嚴(yán) 鈺
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
感潮河網(wǎng)地區(qū)的河道一方面受到上游來水的影響,另一方面也受到下游潮位的頂托[1],因此,在進(jìn)行該區(qū)域水利工程規(guī)模論證時(shí)既要考慮上游的洪水流量,也要考慮下游的潮水位[2]。在以往的工程實(shí)踐中,常采用內(nèi)河設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均高潮位,并將洪水的峰值與潮位的峰值相遭遇作為最不利的計(jì)算工況,以此為依據(jù)來推求工程規(guī)模。
本文針對同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的不同錯(cuò)峰工況,分別進(jìn)行調(diào)蓄演算,選取最不利工況,以此合理地確定工程規(guī)模,保證工程的安全性。
廈門市地處我國東南沿海福建省東南部、九龍江入海處,月美池公園位于廈門市集美區(qū)杏林街道轄區(qū),總面積約有20.5萬m2,是集美地區(qū)的大型濱海公園,靠近廈門海域杏林灣;月美池是公園中被人為從杏林灣隔出來的一個(gè)海水湖。
月美池上游均為城市用地,水流源短坡降陡,具有匯流速度快,來水暴漲暴落的特性,同時(shí)受外海潮水位的頂托影響,使蓄洪池的洪水退落過程較長,流域內(nèi)澇嚴(yán)重。因此,規(guī)劃在月美池外排杏林灣處設(shè)置強(qiáng)排泵站,以緩解其在遭遇外海潮位頂托時(shí)的內(nèi)澇壓力。泵站的規(guī)模根據(jù)月美池在洪潮遭遇時(shí)的調(diào)蓄演算進(jìn)行論證[3],保證月美池的最高水位得到控制。
月美池流域范圍內(nèi)無雨量站,較近的三社站可作為依據(jù)站。位于灌口的三社站有自1966年以來的實(shí)測雨量資料,經(jīng)相關(guān)插補(bǔ)得到該站1956年~2007年共計(jì)52年的降雨資料。其中1956年~1958年資料采用鄰近灌口站資料,1959年~1960年資料采用塘邊站資料。
根據(jù)三社站年最大1 h、3 h、6 h和24 h暴雨資料進(jìn)行頻率分析,采用P-Ⅲ型頻率曲線[4],離差系數(shù)Cs=3.5CV。各時(shí)段暴雨頻率分布曲線的配線過程在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。其中,時(shí)段雨量平均值按矩法估計(jì),Cv和Cs的初值按經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與P-Ⅲ型理論曲線絕對離差和最小為準(zhǔn)則得出,然后通過目估適當(dāng)調(diào)整確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
在各暴雨頻率(p)下不同時(shí)段暴雨特征值見表1。
表1 各時(shí)段年最大雨量設(shè)計(jì)成果表
月美池流域集雨面積5.49 km2,匯流總長度約3.5 km,平均比降3.0‰。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨成果和流域特征值資料,采用華東地區(qū)特效流域暴雨推求設(shè)計(jì)洪水法(原水利電力部華東電力規(guī)劃院公式),按照蓄滿產(chǎn)流和推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水,匯流計(jì)算公式如下:
式中:QM為地表洪峰流量,m3/s;F為流域面積,km2;Rt為 子時(shí)段內(nèi)凈雨量,mm;子為匯流時(shí)間,h;J為干流比降;m為匯流參數(shù);L為匯流長度,t為匯流時(shí)間。
用華東地區(qū)特效流域推理公式法計(jì)算得到各頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量,如表2所示。
表2 月美池設(shè)計(jì)洪峰流量 m3/s
根據(jù)福建省暴雨洪水概化過程和概化地表流量過程,同時(shí)按等腰三角形分配地下洪水過程,疊加即得到設(shè)計(jì)洪水過程線,見表3。
表3 月美池設(shè)計(jì)洪水過程(p=2%)
月美池是圈圍杏林灣的部分水域,屬于廈門海域,因此,潮水位分析采用廈門高崎潮位站的潮位資料。本工程以國家海洋局東海分局廈門中心海洋站1998年9月24日提供的廈門海域不同重現(xiàn)期的潮水位特征值資料,作為工程設(shè)計(jì)依據(jù),其潮水位特征值見表4。
表4 高崎潮位站不同頻率設(shè)計(jì)高潮位 m
從工程安全角度出發(fā),排洪設(shè)計(jì)潮型應(yīng)選擇對工程排洪不利,即高潮位和設(shè)計(jì)潮位相近,低潮位高、潮差小的潮型。根據(jù)以上原則,以潮位觀測資料為依據(jù)選擇潮型并加以修正,從而得到設(shè)計(jì)潮型,見圖1。
圖1 設(shè)計(jì)潮位過程線
根據(jù)保護(hù)片區(qū)內(nèi)人口和城市重要性,以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,月美池流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,調(diào)洪演算采用50 a一遇洪水遭遇外海多年平均年最高潮位組合,進(jìn)行抽水流量試算。
月美池原占地面積約為15.0萬m2,受池內(nèi)紅樹林限制以及新建五星級酒店(海灣大酒店面積2.5萬m2)的影響,月美池實(shí)際蓄水面積約為10萬m2。其水位庫容關(guān)系如表5所示。
表5 月美池水位庫容關(guān)系
月美池設(shè)計(jì)池底高程為-1.80m,汛前控制水位0.50 m(計(jì)算的初始水位),最高內(nèi)澇水位按2.80m進(jìn)行控制(排澇工況下,池內(nèi)水位不超過2.80m)。
調(diào)洪演算依據(jù)水量平衡公式:
式中:Q1、Q2為計(jì)算時(shí)段始末的來水流量;q1、q2為計(jì)算時(shí)段始末的泄水流量;V1、V2為計(jì)算時(shí)段始末的河涌蓄水量;Δt為計(jì)算時(shí)段,取1 h。
月美池靠外側(cè)海堤設(shè)1條涵洞,并設(shè)置水閘控制水流,在閘門全啟的情況下,泄流流量主要受涵洞影響,其過水?dāng)嗝鏋?孔3.91m(H)×2 m(B);擋潮閘設(shè)置2孔閘門,單孔閘孔凈寬為2.0m,閘底板高程-1.8m。當(dāng)澇片內(nèi)洪水匯入月美池后,池內(nèi)水位低于外海潮位時(shí),啟用泵排,關(guān)閉水閘擋潮;當(dāng)池內(nèi)水位高于外海水位時(shí),關(guān)閉泵排,開啟閘門排水。
以2.80m內(nèi)澇水位作為控制條件,分別計(jì)算潮峰提前1 h、峰峰相遇、潮峰滯后1~4 h等工況所需的泵站規(guī)模。經(jīng)過試算,各工況下所需的排澇流量分別為 11.2m3/s、15.1m3/s、19.0m3/s、24.2m3/s、27.5m3/s、24.0m3/s,其調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程見圖2。
峰峰相遇工況下試算得到的泵站規(guī)模為15.1m3/s,該流量均小于潮峰滯后1 h等工況下所需的泵站規(guī)模;潮峰滯后3 h的工況下試算得到的泵站規(guī)模為27.5m3/s,為各錯(cuò)峰工況下泵站所需的最大流量。以15.1m3/s作為泵站流量,計(jì)算得到潮峰滯后3 h時(shí)月美池的池內(nèi)最高水位為4.14m(見圖3),不能滿足2.80m的控制水位。
圖2 調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程
圖3 調(diào)蓄演算內(nèi)外水位變化過程(潮峰滯后3 h,泵站規(guī)模15.1 m3/s)
根據(jù)以上排澇演算成果,選用潮峰滯后3 h的錯(cuò)峰工況作為最不利工況,即通過設(shè)置抽排流量27.5m3/s的強(qiáng)排泵站,可在50 a一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均年最高潮位時(shí),將月美池水位控制在2.80m安全控制水位以下,以適應(yīng)排澇需求,滿足月美池工程的整體布置和月美池流域的防洪排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
為合理論證月美池排海泵站的規(guī)模,本文在50 a一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇外海多年平均年最高潮位的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下,分別計(jì)算不同錯(cuò)峰組合工況所需的排澇泵站規(guī)模。根據(jù)計(jì)算,峰峰相遇并非最不利工況,本次工程中的最不利工況為潮峰滯后3 h。因此,在類似感潮河網(wǎng)地區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算時(shí),不能簡單地采用峰峰相遇的工況,需進(jìn)行不同的錯(cuò)峰遭遇分析計(jì)算,以選取洪潮時(shí)空最不利工況,保障工程的安全可靠性。