=3.33%降雨量 153.0 mm，為安全起見，在以外洪水為主要特征的情況下，對應(yīng)當(dāng)天的降水最大值為174.0 mm。在對應(yīng)的24 h內(nèi)，最大降雨為對應(yīng)的每日最大降雨的1.1倍，對應(yīng)24 h的最大降雨為191.4 mm，24 h面降雨量為189.0 mm。

表4 年最高洪潮水位相應(yīng)日降雨量計(jì)算

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法計(jì)算結(jié)果比較接近，其中經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算成果相對較大。由于水閘自身的集雨面積≤10 km2，偏安全考慮，應(yīng)用江蘇省洪水的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

(2)相應(yīng)日p=3.33%、p=10%、p=20%設(shè)計(jì)暴雨值分別為 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，以外洪為主時(shí)，相應(yīng)日歷年最大降雨量為 174.0 mm，略大于相應(yīng)日p=3.33%降雨量 153.0 mm，為安全起見，在以外洪水為主要特征的情況下，對應(yīng)當(dāng)天的降水最大值為174.0 mm。