揭阳至惠来铁路某站点防洪涝设防水位分析

张铄涵，陈记臣

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635；3. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

近年来由于全球气候变暖和人类活动的影响，极端水文事件时有发生，洪涝问题日益增多[1]。在揭阳至惠来铁路某站点的设计中，场区防洪防涝是水文工作的重点内容。根据《防洪标准》[2]，铁路作为重大基础设施，防护等级为I级，防洪标准为100年一遇。而该站点所在的揭阳市磐岭涝区的排涝标准为20年一遇24 h最大设计暴雨1 d排干，邻近的榕江南北河的防洪标准为50年一遇[3]。因此，现有资料中缺少区域100年一遇防洪涝设防水位成果，使该站点的设计缺少设计依据。防洪涝设防水位的研究一般为调查分析法[4]，但调查分析法主要适用于有大量历史内涝水位数据的情形，且因洪涝两者往往难以区分而导致该方法并不适用于易受洪灾和涝灾双重影响的地区[5]。而基于水量平衡原理的“平湖法”，其资料获取较为容易，且计算结果相对合理。目前，已有较多学者开展了对“平湖法”计算防洪涝设防水位的研究，如周俊[6]、廖庆龙[7]和陈立华[8]运用“平湖法”分别计算了安徽省环巢湖大道三岔河湿地复线工程、南宁市轨道交通1号线和亳州市涡阳县涡北电厂防洪涝设防水位，结果均较为合理。

为满足揭阳至惠来铁路某站点的设计要求，本文结合涝区划分和考虑堤防溃堤与否，通过“平湖法”提出该站点防洪涝设防水位的计算成果，可为该站点的设计提供依据，并为平原区类似工程防洪涝设防水位的计算提供参考。

1 工程位置及区域概况

揭阳至惠来铁路位于广东省东南部，起自揭阳站，经揭东区、揭西县、普宁市、惠来县，接入在建汕汕铁路惠来站。因该站点的地面四周由于道路和堤防的阻隔，四周高、中间低，地形呈漏斗状，故本文选择该站点作为典型进行分析。该站点位于广东省揭阳市揭阳产业转移工业园霖磐镇的磐岭涝区内，涝区内地势平坦，河网密布。该站点位于榕江流域，与榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距离分别为1.8 km和7.5 km(见图1)。研究区域的多年平均降水量为1 765 mm[3]。降雨量年内分配主要集中在汛期4—9月，汛期降雨量占全年降雨量的83.3%。研究区域位于粤东沿海，且常受东南季风影响，高温湿热，暴雨频繁，历史上洪涝灾害严重[9]。

图1 该站点位置示意

2 研究方法与计算思路

2.1 “平湖法”

“平湖法”以水量平衡为原则，具有严格水量平衡的优点，能充分考虑涝区的蓄滞作用，对于平原地区的防洪涝设防水位计算较为实用[10]。

“平湖法”将河网与低洼区域概化为等容积的湖泊进行蓄排演算，其水量平衡公式为[10]：

(1)

式中：

V1，V2——时段初、时段末滞蓄水量，m3；

q1，q2——时段初、时段末涝水流量，m3/s；

Q1，Q2——时段初、时段末排水流量，m3/s。

2.2 计算思路

本文分大小涝区和考虑洪涝同频遭遇溃堤与否，以较为准确地计算该站点的防洪涝设防水位。

根据该站点所在区域的地形情况，磐岭涝区的最低点为德桥河下游，为得到偏安全的防洪涝设防水位，不考虑溃堤情形时本文采用不包括德桥河流域的小涝区进行防洪涝设防水位计算。同时，因该站点距离榕江南北河均比较近，故洪涝同频遭遇并发生超过堤防防洪标准的洪水时考虑了河流溃堤作用，此时的涝区需与榕江南北河均连接，为大涝区。

3 结果与讨论

3.1 水文分析

1) 设计暴雨

当无实测降雨资料时，设计暴雨可由地区水文图集查算[5]。本文采用《广东省暴雨参数等值线图》中的各历时暴雨参数，计算不同频率的设计点暴雨值(见表1～表2)。根据表1和表2，区域100年一遇24 h最大设计面雨量为381.98 mm。

表1 设计暴雨参数

表2 各频率设计面雨量 mm

设计雨型采用《广东省暴雨径流查算图表》中粤东沿海Ⅱ区。按照《广东省暴雨径流查算图表》给出的分区产流参数表，对粤东沿海地区、集水面积小于100 km2的流域，平均下渗率为4.5 mm/h。

2) 涝水量计算

结合区域规划土地利用情况，综合考虑各组分权重，取综合径流系数为0.80，再由降雨量计算涝水量。

3.2 工况设置

1) 工况1：不考虑溃堤情形

该站点所在区域的西侧和南侧分别为卅岭水和榕江南河的堤围，北侧和东侧分别为省道S234和揭普惠高速公路，结合区域地形情况，可形成一个相对独立的排涝分区。该排涝片区的面积为24.86km2(见图2)。

2) 工况2：考虑溃堤情形

因为该站点与榕江南河左岸和榕江北河右岸的最近距离分别为1.8km和7.5km，榕江南河左岸和榕江北河右岸现状的堤防防洪标准均为50年一遇，当榕江南北河发生100年一遇洪水时则有溃堤可能，因此，本次计算区域100年一遇暴雨遭遇榕江南北河100年一遇洪水溃堤下，进入涝区的水量包括区域暴雨产生的涝水量及榕江南北河溃口涌入的洪水量。溃堤时，该站点所在的工况1所划的流域边界将会被淹没，因此工况2的涝区为磐岭涝区的集雨范围。该排涝片区的面积为111.12km2(见图2)。

注：内圈为工况1的涝区(阴影部分)，外圈为工况2的涝区。

为得到最不利于工程安全的区域内涝水位，本文假定区域涝水与外江洪水遭遇，即2种工况下的区域涝水均无法正常排泄至外江。

1) 边界条件

工程上游的榕江南河和榕江北河干流上分别有东桥园和赤坎水文站。依据水文比拟法，得到模型的上边界榕江南河三洲拦河闸与北河水闸100年一遇设计流量分别为6 296m3/s和3 456m3/s；依据已有的水面线计算成果，下边界榕江南河和北河100年一遇情况下的下洲高速路大桥和潭王大洲处的设计洪水位分别为6.04m(1985国家高程基准，下同)和6.68m。

2) 溃口宽度计算

根据《洪水风险图编制导则》，该站点附近的榕江南北河溃堤适合用没有溃痕情况计算溃口宽度的经验公式[11]：

Bb=1.9(1og10B)4.8+20

(2)

式中:

Bb——溃口宽度，m；

B——河宽，m。

最终确定该站点附近的榕江南河与榕江北河断面的溃口宽度分别为207.19m和83.77m。

3.3 水位—库容曲线

根据“平湖法”计算防洪涝设防水位时，涝区水位～库容曲线的确定对计算结果有着较大影响。根据现场地形查勘和1:10000地形图，基于ArcGIS平台，建立数字地形模型并绘制水位—库容曲线(见图3)。

a 工况1

3.4 设防水位计算结果

1) 工况1：不考虑溃堤情形

工程所在涝区按遭遇20年、50年和100年一遇降雨，从偏安全的角度，假设该排涝区工况1完全封闭，采用“平湖法”计算最大24h的涝水量对应的涝水位(见表3)。可知，在不考虑溃堤情形下，该站点在100年一遇降雨条件下的防洪涝设防水位为6.62m。

表3 不溃堤下不同频率的设防水位

2) 工况2：考虑溃堤情形

MIKE11模型在溃堤溃坝和排涝分析中均有广泛应用[12-13]，本文采用MIKE11模型模拟100年一遇洪水频率下榕江南河左堤和榕江北河右堤位于该站点附近处发生溃堤的出流洪水过程。

溃堤时，该站点所在的工况一所划的流域边界将会被淹没，因此工况2的涝区为磐岭涝区的集雨范围(图2的外圈)。

根据MIKE11得到的榕江南北河溃堤流量过程，二者的溃堤流量刚开始时均为0。因为榕江南河上边界流量与河宽均大于榕江北河，故榕江南河堤防先溃堤，而榕江北河在榕江南河溃堤6h后才开始出现溃口，故表4中榕江北河在历时1h和6h时的溃堤来水量均为0。将该站点所在排涝分区的区域涝水量叠加溃堤洪水量得到总涝水量，根据图3的水位—库容曲线，得到相应的设防水位(见表4所示)。可知，在考虑榕江南北河溃堤情形下，该站点在100年一遇降雨条件下的防洪涝设防水位为7.84m。

表4 溃堤下不同历时的设防水位

3) 设防水位最终计算结果

对以上2种工况的计算结果取较大值(见表5)。可知，综合考虑大小涝区和溃堤与否，最终得到该站点在100年、50年和20年一遇降雨条件下的防洪涝设防水位推荐值分别为7.84m、6.47m和6.27m。

表5 内涝水位推荐值 m

3.5 合理性分析

1) 该站点附近揭普惠高速公路的防洪标准为50年一遇，其标高为6.8m，本次计算的区域50年一遇的推荐防洪涝设防水位为6.47m，与其接近。

2) 根据《广东省揭阳市流域综合规划修编报告(2005—2030年)》(2011.11)，该站点附近的榕江南河上的三洲拦河坝坝下100年一遇和50年一遇设计水位分别7.734m和7.074m。因本文计算该站点100年一遇的防洪涝设防水位时考虑了溃堤来水量和涝区内的涝雨量，故其值(7.84m)略大于三洲拦河坝坝下100年一遇的设计水位(7.734m)；而计算该站点50年一遇的防洪涝设防水位时仅用涝区内涝雨量进行计算而未考虑溃堤来水量，故其值(6.47m)略小于三洲拦河坝坝下50年一遇的设计水位(7.074m)。因此，本文的防洪涝设防水位计算结果较为合理。

4 结语

1) 在不考虑溃堤情形下，该站点在100年、50年和20年一遇降雨条件下的防洪涝设防水位分别为6.62m、6.47m和6.27m。

2) 因该站点邻近的榕江南北河河段的堤防防洪标准为50年一遇，故100年一遇降雨频率下堤防有溃堤的可能，通过MIKE11模型计算溃堤流量，得到该站点在考虑榕江南北河溃堤时100年一遇的防洪涝设防水位为7.84m。