廣東省綜合單位線在深圳茅洲河流域的應(yīng)用與評價

張徐杰 程開宇 岳青華 張發(fā)鴻 富強

摘要：隨著城市建設(shè)的發(fā)展，不透水覆蓋面積不斷擴大，用于洪水計算的單位線方法已不能完全適用于城市匯流計算，現(xiàn)行單位線方法推算的基礎(chǔ)條件和城市化后的流域匯流條件已有較大區(qū)別。以深圳茅洲河流域為例，對廣東省綜合單位線在茅洲河流域的適用性進(jìn)行了驗證和評價，提出了廣東省綜合單位線在城市化發(fā)展背景下可能存在的問題和需要改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：廣東省綜合單位線;洪水計算;城市匯流;適用性評價;茅洲河流域;深圳

中圖法分類號：TV214文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.enki.slsdkb.2019.05.004

目前，城市小流域水文計算方法有推理公式、單位線和水文模型等方法，其中以推理公式和單位線方法應(yīng)用較多。但隨著城市建設(shè)的發(fā)展，不透水覆蓋面積和排水系統(tǒng)不斷擴大，單位線方法已不能完全適用于城市匯流的計算，這主要是因為現(xiàn)行單位線方法推算的基礎(chǔ)條件和城市化后的流域匯流條件已有較大區(qū)別。近年來，很多學(xué)者對暴雨推求洪水的方法進(jìn)行了新的探討。黃啟有等建立了不同形狀小流域推理公式法設(shè)計流量表達(dá)式;黃國如等探討了城市中小流域設(shè)計洪峰流量計算方法的適應(yīng)性;李整等對廣東省改進(jìn)綜合單位線法在洪峰流量計算中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

本次研究以深圳茅洲河流域為例，基于中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“華東院”）在茅洲河流域設(shè)立的實測水文雨量站點數(shù)據(jù)，對廣東省綜合單位線在茅洲河流域的適用性進(jìn)行了驗證和評價，提出了廣東省綜合單位線在城市化發(fā)展背景下可能存在的問題和需要改進(jìn)的方向。

1流域概況

茅洲河發(fā)源于深圳市境內(nèi)的羊臺山北麓，地跨深圳、東莞兩市，流經(jīng)石巖、光明、公明、松崗、沙井和東莞長安鎮(zhèn)等，在沙井民主村匯入伶仃洋。茅洲河總流域面積388.23km，干流全長約41.61km，其中深圳境內(nèi)流域面積310.85km，東莞境內(nèi)流域面積77.38km。由于茅洲河上游石巖河及其支流匯入石巖水庫后，石巖水庫下泄經(jīng)溢洪道排入鐵崗水庫，直接排入下游珠江口，并不進(jìn)入茅洲河流域，因此除石巖水庫流域面積（44km）外，茅洲河流域面積為344.23km，干流全長30.69km。感潮河段長約13km，下游河口段11.4km為深圳市與東莞市界河。茅洲河口水系見圖1。

2廣東省綜合單位線

廣東省綜合單位線是通過深入研究納希瞬時單位線方法，汲取國內(nèi)外經(jīng)驗，提出的一套具有廣東特色的綜合單位線。選用了廣東省內(nèi)集水面積為2.3-950km的50個水文站共639場雨洪對應(yīng)資料進(jìn)行分析綜合，資料使用到1983年。其基本思路主要包括以下兩點。

（1）對于解決水文資料短缺地區(qū)中小流域的設(shè)計洪水計算問題，綜合單位線法是一種可行的辦法。該法通過綜合流域特征指標(biāo)與單位線要素或參數(shù)，得出經(jīng)驗公式和圖表，供相似地區(qū)移用。

（2）為消除不同面積和不同計算時段長度對綜合單位線的影響，采用無因次單位線ui-Xi，是一種較好的方法。具體做法是將各站納希單位線的峰頂對齊，求出一條平均單位線，再轉(zhuǎn)換成無因次單位線ui-xi，最后再按全省分區(qū)分類平均，得出分區(qū)分類的典型無因次單位線供設(shè)計使用。

廣東省綜合單位線示意見圖2。其中，時段單位線的定義如下：河流上某一斷面的時段單位線是指由t△內(nèi)凈雨強度不變，集水區(qū)內(nèi)空間分布均勻的單位凈雨（即1mm）在出口斷面形成的地表徑流過程線。

3廣東省綜合單位線適用性評價

3.1基礎(chǔ)資料

華東院在茅洲河流域設(shè)立了2個雨量站和2個水文站（見圖1），其中沙井雨量站位于流域下游位置，樓村雨量站位于流域中上游位置。2個水文站均位于茅洲河流域中上游，因此采用樓村雨量站和2個水文站的雨洪資料，進(jìn)行雨洪相關(guān)分析。

利用2016年6-12月的實測降雨、流量資料，提取其中的所有洪水過程與對應(yīng)降雨過程，組成72 h歷時的雨洪分析資料，干流水文站和新陂頭水文站分別有8個場次的雨洪資料，見圖3-4。由圖可見，干流水文站和新陂頭水文站第8個場次的洪水過程均存在較大的基流，與降雨過程不完全對應(yīng)，因此不作為樣本進(jìn)行研究。

3.2單位線法初始模擬成果

采用廣東省綜合單位線法，根據(jù)實測降雨過程來模擬流量過程。干流水文站和新陂頭水文站的7個場次流量模擬結(jié)果見圖3-4。由于每場洪水過程僅有72個流量值，計算單場次洪水過程的評價指標(biāo)如納什效率系數(shù)（NsE）較不合適。因此，對于干流水文站和新陂頭水文站，分別將7個場次的流量過程合并起來后作為一個模擬和實測流量過程計算NSE，干流水文站和新陂頭水文站的NSE值分別為0.57和0.36。由此可見，廣東省綜合單位線法在干流水文站和新陂頭水文站模擬的流量成果仍有待提高。

3.3單位線法參數(shù)率定

對于廣東省綜合單位線法中的兩個重要參數(shù)（單位線滯時m1和24h穩(wěn)滲率f24），本次研究采用拉丁超立方抽樣法（抽樣10000次）進(jìn)行參數(shù)率定，采用NSE為目標(biāo)函數(shù)。干流水文站和新陂頭水文站的NSE分布情況見圖5。由圖可見，干流水文站NSE大于0.5的模擬次數(shù)超過70%，最大NSE為0.63;新陂頭水文站NSE大于0.5的模擬次數(shù)不足20%，最大NSE為0.55。兩個站點的最大NSE雖沒有達(dá)到較理想值，但相對于廣東省綜合單位線法初始參數(shù)值模擬的成果，均有一定程度的提高。

干流水文站和新陂頭水文站達(dá)到最大目標(biāo)函數(shù)值的前10組模擬成果分別見表l～2。由表可見：對于干流水文站，24h穩(wěn)滲率f24率定結(jié)果大概在3.7-3.9范圍內(nèi)，單位線滯時m1率定結(jié)果大概在4.13-4.14范圍內(nèi);對于新陂頭水文站，24h穩(wěn)滲率f24率定結(jié)果大概在4.3～4.5范圍內(nèi)，單位線滯時m1率定結(jié)果大概在3.56-3.58范圍內(nèi)。

4結(jié)論與討論

根據(jù)廣東省綜合單位線法，茅洲河流域24h穩(wěn)滲率f24=4.5mm，干流水文站單位線滯時m1初始值為3.56，新陂頭水文站單位線滯時m1初始值為2.58。因此，對于24h穩(wěn)滲率f24，根據(jù)綜合單位線法，f24=4.5mm。從模型率定成果看，新陂頭水文站的f24值按綜合單位線法較合理，而干流水文站的f24值按綜合單位線法可能會偏大。對于單位線滯時m1，干流水文站和新陂頭水文站按綜合單位線法計算的m1值均可能偏小。

以上研究的初步結(jié)論是基于茅洲河流域?qū)崪y水文資料而得出的，因此，水文資料的可靠性將是本次研究的關(guān)鍵。目前，華東院設(shè)立的干流水文站和支流水文站主要是根據(jù)2016年統(tǒng)計的水位一流量關(guān)系曲線，通過測量水位來推求流量的。而2016年的水位一流量關(guān)系，則是根據(jù)幾次測流成果而擬定的。根據(jù)測量成果，干流水文站的實測水位一流量點據(jù)相對較合理，擬合關(guān)系相對較好，而新陂頭水文站的實測水位一流量點據(jù)并沒有較理想的相關(guān)關(guān)系。因此，新陂頭水文站的流量數(shù)據(jù)可靠性存在一定問題，有待進(jìn)一步分析和驗證。干流水文站的水位一流量關(guān)系相對較穩(wěn)定，但實測數(shù)據(jù)仍存在偏少問題，同樣需要更多的實測資料進(jìn)一步驗證其合理性和可靠性。

另外，本研究中采用的所有洪水場次中，可能會存在上游水庫泄洪的情況，但受于限制，沒有掌握上游水庫的泄洪情況和相關(guān)資料。如洪水過程中存在水庫泄洪的情況，將對研究造成一定影響。