广州“5.22”暴雨及暴雨洪水量级分析

张 欣,张大伟,陈 琰

(广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510635)

受全球气候变暖和城镇化进程的影响，近年广州市极端暴雨发生概率增加，强度愈来愈大，暴雨内涝灾害已成为影响广州城市水安全的突出问题[1-3]。

2020年5月21日夜间到22日早晨，广州市普降大暴雨，局部特大暴雨，受本次强降雨影响，全市共有443处出现积水，多地出现水淹现象，广州地铁13号线官湖地铁站、新沙地铁站及南沙区间风井严重浸水，致使地铁13号线停运，对社会产生了极大的不良影响。

为分析“5.22”强降雨及暴雨洪水量级，本文以地铁13号线官湖站所在的官湖河流域为研究对象，采用多种方法进行流域设计暴雨量计算，以设计面暴雨量为基础资料，利用综合单位线法进行河道主要控制断面设计洪水计算分析；选取代表性雨量站，对各站在“5.22”暴雨期间的实测降雨资料进行统计分析，并与流域设计暴雨量相比较，给出流域降雨各历时暴雨量的等级；以流域综合单位线及“5.22”实测降雨过程为基础，用卷积公式计算设计洪水过程线，并与流域设计洪水相比较，给出流域各历时暴雨洪水的等级。

1 流域概况

官湖河为东江一级支流，发源于广州市黄埔区华峰，由西北向东南流动，纵贯永和开发区，经红旗水库、永宁街和新塘镇后流入东江北干流。流域上游受红旗水库控制，红旗水库集雨面积为1.6 km2，总库容为132万m3，属小(1)型水库。官湖河河口以上(含红旗水库)集雨面积为67.28 km2，河道总长度为21.9 km，河道平均坡降为2‰。

汇入官湖河的支流主要有6条，分别为大陂河、东浦河、官湖支涌、石下左支涌、石下右支涌和新街支涌。官湖河流域水系分布见图1所示。

图1 官湖河流域水系分布示意

流域内雨量站主要为红旗水库站，无水文测站，官湖河流域附近雨量站主要有位于雅瑶河流域的万田水库、永和河、余家庄水库及温涌流域的禾叉窿水库、南岗街道、水声水库等。官湖河及附近雅瑶河、温涌流域雨量站分布如图2所示。

图2 官湖河流域及附近雨量站点分布示意

2 设计暴雨及设计洪水计算

2.1 设计暴雨计算

流域各种历时设计暴雨量的计算，可根据流域大小和资料条件采用不同的方法进行：① 在流域有较长系列的面暴雨量资料时，可采用数理统计方法直接计算；② 在流域面暴雨量资料短缺时，可利用暴雨参数等值线图，通过设计点暴雨和暴雨的点面关系间接推算设计面暴雨量[4]。本文分别采用以上两种方法对官湖河流域各历时设计暴雨进行推求。

2.1.1实测暴雨分析

本文收集到官湖河流域附近万田水库1991—2019年共29 a实测年最大24 h降雨量，根据实测的年最大24 h降雨量系列采用P-Ⅲ适线法进行频率分析，适线成果如图3所示，万田水库各频率24 h设计点雨量成果见表1。

图3 万田水库年最大24 h降雨频率曲线示意

2.1.2查算图表

由于官湖河流域范围内没有实测水文资料，通过查算《广东省暴雨径流查算图表使用手册》和《广东省水文图集》(2003年版)求得各时段流域中心点暴雨均值Ht平均和变差系数Cv值，计算流域设计点雨量，计算成果见表2。

表2 设计点暴雨成果

由表1及表2对比分析，《广东省暴雨径流查算图表》成果整体较实测降雨排频成果偏大，《广东省暴雨径流查算图表》由广东省水文总站编制，成果均经各协作片区内相邻省之间和相邻片区之间的拼接协调，又由全国暴雨洪水分析计算协调小组办公室组织全国拼接协调及专家小组详细审查、通过验收。

综合以上分析，从流域设计暴雨时、空要求以及偏安全角度等方面综合考虑，本研究选用查算图表成果。

通常求解超参数的方法是利用边缘似然函数来推导模型的参数,最终采用共轭梯度法获得边缘似然最大值来求解超参数。但是,共轭梯度法存在明显缺点,例如容易陷入局部最优解、对初始值依赖性强等。为了克服共轭梯度法学习超参数的缺点,很多学者利用已有的一些其他优化算法来学习超参数,如粒子群算法、人工蚁群算法以及遗传算法等[12-14]。相比之下,遗传算法具有极强的自组性,对种群的初始值没有要求,在多目标隐性参数的优化求解上有着良好的应用。此外,遗传算法不需要利用一阶导数的信息,比共轭梯度法更加简单,也更容易操作。因此,本小节利用遗传算法来优化超参数。具体步骤如下:

2.2 设计洪水计算

设计洪水尽可能用流量资料来计算，当没有可以直接引用的流量资料时，可采用暴雨资料来计算设计洪水[5-7]。官湖河流域内无满足设计洪水分析计算要求的实测洪峰流量系列资料，因此设计洪水采用设计暴雨推求。

本研究采用广东省综合单位线法，求得官湖河主要控制断面的设计洪峰流量见表3。

表3 官湖河主要控制断面设计洪水成果

2.3 流域洪水淹没分析

官湖河为东江北干流右岸的一条一级支流，参考《广州市防洪防涝系统建设标准指引(暂行)》[8]，流域排涝为主时，以流域内频率洪水过程遭遇东江北干流多年平均高高潮位为计算条件，估算官湖河流域洪涝淹没情况。

由以上洪潮遭遇工况，分别绘制官湖河流域50年、100年一遇设计洪水淹没风险示意(见图4～5)。

图4 官湖河流域50年一遇设计洪水淹没风险示意

流域发生50年及100年一遇设计洪水时，官湖河流域淹没范围主要集中在河道中下游东埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸区域。

3 “5.22”实测暴雨分析

3.1 实测降雨过程

为分析本场降雨期间，官湖河流域降雨量等级及暴雨产汇流洪水量级，本研究收集到流域内及附近红旗水库、水声水库、新塘站、永和河、禾叉隆水库站、南岗街道站和万田水库站等共7个雨量站(见图2)“5.22”暴雨实测降雨过程，禾叉隆水库站、南岗街道站及永和河降雨过程见表4所示，降雨由凌晨1:30至上午9:30，历时约8 h，1 h、3 h、6 h和总降雨量统计见表5。

表4 官湖河流域附近雨量站实测降雨过程

表5 “5.22”暴雨实测降雨统计 mm

3.2 暴雨等级

将“5.22”暴雨各历时点雨量与设计暴雨进行对比，万田水库站与永和河站1 h降雨量为20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量约为50年一遇。新塘站1 h降雨量为20年一遇，3 h降雨量超100年一遇，6 h降雨量约为100年一遇。

4 “5.22”实测暴雨洪水分析

4.1 实测暴雨洪水过程

本研究实测暴雨洪水过程计算采用综合单位线法。降雨过程采用永和河站“5.22”实测降雨过程，综合单位线参数与设计洪水计算参数保持一致，用卷积公式计算设计洪水过程线。

经计算，官湖河新沙大道断面、官湖河河口断面“5.22”流量过程分别见图6～7，其断面洪峰流量分别为452 m3/s、430 m3/s。

图6 官湖河新沙大道断面“5.22” 暴雨期间来水过程示意

4.2 洪水量级

“5.22”暴雨降雨期间，官湖河河口来流洪峰为452 m3/s，大于50年一遇洪峰439 m3/s，官湖河新沙大道断面来流洪峰为430 m3/s，大于50年一遇洪峰424 m3/s。

图7官湖河河口断面“5.22” 暴雨期间来水过程示意

4.3 流域实测暴雨洪水淹没分析

通过对广州市“5.22”暴雨洪水淹没情况进行实地调查考证，根据流域大范围实测地形图，结合暴雨期间实际淹没情况绘制“5.22”暴雨洪水淹没范围(见图8)。

图8 广州市“5.22”暴雨洪水淹没范围示意

“5.22”暴雨洪水造成官湖河流域出现大面积水浸，官湖河沿线淹没范围上至矮岗河汇入口上游，创想路桥南侧河道左岸，下至新街支涌涌口附近区域，东埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸区域受淹，受淹区域的淹没水深在0.8～1.8 m范围内，淹没面积总计约450 hm2。

将图8与图4及图5进行对比分析，“5.22”暴雨期间，官湖河流域实际淹没范围基本上与50年一遇设计洪水淹没范围一致，相比略大。以设计洪水及实测暴雨洪水淹没范围进行对比分析，“5.22”场次暴雨洪水等级略大于50年一遇。

5 结语

1)2020年的“5.22”特大暴雨具有强度大、历时短、范围广和面雨量大的特点，这是造成本场特大暴雨雨洪不同频的主要原因。

2)根据官湖河流域实测降雨资料，综合判断“5.22”暴雨为100年一遇，超过官湖河流域现状及规划防洪排涝标准。

3)采用综合单位线法计算分析“5.22”暴雨洪水，官湖河流域洪水大于50年一遇。

4)“5.22”暴雨对官湖河流域造成的淹没主要集中在官湖河支流东埔河、大陂河、官湖支涌、石下右支涌、石下左支涌、新街支涌沿岸区域