基于临界雨量指标的广州市荔枝湾涌水浸分析

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( 1.广东省水利水电科学研究院，广东广州510630；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州510630；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州510630)

根据气象、水文预报信息，预测城市河道水浸街的空间分布信息，是河道排涝整治及启动城市应急预案的依据。临界雨量法是国内外广泛应用于判断山洪灾害发生与否的指标[1-4]。该指标的优点是易于理解和被公众接受[5-6]。由于城市排水管网及汇流过程的复杂性，临界雨量指标在城市洪涝预报预警过程存在很多困难。本文以广州城区荔枝湾涌流域为例[7]，把临界雨量指标应用于城市防洪排涝分析及整治工程优秀比较过程，为优化工程布局与设计规模及为城市水浸灾害预报预警提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 区域概况

广州市濒临南海，属南亚热带季风气候区，温暖多雨。荔湾区是广州市历史古城区，素有“西关”“荔枝湾”“水秀花香”美称。荔枝湾涌流域水系(图1)包括上西关涌、下西关涌、泮塘涌、荔枝湾涌、荔湾湖，水系干流为荔枝湾涌。荔枝湾涌沿荔湾湖东南侧分别汇流上西关涌和下西关涌，穿越荔湾湖，在荔枝湾涌防潮闸前接纳泮塘涌后西入珠江西航道。影响荔枝湾涌的外江珠江前航道洪水主要来自北江、西江和流溪河。一般流溪河洪水出现时间较早，北江次之，西江较迟。荔枝湾涌受潮汐影响显著，区内的潮汐为不规则半日潮，且2个相邻的高潮或低潮的潮位和潮流历时均不相等。

荔枝湾涌流域地势平坦，地面高程多在1.5～2.5 m之间，局部低洼地区高程在1.0～1.5 m之间，个别低洼地区甚至小于1.0 m。汛期若突降暴雨，再遇洪潮水位的顶托，易造成“水浸街”。因此除发生较大洪水外，一遇暴雨和台风暴潮，也常使市区低洼地受淹，“下雨大，水浸街”和“天不下雨，水亦浸街”的现象在市区屡见不鲜。

1.2 数学模型

河网水动力模型控制方程为：

(1)

式中x、t——距离、时间的坐标；A——过水断面面积；Q——流量；h——水位；q——旁侧入流流量；C——谢才系数；R——水力半径；α——动量校正系数；g——重力加速度。

利用采用DHI MIKE11离散求解河网水流模型。城市河网大多有堰、闸等水工构筑物，在这些构筑物处，根据堰、闸的水力学特征作特殊处理。排涝计算模型考虑了本流域现状主要的河涌。利用流域各内河涌暴雨产流流量过程线作为边界条件纳入模型进行计算，各涌产流均按线源处理。根据地面高程把荔枝湾流域分割为15个子区域，概化为蓄水子区域(A1—A2、B1—B5、C1—C4、D1—D4)，并分别统计其水位～库容曲线，用虚拟河道把蓄水子区域连接到概化河涌上，模拟水流的溢出与退水过程。

1.3 数据资料

暴雨雨型采用《广东省暴雨参数等值线图》(广东省水文局，2003)及《广东省暴雨径流查算图表使用水册》(1991年)的珠江三角洲地区不同频率雨型，采用推理公式法的计算设计洪水过程线。从洪峰流量(P=5%)及洪峰模数等主要参数看(表1)，本成果与以往成果较为接近，洪水过程成果基本合理。

表1 荔枝湾涌设计洪峰流量对照

采用浮标厂潮位站1994年6月25日潮位过程作为外江典型潮型，此潮型高高潮位接近多年平均高高潮位、低潮位接近多年平均低潮位。考虑排水偏不利条件，假定其高高潮位与洪峰同时在本流域遭遇。

2 结果分析

2.1 模型参数选取与验证

参照以往成果[8-10]，荔枝湾涌涌口—食养坊段模型糙率取值为0.03～0.025，其他位置取值为0.025。在P=90%的暴雨洪水条件下，中山八路渠箱多数计算断面的水位在1.7 m左右，与本区域低洼区高程相比，水浸深度约0.05 m。上西关涌附近的水位在1.7 m左右，该区域附近低洼位置最低水位为1.24 m，水浸高程约0.5 m。根据荔枝湾现状河涌易涝位置现状调查资料，中山八路、泮塘路、龙津路、恩宁路附近为易涝区域(图2)，调查结果与本模型计算的易涝区域分布较为一致，表明模型模拟的荔枝湾流域“水浸街”过程基本合理。

2.2 计算方案

本文计算包括荔枝湾涌现状、整治基本方案及其改进方案。

a) 基本方案也称为荔枝湾二期河涌治理工程方案，包括拟建的荔枝湾水闸(总净宽度为14 m，闸底板高程取-1.5 m)，连接珠江布置4台排涝泵(排涝流量20 m3/s)；中山八路渠箱及食养坊—大地涌段河涌、上西关涌下支改造工程；食养坊—新建管道改造工程(D1600管道改造为2.0 m×2.0 m渠箱)等(图3)。

b) 荔枝湾二期河涌治理工程DN2000管道排涝能力分析方案。为减轻荔枝湾涌截污闸上游雨季污水的出路问题，在截污闸上游埋设一条DN2000管道，经过荔湾湖湖边接入中山八路渠箱，该管道的主要功能是在发生降雨时，荔枝湾涌位于逢源路的水闸关闭，DN2000分流上西关片区的来水，避免逢源路上游水位上升过高导致内涝。

c) 水质过滤功能水池方案。在逢源路截污闸关闭情况下，减轻上西关涌区域的内涝问题的另外一个方案是雨洪调蓄功能水池方案和水质过滤功能水池方案。雨洪调蓄功能水池方案是指在上西关涌建设调蓄水池，发生暴雨洪水时，逢源路—食养坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通过的流量进入调蓄水池储存，调蓄池容积为10 000 m3。由于调蓄池附近上西关涌区域最低高程为1.24 m，本模型在计算中设定当管道水位超过管顶高程1.0 m时，雨水自上西关涌自由溢流至调蓄水池。

2.3 结果与讨论

为了直观比较不同方案的工程效果，表2统计了P=20%雨型等条件下出现荔枝湾涌流域水浸的累计降雨量(临界雨量)。现状条件下上西关涌上支、上西关涌下支容易水浸的临界雨量为83 mm，其主要原因是逢源路水闸上游至下游食养坊之间仅靠1条D1600的管道排水，排水能力不足。二期工程实施后，上西关涌水浸的临界雨量提高近40 mm。表3显示上西关涌出现水浸点的临界雨量与中山八路渠箱进入污水泵站水闸、中山八路渠箱溢流闸交错开启方式影响不大。

由于逢源路截污闸以上是雨污合流管道，其污水通过逢源路水闸上游至下游食养坊之间仅靠1条D1600进入中山八路渠箱，然后进入污水泵站水闸。暴雨期间，为解决上西关涌区域水浸问题，开逢源路截污闸排涝，将导致城市污水进入荔枝湾涌，污染河涌环境。需要寻求逢源路截污闸关闭情况下的最优排涝整治方案。

在逢源路截污闸关闭情况下，减轻上西关涌区域内涝问题方案有：①DN2000管道方案；②雨洪调蓄功能水池方案；③水质过滤功能水池方案。

a) DN2000管道方案是指在截污闸上游埋设一条DN2000管道，经过荔湾湖湖边接入中山八路渠箱；DN2000管道建设后可以大大缓解上西关涌区域的内涝问题，上西关涌流域可满足P=90%暴雨洪水，计算表明可提高上西关涌水浸的临界累计降雨量到160 mm左右。

b) 在上西关涌建设调蓄水池，发生暴雨洪水时，逢源路—食养坊1.5 m×2.0 m箱涵不能通过的流量进入调蓄水池储存。调蓄池容积为24 000 m3时，上西关涌流域基本满足P=90%暴雨不受淹。在上西关涌龙津西路与逢源路交叉口附近顶管敷设DN2000雨水分流管，同时在荔湾湖建设9 000 m3容积蓄水池，以10年一遇雨型(连续6 h降雨量为152 mm)，在降雨6 h即累计降雨量约152 mm时，基本满足上西关涌不会出现水浸。

c) 水质过滤功能水池方案是指建设过滤功能调蓄池，容积为10 000 m3，其下游连接到荔枝湾一期工程的明渠段，即逢源路水闸下游，上游接到逢源路水闸上游。调蓄水池的功能为：降雨初期，由于合流污水流量小，利用逢源路到食养坊的1.5 m×2.0 m排水；当降雨量增大时，合流污水流入调蓄水池过滤，过滤后的污水排入荔枝湾一期工程的明渠段。

表2 荔枝湾涌易涝位置累计临界量统计 mm

注：①采用广东省暴雨径流图集P=20%雨型(177 mm/24h，最大小时降雨量约为25.7 mm)；②涌内控制水位为0.4 m(珠江基面)；③中山八路渠箱溢流闸关闭。符号表示：“×”表示工程组合中不含该方案；“√”表示工程组合中含该方案。工程方案组合：①二期工程方案；②过滤池方案；③DN2000管方案；④连通沙基涌及建闸方案；⑤上西关涌改造工程

表3 中山八路水闸不同调度方式条件下河涌水浸临界雨量 mm

注：①采用广东省暴雨径流图集P=20%雨型(177 mm/24 h)；②涌内控制水位为0.4 m(珠江基面)；③河涌为二期工程完成方案

在实践过程中，基层三防相关部门希望以类似简单的指标，如临界雨量作为预警指标，以预报降雨量与临界雨量进行比较，预测城市水浸灾害发生与否及其严重程度和紧急程度，并据此发布警报信息。由于城市降雨过程非常复杂，降雨雨型不同，雨强也不同，临界雨量在预报城市水浸会有一定的误差。在广州市荔枝湾涌现状及整治方案优选实践看，不同的整治方案、调度方案，水浸点的临界雨量有差异，其根本原因是排水管网排水能力对洪水过程的响应。临界降雨量对于特定城市排水系统来讲是有物理意义的，但是对于城市区域需要对雨型、雨强进行大量的统计分析，减少预报误差，从而形成城市防洪减灾精细管理需要可靠的指标体系。

3 结论

本文在现场调查、资料收集的基础上，采用一维管网水流数学模型对荔枝湾涌现状、不同工程方案组合进行了计算分析，得出如下结论。

a) 现状条件下临界雨量小于83 mm时上西关涌上支、上西关涌出现水浸；二期工程实施后，上西关涌出现水浸的临界雨量提高近40 mm。在二期工程基础上，增加实施DN2000管工程方案，可使上西关涌出现水浸的临界雨量提高到160 mm左右。

b) 上西关涌出现水浸点的累计降雨量与中山八路渠箱进入污水泵站水闸、中山八路渠箱溢流闸交错开启方式影响不大。在逢源路截污闸关闭情况下，DN2000管道建设后或建设调蓄池容积为24 000 m3时可以大大缓解上西关涌区域的内涝问题，上西关涌流域可满足P=90%暴雨洪水。

c) 临界雨量可作为广州市荔枝湾涌城市防洪减灾精细管理的指标体系，预测城市水浸灾害发生与否及其严重程度和紧急程度，并据此发布警报信息。