蘇州市城市中心區建設工程設防水位計算研究

楊 燁，何 健，周 穎，謝榴洋

[1.悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029]

0 引言

近年來，隨著全球氣候變化的影響，極端天氣日益增多，且由于城市規?？焖僭鲩L，自然調蓄功能不斷下降，使得降雨產生的徑流量變大，徑流時間縮短，洪峰流量增大，出現時間提前等一系列水文變化現象，導致城市內澇災害頻發，加劇了城市防洪防澇壓力[1]。

蘇州市地處太湖流域下游，地勢低洼，上承客水入境，下受江潮頂托，排水不暢，是一個洪澇多發的地區，尤其是大水年份5 月至7 月的梅雨和8 月至10 月的臺風雨，常常會造成局部地面積水[2]。

洪澇災害嚴重威脅城市交通的正常運行以及人民的正常生活。因此，本文以蘇州市城市中心區為例，研究平原河網地區洪澇水位計算方法及建設工程設防水位的選定方法，其結果為建設工程豎向高程的設計提供科學依據，具有十分重要的意義[3-5]。

1 區域概況

蘇州城市防洪依托流域環太湖大堤抵擋西部太湖洪水，以婁江、吳淞江、大運河為骨干外排通道保障城區洪澇水及時外排，城市內部通過多年的治理與建設，逐步形成分區設防的城市防洪工程體系，城市防御洪澇災害能力不斷提高[6]。

蘇州城市中心區即為防洪大包圍范圍，由現狀的城市中心區大包圍和金閶新城包圍共同組成，本文以城市中心區大包圍為例，進行設防水位計算。

現狀城市中心區大包圍以東至蘇嘉杭高速公路、東環路、吳東路一線，南面與西面以京杭大運河為界，北以齊白橋河、白洋灣、山塘河、謝家橋浜、312 國道、西塘河、滬寧高速公路一線為界，保護面積74.1 km2，防洪標準達到200 a 一遇。

蘇州城市中心區河網密布，由于地勢低平，河流比降小，水流平緩，在局部氣象要素或沿河水閘引排水等人為因素的影響下，河流流向時有順逆不定。大包圍內部水域面積為4.69 km2，水面率6.33%，外排流量為292 m3/s，排模3.9 m3（/s·km2）。

2 基礎資料

2.1 實測水位資料

本研究收集整理了楓橋（63203000）和蘇州（63203050）兩個水文測站的歷年實測瞬時最高水位。楓橋站采用1977—2016 年系列資料；2009 年城市中心區實施大包圍以后，蘇州（覓渡橋）站與2009年之前系列不連續，并無統計意義，蘇州（二）站2015年以后才有監測數據，因此蘇州站采用1952—2009年系列實測資料。

所有水位資料根據各測站凍結基面與吳淞基面的高差進行了改正。同時，由于蘇錫常地區上世紀過度開采地下水引起了不同程度的沉降，導致部分水文測站觀測水位失真，不能準確反映河湖水情狀況，特別是大運河水位多年出現矛盾，本次根據資料掌握情況和有關單位開展的歷次水準基面校測成果，對水位資料作進一步檢查復核與沉降修正。各站水位均統一至鎮江吳淞基面高程。

水位資料滿足代表性、一致性和可靠性的原則[7]。

2.2 實測降雨資料

選取楓橋站1983—2017 年共35 a 年最大1 h、6 h、24 h 雨量資料，能較好的反映蘇州市城市中心區的降水特性，滿足代表性、一致性和可靠性的原則。

3 研究方法

3.1 防洪計算方法

蘇州市城市中心區有楓橋和蘇州兩個水文站，分別位于西北側和東南側，根據楓橋和蘇州水文站歷年實測瞬時最高水位系列，采用P-Ⅲ頻率適線法進行相應標準的洪水位計算，作為建設工程相應標準下的防洪水位。

3.2 防澇計算方法

平原河網地區以圩區為主，排澇方式基本為抽排。通過實測歷年短歷時暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率適線以及雨型分配，得相應標準的24 h 暴雨過程，根據各圩區的綜合徑流系數進行產流計算，然后按各圩區排水管網能力控制進行各時段匯流計算，最后根據河道調蓄能力和泵站排澇能力，得到內河最高水位，作為建設工程相應標準下的防澇水位。

排澇計算工況：汛期假設抽排不受外河水位限制，各圩區取不同的河道預降水位及開泵抽排水位并且所有泵站同時開啟。

3.3 設防水位選取方法

選用建設工程的設計標準作為防洪水位和防澇水位的計算標準。本研究以設計標準為100 a 一遇為例。計算方法流程如圖1 所示。

圖1 設防水位選定方法

現狀防洪標準不滿足100 a 一遇的圩區，當發生100 a 一遇洪水時，可認為該狀況下為開敞區，因此該圩區內建設工程的防澇水位與防洪水位一致，僅需計算防洪水位，設防水位取防洪水位。

現狀防洪標準滿足100 a 一遇的圩區，需計算100 a 一遇的防澇水位，若防澇水位大于防洪水位，該種情況不符合實際圩區運行，實際上當內河水位高于外河水位時，會將閘門打開，使內外連通，該種情況下也可認為開敞區，因此該防澇水位僅是假設值，防澇水位與防洪水位一致，設防水位取防洪水位；若防澇水位小于防洪水位，認為防澇水位可能發生，設防水位取防澇水位。

4 結果分析

4.1 防洪水位計算

楓橋和蘇州水文站歷年實測最高水位系列采用P-Ⅲ型曲線進行頻率計算，統計參數中，均值采用矩法計算值，Cs 與Cv 值根據適線情況和經驗選定。適線結果見表1。

表1 各站點年最高水位頻率分析成果表

楓橋站采用1977—2016 年共40 a 觀測的年最高水位進行P-Ⅲ頻率曲線擬合，得100 a 一遇洪水位為4.86 m；蘇州站采用1952—2009 年共58 a 觀測的年最高水位進行P-Ⅲ頻率曲線擬合，得100 a一遇洪水位為4.38 m，見表2。

表2 各站點100 a 一遇防洪水位

城市中心區大包圍西北片區以楓橋水文站為參考測站，城市中心區大包圍東南片區以蘇州水文站為參考測站，根據排頻計算結果，100 a 一遇防洪分別為4.86 m 和4.38 m。

4.2 防澇水位計算

（1）設計暴雨

采用楓橋站1983—2017 年共35 a 實測年最大1 h、6 h、24 h 系列雨量資料，通過P-Ⅲ型適線法分別進行暴雨頻率計算，均值采用矩法計算值，Cs 與Cv 值參考《江蘇省水文手冊》和適線情況選定。楓橋站短歷時暴雨頻率計算成果見表3。

表3 楓橋站1983—2017 年短歷時雨量頻率計算成果表

根據《江蘇省暴雨洪水圖集》（1984 年）最大24 h設計雨型分析原則，其采用同頻率組合和典型概化雨型相結合的方法，雨型考慮了主峰出現位置在三分之二處對工程較不利的形式，對工程設計偏安全，確定雨型采用“84 圖集”最大24 h 設計暴雨雨型分配表進行時段雨量分配，成果如圖2 所示。

圖2 100 a 一遇最大24 h 暴雨過程

（2）防澇計算結果

蘇州城市中心區大包圍面積74.1 km2，大包圍內部水域面積為4.69 km2，水面率6.33%，綜合徑流系數為0.75，最低控制水位2.6 m。

排澇計算工況：河道預降水位2.6 m，泵站排澇總流量為292 m3/s。水位大于3.2 m 時開泵抽排，水位大于3.8 m 時考慮泵站可能失效。城鎮管網重現期按規劃5 a 一遇計算。假設抽排不受外河水位限制，按15 min 一個步長，計算河道水位變化。遇100 a 一遇降雨時計算結果如圖3 所示。

圖3 城市中心區大包圍遇100 a 一遇暴雨時內河水位變化圖

根據計算，城市中心區大包圍內遇100 a 一遇24 h 暴雨時內河水位最高達4.70 m。圩區內澇水位小于西北片區外河洪水位（采用楓橋水文站排頻值），該種情況符合工程實際運行，防澇水位為4.70 m；圩區內澇水位大于東南片區外河洪水位（采用蘇州水文站排頻值），該種情況不符合工程實際運行，防澇水位同防洪水位。

4.3 建設工程設防水位選取

根據以上城市中心區大包圍的建設工程防洪水位和防澇水位計算結果以及設防水位選取方法，得蘇州城市中心區大包圍建設工程100 a 一遇設防水位取值結果見表4。

表4 城市中心區大包圍建設工程100 a 一遇設防水位取值

5 結語

本文基于蘇州市城市中心區內楓橋水文站1977—2016 年和蘇州水文站1952—2009 年歷年實測最高水位資料以及楓橋站1983—2017 年實測年最大1 h、6 h、24 h 雨量資料，通過采用P-Ⅲ頻率適線法和排澇計算進行蘇州市城市中心區100 a 一遇洪水位以及遇100 a 一遇24 h 暴雨時內澇水位計算，得出以下結論：

（1）城市中心區大包圍西北片區建設工程防洪水位的計算以楓橋水文站為參考測站，城市中心區大包圍東南片區建設工程防洪水位的計算以蘇州水文站為參考測站，根據各站實測水位資料排頻計算結果，100 a 一遇防洪水位分別為4.86 m 和4.38 m。

（2）城市中心區大包圍內遇100 a 一遇24 h 暴雨時內河水位最高達4.70 m，圩區內澇水位小于西北片區外河洪水位4.86 m，該種情況符合實際工程運行，防澇水位為4.70 m；而圩區內澇水位大于東南片區外河洪水位4.38 m，該種情況不符合實際工程運行，防澇水位同防洪水位4.38 m。

（3）城市中心區大包圍西北片區建設工程100 a一遇設防水位為4.70 m，東南片區建設工程100 a一遇設防水位為4.38 m。該計算結果得出的城市中心區內建設工程設防水位，為工程設計豎向提供科學指導。