水閘工程洪水設計及洪潮遭遇分析

程華進，王亞妮，顧亞輝

( 1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250014 )

1 工程概況

本研究的除險加固水閘工程位于江蘇省，主要由水閘大壩、閘室、導航設施、水利樞紐，以及交通設施等組成，總建筑面積15萬m2。其主要功能是控制長江水位，保證通航安全，調節上下游洪水，保護岸線等。地理位置接近長江入?？?，臺風時常發生，會帶來狂風暴雨等災害性天氣，根據1955—2003年臺風資料統計，臺風期間，日雨量≥800.0 mm的有29次，最大日雨量為517.9 mm。低壓、低渦、切變線等其他天氣系統多活動于春夏季，它們常常是一起來，產生強度大、歷時短和范圍小的暴雨，但是若與其他氣象條件相結合，就會出現連續的強降雨[1-5]。

2 設計暴雨

由于該地區沒有觀測到的降雨數據，故本文的設計暴雨設計是根據2003版《江蘇省暴雨參數等值線圖》(簡稱《等值線圖》)進行的。依據《等值線圖》，得到了年最大 1 h、6 h、24 h、72 h的暴雨參數(均值、Cv值) 等值線圖，查得各個歷時降雨的參數Ht和Cv，Cs取3.5Cv，在查算手冊中查出各歷時暴雨P=5%、P=3.33%對應的Kp值，如式(1)：

Htp=Ht·Kp

(1)

式中：Htp為設計暴雨，mm；Ht為對應頻率的t小時設計暴雨量，mm，Kp為降雨系數。

計算不同頻率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的設計點暴雨值，并按照本工程集雨面積F，查出相應的時間點表面轉換因子αt，如式(2)：

Htp面=αt·Htp

(2)

式中：Htp面為設計面暴雨，mm；αt點面轉化系數。

計算本工程不同頻率的最大1 h、6 h、24 h、72 h的設計面暴雨值，成果見表1。

表1 查算手冊推求暴雨成果

3 設計洪水

3.1 計算方法

按照《江蘇省暴雨徑流查算圖表》使用說明，除了水庫，對于其他具有10 km2以上集雨面積的項目，可以采用現有的洪水流量經驗公式。本文的計算方法是推理公式法和經驗公式法。

(1)推理公式法。推理公式法使用式(3)、式(4)聯合求解：

Qm=0.278(Sp/τnp-f)×F

(3)

(4)

式中：Qm為斷面設計洪峰流量，m3/s；Sp為暴雨雨力，mm/h；τ為流域全面匯流時間，h；np為設計頻率p的暴雨遞減指數；f為平均損失率，mm/h；F為集雨面積，km2；L為干流河長，km；m為流域匯流參數；j為河道平均坡降。

(2)經驗公式法。如式(5)

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

(5)

式中：Qp為頻率p的設計洪峰流量，m3/s；Cp為隨頻率p而變的系數，p=5%、3.33%時，相應的Cp分別為0.064、0.066；H24p為對應頻率的24 h設計暴雨量，mm；J為干流平均坡降。

3.2 計算結果分析

設計洪水計算采用江蘇省水文水利計算平臺軟件以及江蘇省洪峰流量經驗公式，設計洪水流量成果見表2。從表2 洪水計算成果看，兩種方法計算結果比較接近，其中經驗公式法計算成果相對較大。由于水閘自身的集雨面積≤10 km2，偏安全考慮，應用江蘇省洪水的經驗公式進行計算，結果見表3。由表3可知，本流域p=3.33%、p=5%時洪峰模數分別為 11.1 m3/s·km2、9.9 m3/s·km2，根據該區域的平均洪峰模數在8.0～12.0 m3/s·km2，故該方案的防洪標準是可行的。本次初步設計計算方法、參數選用與可研成果一致，計算成果與可研一致，成果可靠[6-14]。

表2 設計洪水成果

表3 洪峰模數及流量成果

4 洪潮遭遇分析

4.1 遭遇分析

項目區內各河涌無實測洪水資料，區內洪水由暴雨推求，故匯水區內洪水用暴雨量代替與外江洪水進行遭遇分析。選用南京潮水站為遭遇分析的參證站，外江洪潮水位選用該站潮水位觀測資料。

4.2 統計資料

從安全考慮，取相應日與前、后兩日的日最高洪潮水位作為相應日的最高洪潮水位；外江年最高洪潮水位與發生最高洪潮水位相應時間的日降雨量，從安全考慮，在相應日與前、后兩日的日降雨量中取大值者作為相應日降雨量。根據統計表點繪內洪與外洪的相關圖(見圖1 和圖2)，可以看出內洪、外洪(潮)相關點據散亂，兩者可視為互相獨立的事件，故可采用統計方法確定內洪與外洪遭遇關系。

圖1 內洪為主與相應外江洪水關系

圖2 外洪為主與圍內相應洪水關系

此外，利用適線方法進行了統計參數的估計。水文適線法是一種用于分析和模擬水文過程的方法，特別是對于流量和降雨的頻率分析。適線法的基本思想是根據歷史觀測數據，建立一個經驗模型來描述水文過程的特征。該方法通常用于推斷一定頻率下的流量或降雨量，以便進行水資源規劃、水文預測、洪水風險評估等工作。在水文適線法中，常用的曲線擬合方法包括極值型適線法，頻率型適線法，指數型適線法。極值型適線法基于極值理論，使用極值分布(如Gumbel分布、極大值分布等)來擬合流量或降雨數據的極值。頻率型適線法基于頻率理論，使用頻率分布(如正態分布、對數正態分布等)來擬合流量或降雨數據的頻率特征。指數型適線法基于歷史洪水事件的特征，通過選擇適當的指數洪水進行擬合，以估計其他頻率下的洪水量。

本次主要采用頻率型適線法。

表4給出了各區域對應的暴雨頻度的計算結果。從表4可知，相應日p=3.33%、p=10%、p=20%設計暴雨值分別為 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根據資料統計，以外洪為主時，相應日歷年最大降雨量為 174.0 mm，略大于相應日p=3.33%降雨量 153.0 mm，為安全起見，在以外洪水為主要特征的情況下，對應當天的降水最大值為174.0 mm。在對應的24 h內，最大降雨為對應的每日最大降雨的1.1倍，對應24 h的最大降雨為191.4 mm，24 h面降雨量為189.0 mm。

表4 年最高洪潮水位相應日降雨量計算

5 結 論

(1)經驗公式法和推理公式法計算結果比較接近，其中經驗公式法計算成果相對較大。由于水閘自身的集雨面積≤10 km2，偏安全考慮，應用江蘇省洪水的經驗公式進行計算。

(2)相應日p=3.33%、p=10%、p=20%設計暴雨值分別為 153.0 mm、91.7 mm、60.4 mm。根據資料統計，以外洪為主時，相應日歷年最大降雨量為 174.0 mm，略大于相應日p=3.33%降雨量 153.0 mm，為安全起見，在以外洪水為主要特征的情況下，對應當天的降水最大值為174.0 mm。