传统与现代水文方法相结合在水系规划中的应用研究

刘 鑫

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年来越来越多的人意识到水系规划在城市规划中的重要性[1]。水系规划是在调查分析现状水系存在问题的基础上，基于城市水系防洪排涝、供水、生态环境、景观娱乐等不同功能要求，各功能水系布局之间应统筹协调。而防洪排涝保障城市水安全[2]，在水系规划中尤为重要。

1 区域概况

龙江片区位于福建漳州台商投资区北部上游，距离台商投资区管委会2 km，漳州台商投资区地处漳州市东部、厦门市西部、龙海市北部，是处于闽南金三角夏漳泉城市联盟腹心地带的节点城镇。

规划区北面环山，群山拱绕，峰峦叠嶂，地形高差较大，内部河道主要为山区型河道，坡降大，且区域无较大规模的滞蓄区，一旦区域发生强降雨形成山洪，一般峰高量大，易造成洪涝灾害。

区域目前主要疑难节点如图1所示。节点1处为下游龙屿港干流（河道G2）与沈海高速交叉处，此处桥涵宽仅10 m，桥涵上游规划地面标高仅为9 m；节点2处为龙屿港下游镇区，该区域河段河口宽度在8～10 m，过流能力受限制，防洪排涝标准较低，抵御洪涝灾害的能力不足。漳州台商区中心城区防洪排涝规划龙屿港下游过流流量为137 m3/s。

图1 区域水系疑难节点图

2 规划思路与研究方法

2.1 规划思路

台商投资区龙江片区区域属于典型山丘城市地区，规划应遵循“安全、资源、环境”三位一体的规划思路，而安全作为一切的前提尤为重要，规划应解决现状防洪排涝隐患。

此次规划主要采用设置滞洪区，并辅以拓宽河道，使洪水通过各排洪河道进入滞蓄区，调蓄后滞洪区下游水闸下泄到下游河道，减轻下游河道防洪压力。一方面虽然减少了建设用地面积，但通过滞蓄区的调蓄作用，降低了闸前最高洪水位，减轻区内防洪压力；另一方面可增加城市水面化率，符合先行宜居城市的发展趋势，增值周边土地，吸引投资和居住。

2.2 研究方法

龙江片区防洪排涝标准为20 a一遇，区域上游为山区，且面积较小，适合采用传统的设计洪水的方法进行设计洪水计算，区域设置滞洪区，应进行洪水调蓄计算，城区内河道比降相对较小，且区间有汇流，下游桥涵处河道断面有缩窄，传统水文方法计算相对困难，适合用现代水文计算模型构建。

特小流域的雨洪特性及参数变化规律与中小流域不同，特别反映在汇流条件的变化上，特小流域面积很小，一般小于10 km2，坡面汇流在流域汇流中占有不可忽视的地位。由于坡面的下垫面条件变化很大，反映流域汇流的汇流参数随下垫面条件的变化范围更宽，远比反映流域特征（θ=L/J1/3）的影响大，因此特小流域洪水计算随下垫面条件的差异变化很大。

此次上游山区设计洪水采用华东地区特小流域暴雨推求设计洪水方法[3]（原水利电力部华东电力规划院公式），根据设计暴雨成果和流域特征值资料，按照蓄满产流和推理公式法推求设计洪水，汇流计算公式如下：

求解时必须联解上述两式，通过试算求解。对任意的 Δt时段，其Q1、Q2、q1、V1已知，欲求q2、V2。其求解步骤是：假定V2（或q2）后，代入式（4）可求得q2（或V2），再以此q2（或V2）代入式（5）算得V2（或q2）后，若计算的与假定的一致，则试算完成，否则重新假定V2（或q2），直到满足为止。

此次河道汇流采用丹麦DHI的MIKE 11模型，MIKE 11一维河道、河网综合模拟软件主要用

此次滞洪区调蓄计算通过联解河道水量平衡方程和相应排涝蓄泄方程实现。对调蓄过程中任一Δt（Δt=t2-t1）时段，计算式可表示如下：于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源水量水质管理、水利工程规划设计论证均得到广泛应用[4]。

其中水动力模块（HD）原理是采用6点Abbott～Ionescu有限差分格式对圣维南方程组求解[5]，方程组的基本形式如下：

模型中水工控制建筑物包括水闸、船闸、涵洞、泵站等。在水流模拟中，不仅要正确地模拟这些工程措施的规模、位置，同时也要模拟这些工程措施的控制运行方式。在MIKE 11模型中水工建筑物的设置一般非常直观，直接输入设计参数即可，同时也可以自定义其他各种水工建筑物，极大地丰富了对各类实际工程情况的模拟[6]。在此次研究中主要涉及桥涵的设置。

3 水文分析计算

3.1 汇水分区划分

根据流域内水系分布、地形地势、水库和防洪控制位置及河网水力计算需求，将项目区划分成6个汇流分区（见图2），面积合计22.03 km2。各分区情况见表1。

图2 流域分区图

表1 分区参数表

3.2 设计洪水

项目区内没有设立水文站，无实测流量资料，仅设有角美雨量站，可收集到实测降雨资料。角美雨量站有1973～2011年的连续实测资料，由于角美雨量站实测降雨资料记录时段未统一，难以统计到逐年最大1 h、3 h、6 h降雨量。流域邻近石码站、漳州站有45 a以上连续观测资料。

根据降雨资料推算20年一遇24 h设计暴雨为266.17 mm的时程分配，参考《福建省推理公式计算设计洪水手册》中“福建省最大24 h降雨概化过程线”表，通过计算，得到该区域相应的24 h雨量时程分配（见图3）。

图3 20 a一遇设计暴雨过程

根据龙江地区下垫面情况，设计洪水选择华东特小流域Ⅱ-2类，其中m=0.510θ0.092，设计洪水计算结果见表2。

表2 各分区设计洪水成果表

3.3 MIKE 11模型构建

河网概化包括河道及控制建筑物概化。河网概化遵循突出骨干河道，保留需重点研究的非骨干河道，并使概化后的河网调蓄库容与实际保持一致，概化河道断面过流能力、控制建筑物规模及调度情况与实际相一致的原则。概化河道需要的参数有河道长度、河底高程、断面形式、河道糙率等。河道长度、河底高程、断面形式均根据此次设计拟定。

此次计算涉及项目区内7条河道，总长度约8.74 km，水工建筑物有滞洪区出口处水闸，共布置约30个河道断面。河道概化如图4所示。

图4 河网模型概化图

3.3.1 边界条件

水利计算模型在选取边界条件时充分考虑了平原洪水和山区洪水的错时问题、涝水汇入问题及设计洪水与下游水位的组合等情况，边界条件的确定如下：

（1）上边界。河道上游边界条件为项目区各汇流分区汇入河网的流量过程，山区流量边界数量有4个，城市化平原区域区间入流边界有2个。

（2）下边界。采用高干渠20 a一遇水位（最高水位5.1 m）作为下边界。

3.3.2 相关参数

河道断面资料采用规划河道规模。河道初始水深采用0.5～1.5 m计算，河道糙率考虑设计河道断面有较多形式的护岸，根据相关研究成果，规划河道糙率在0.02～0.035选取。

4 研究成果

规划在区域内设置两个滞洪区（见图5），滞洪区1（H1）和滞洪区2（H2）分别设置180亩、40亩。滞洪区1湖底高程为11 m，起调水位为12 m，常水位为12.5 m，高水位为14.5 m；滞洪区2湖底高程为6.5 m，起调水位为7.5 m，常水位为8 m，高水位为9.5 m。

区域预报有强降雨时，提前打开滞洪区出口处节制闸将滞洪区水位分别预降至12 m（滞洪区1）和7.5 m（滞洪区2），预降水深为0.50 m，腾出调洪库容；滞洪区1下游控制节制闸下泄流量不超过70 m3/s，滞洪区2下游节制闸下泄流量不超过25 m3/s，以保证龙屿港与沈海高速交叉处的桥涵安全。

图5 水系节点分布图

规划河道断面及计算成果见表3，可以看见桥涵上R18节点最高水位为8.53 m，与规划地面标高9 m相差接近0.5 m，能够满足防洪排涝的要求。龙屿港节点R22、R23、R24最大过流流量均小于110 m3/s，满足规划不超过137 m3/s的要求。

表3 各河道主要节点断面计算成果

5 结语

结合龙江片区现状及相关规划难点，利用传统设计洪水计算与现代水文模拟工具MIKE 11模型相结合，构建龙江片区水文模型，模拟片区水文情况，得出主要成果如下：

（1）根据水文分析计算，龙江片区共需设置两个滞洪区进行调洪，两个滞洪区规模分别为180亩和40亩。

（2）两个滞洪区下游需设置水闸进行调洪控制，滞洪区1下游水闸控制下泄流量不超过70 m3/s，滞洪区2下游水闸控制下泄流量不超过25 m3/s。

（3）经规划，游龙屿港干流与沈海高速交叉处桥涵上游最高水位为8.53 m，与规划路面标高保持安全距离。

（4）龙屿港下游镇区最大过流流量控制在110 m3/s以内，能够跟下游片区规划相衔接。