水闸工程洪水设计及洪潮遭遇分析

程华进，王亚妮，顾亚辉

( 1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005；2.水发规划设计有限公司，山东 济南 250014 )

1 工程概况

本研究的除险加固水闸工程位于江苏省，主要由水闸大坝、闸室、导航设施、水利枢纽，以及交通设施等组成，总建筑面积15万m2。其主要功能是控制长江水位，保证通航安全，调节上下游洪水，保护岸线等。地理位置接近长江入海口，台风时常发生，会带来狂风暴雨等灾害性天气，根据1955—2003年台风资料统计，台风期间，日雨量≥800.0 mm的有29次，最大日雨量为517.9 mm。低压、低涡、切变线等其他天气系统多活动于春夏季，它们常常是一起来，产生强度大、历时短和范围小的暴雨，但是若与其他气象条件相结合，就会出现连续的强降雨[1-5]。

2 设计暴雨

由于该地区没有观测到的降雨数据，故本文的设计暴雨设计是根据2003版《江苏省暴雨参数等值线图》(简称《等值线图》)进行的。依据《等值线图》，得到了年最大 1 h、6 h、24 h、72 h的暴雨参数(均值、Cv值) 等值线图，查得各个历时降雨的参数Ht和Cv，Cs取3.5Cv，在查算手册中查出各历时暴雨P=5%、P=3.33%对应的Kp值，如式(1)：

Htp=Ht·Kp

(1)

式中：Htp为设计暴雨，mm；Ht为对应频率的t小时设计暴雨量，mm，Kp为降雨系数。

计算不同频率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的设计点暴雨值，并按照本工程集雨面积F，查出相应的时间点表面转换因子αt，如式(2)：

Htp面=αt·Htp

(2)

式中：Htp面为设计面暴雨，mm；αt点面转化系数。

计算本工程不同频率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的设计面暴雨值，成果见表1。

表1 查算手册推求暴雨成果

3 设计洪水

3.1 计算方法

按照《江苏省暴雨径流查算图表》使用说明，除了水库，对于其他具有10 km2以上集雨面积的项目，可以采用现有的洪水流量经验公式。本文的计算方法是推理公式法和经验公式法。

(1)推理公式法。推理公式法使用式(3)、式(4)联合求解：

Qm=0.278(Sp/τnp-f)×F

(3)

(4)

式中：Qm为断面设计洪峰流量，m3/s；Sp为暴雨雨力，mm/h；τ为流域全面汇流时间，h；np为设计频率p的暴雨递减指数；f为平均损失率，mm/h；F为集雨面积，km2；L为干流河长，km；m为流域汇流参数；j为河道平均坡降。

(2)经验公式法。如式(5)

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

(5)

式中：Qp为频率p的设计洪峰流量，m3/s；Cp为随频率p而变的系数，p=5%、3.33%时，相应的Cp分别为0.064、0.066；H24p为对应频率的24 h设计暴雨量，mm；J为干流平均坡降。

3.2 计算结果分析

设计洪水计算采用江苏省水文水利计算平台软件以及江苏省洪峰流量经验公式，设计洪水流量成果见表2。从表2 洪水计算成果看，两种方法计算结果比较接近，其中经验公式法计算成果相对较大。由于水闸自身的集雨面积≤10 km2，偏安全考虑，应用江苏省洪水的经验公式进行计算，结果见表3。由表3可知，本流域p=3.33%、p=5%时洪峰模数分别为 11.1 m3/s·km2、9.9 m3/s·km2，根据该区域的平均洪峰模数在8.0～12.0 m3/s·km2，故该方案的防洪标准是可行的。本次初步设计计算方法、参数选用与可研成果一致，计算成果与可研一致，成果可靠[6-14]。

表2 设计洪水成果

表3 洪峰模数及流量成果

4 洪潮遭遇分析

4.1 遭遇分析

项目区内各河涌无实测洪水资料，区内洪水由暴雨推求，故汇水区内洪水用暴雨量代替与外江洪水进行遭遇分析。选用南京潮水站为遭遇分析的参证站，外江洪潮水位选用该站潮水位观测资料。

4.2 统计资料

从安全考虑，取相应日与前、后两日的日最高洪潮水位作为相应日的最高洪潮水位；外江年最高洪潮水位与发生最高洪潮水位相应时间的日降雨量，从安全考虑，在相应日与前、后两日的日降雨量中取大值者作为相应日降雨量。根据统计表点绘内洪与外洪的相关图(见图1 和图2)，可以看出内洪、外洪(潮)相关点据散乱，两者可视为互相独立的事件，故可采用统计方法确定内洪与外洪遭遇关系。

图1 内洪为主与相应外江洪水关系

图2 外洪为主与围内相应洪水关系

此外，利用适线方法进行了统计参数的估计。水文适线法是一种用于分析和模拟水文过程的方法，特别是对于流量和降雨的频率分析。适线法的基本思想是根据历史观测数据，建立一个经验模型来描述水文过程的特征。该方法通常用于推断一定频率下的流量或降雨量，以便进行水资源规划、水文预测、洪水风险评估等工作。在水文适线法中，常用的曲线拟合方法包括极值型适线法，频率型适线法，指数型适线法。极值型适线法基于极值理论，使用极值分布(如Gumbel分布、极大值分布等)来拟合流量或降雨数据的极值。频率型适线法基于频率理论，使用频率分布(如正态分布、对数正态分布等)来拟合流量或降雨数据的频率特征。指数型适线法基于历史洪水事件的特征，通过选择适当的指数洪水进行拟合，以估计其他频率下的洪水量。

本次主要采用频率型适线法。

表4给出了各区域对应的暴雨频度的计算结果。从表4可知，相应日p=3.33%、p=10%、p=20%设计暴雨值分别为 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根据资料统计，以外洪为主时，相应日历年最大降雨量为 174.0 mm，略大于相应日p=3.33%降雨量 153.0 mm，为安全起见，在以外洪水为主要特征的情况下，对应当天的降水最大值为174.0 mm。在对应的24 h内，最大降雨为对应的每日最大降雨的1.1倍，对应24 h的最大降雨为191.4 mm，24 h面降雨量为189.0 mm。

表4 年最高洪潮水位相应日降雨量计算

5 结 论

(1)经验公式法和推理公式法计算结果比较接近，其中经验公式法计算成果相对较大。由于水闸自身的集雨面积≤10 km2，偏安全考虑，应用江苏省洪水的经验公式进行计算。

(2)相应日p=3.33%、p=10%、p=20%设计暴雨值分别为 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根据资料统计，以外洪为主时，相应日历年最大降雨量为 174.0 mm，略大于相应日p=3.33%降雨量 153.0 mm，为安全起见，在以外洪水为主要特征的情况下，对应当天的降水最大值为174.0 mm。