蘇州市城市中心區(qū)建設(shè)工程設(shè)防水位計(jì)算研究

楊 燁，何 健，周 穎，謝榴洋

[1.悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)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(guī)?？焖僭鲩L，自然調(diào)蓄功能不斷下降，使得降雨產(chǎn)生的徑流量變大，徑流時(shí)間縮短，洪峰流量增大，出現(xiàn)時(shí)間提前等一系列水文變化現(xiàn)象，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，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(shì)低洼，上承客水入境，下受江潮頂托，排水不暢，是一個(gè)洪澇多發(fā)的地區(qū)，尤其是大水年份5 月至7 月的梅雨和8 月至10 月的臺(tái)風(fēng)雨，常常會(huì)造成局部地面積水[2]。

洪澇災(zāi)害嚴(yán)重威脅城市交通的正常運(yùn)行以及人民的正常生活。因此，本文以蘇州市城市中心區(qū)為例，研究平原河網(wǎng)地區(qū)洪澇水位計(jì)算方法及建設(shè)工程設(shè)防水位的選定方法，其結(jié)果為建設(shè)工程豎向高程的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義[3-5]。

1 區(qū)域概況

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

蘇州城市中心區(qū)即為防洪大包圍范圍，由現(xiàn)狀的城市中心區(qū)大包圍和金閶新城包圍共同組成，本文以城市中心區(qū)大包圍為例，進(jìn)行設(shè)防水位計(jì)算。

現(xiàn)狀城市中心區(qū)大包圍以東至蘇嘉杭高速公路、東環(huán)路、吳東路一線，南面與西面以京杭大運(yùn)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(hù)面積74.1 km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到200 a 一遇。

蘇州城市中心區(qū)河網(wǎng)密布，由于地勢(shì)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(shí)有順逆不定。大包圍內(nèi)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(chǔ)資料

2.1 實(shí)測(cè)水位資料

本研究收集整理了楓橋（63203000）和蘇州（63203050）兩個(gè)水文測(cè)站的歷年實(shí)測(cè)瞬時(shí)最高水位。楓橋站采用1977—2016 年系列資料；2009 年城市中心區(qū)實(shí)施大包圍以后，蘇州（覓渡橋）站與2009年之前系列不連續(xù)，并無統(tǒng)計(jì)意義，蘇州（二）站2015年以后才有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此蘇州站采用1952—2009年系列實(shí)測(cè)資料。

所有水位資料根據(jù)各測(cè)站凍結(jié)基面與吳淞基面的高差進(jìn)行了改正。同時(shí)，由于蘇錫常地區(qū)上世紀(jì)過度開采地下水引起了不同程度的沉降，導(dǎo)致部分水文測(cè)站觀測(cè)水位失真，不能準(zhǔn)確反映河湖水情狀況，特別是大運(yùn)河水位多年出現(xiàn)矛盾，本次根據(jù)資料掌握情況和有關(guān)單位開展的歷次水準(zhǔn)基面校測(cè)成果，對(duì)水位資料作進(jìn)一步檢查復(fù)核與沉降修正。各站水位均統(tǒng)一至鎮(zhèn)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(shí)測(cè)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(qū)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(jì)算方法

蘇州市城市中心區(qū)有楓橋和蘇州兩個(gè)水文站，分別位于西北側(cè)和東南側(cè)，根據(jù)楓橋和蘇州水文站歷年實(shí)測(cè)瞬時(shí)最高水位系列，采用P-Ⅲ頻率適線法進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的洪水位計(jì)算，作為建設(shè)工程相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的防洪水位。

3.2 防澇計(jì)算方法

平原河網(wǎng)地區(qū)以圩區(qū)為主，排澇方式基本為抽排。通過實(shí)測(cè)歷年短歷時(shí)暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率適線以及雨型分配，得相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的24 h 暴雨過程，根據(jù)各圩區(qū)的綜合徑流系數(shù)進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，然后按各圩區(qū)排水管網(wǎng)能力控制進(jìn)行各時(shí)段匯流計(jì)算，最后根據(jù)河道調(diào)蓄能力和泵站排澇能力，得到內(nèi)河最高水位，作為建設(shè)工程相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的防澇水位。

排澇計(jì)算工況：汛期假設(shè)抽排不受外河水位限制，各圩區(qū)取不同的河道預(yù)降水位及開泵抽排水位并且所有泵站同時(shí)開啟。

3.3 設(shè)防水位選取方法

選用建設(shè)工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為防洪水位和防澇水位的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本研究以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇為例。計(jì)算方法流程如圖1 所示。

圖1 設(shè)防水位選定方法

現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足100 a 一遇的圩區(qū)，當(dāng)發(fā)生100 a 一遇洪水時(shí)，可認(rèn)為該狀況下為開敞區(qū)，因此該圩區(qū)內(nèi)建設(shè)工程的防澇水位與防洪水位一致，僅需計(jì)算防洪水位，設(shè)防水位取防洪水位。

現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足100 a 一遇的圩區(qū)，需計(jì)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(shí)際圩區(qū)運(yùn)行，實(shí)際上當(dāng)內(nèi)河水位高于外河水位時(shí)，會(huì)將閘門打開，使內(nèi)外連通，該種情況下也可認(rèn)為開敞區(qū)，因此該防澇水位僅是假設(shè)值，防澇水位與防洪水位一致，設(shè)防水位取防洪水位；若防澇水位小于防洪水位，認(rèn)為防澇水位可能發(fā)生，設(shè)防水位取防澇水位。

4 結(jié)果分析

4.1 防洪水位計(jì)算

楓橋和蘇州水文站歷年實(shí)測(cè)最高水位系列采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)中，均值采用矩法計(jì)算值，Cs 與Cv 值根據(jù)適線情況和經(jīng)驗(yàn)選定。適線結(jié)果見表1。

表1 各站點(diǎn)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(cè)的年最高水位進(jìn)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(cè)的年最高水位進(jìn)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(diǎn)100 a 一遇防洪水位

城市中心區(qū)大包圍西北片區(qū)以楓橋水文站為參考測(cè)站，城市中心區(qū)大包圍東南片區(qū)以蘇州水文站為參考測(cè)站，根據(jù)排頻計(jì)算結(jié)果，100 a 一遇防洪分別為4.86 m 和4.38 m。

4.2 防澇水位計(jì)算

（1）設(shè)計(jì)暴雨

采用楓橋站1983—2017 年共35 a 實(shí)測(cè)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(jìn)行暴雨頻率計(jì)算，均值采用矩法計(jì)算值，Cs 與Cv 值參考《江蘇省水文手冊(cè)》和適線情況選定。楓橋站短歷時(shí)暴雨頻率計(jì)算成果見表3。

表3 楓橋站1983—2017 年短歷時(shí)雨量頻率計(jì)算成果表

根據(jù)《江蘇省暴雨洪水圖集》（1984 年）最大24 h設(shè)計(jì)雨型分析原則，其采用同頻率組合和典型概化雨型相結(jié)合的方法，雨型考慮了主峰出現(xiàn)位置在三分之二處對(duì)工程較不利的形式，對(duì)工程設(shè)計(jì)偏安全，確定雨型采用“84 圖集”最大24 h 設(shè)計(jì)暴雨雨型分配表進(jìn)行時(shí)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(jì)算結(jié)果

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

排澇計(jì)算工況：河道預(yù)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(shí)開泵抽排，水位大于3.8 m 時(shí)考慮泵站可能失效。城鎮(zhèn)管網(wǎng)重現(xiàn)期按規(guī)劃5 a 一遇計(jì)算。假設(shè)抽排不受外河水位限制，按15 min 一個(gè)步長，計(jì)算河道水位變化。遇100 a 一遇降雨時(shí)計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 城市中心區(qū)大包圍遇100 a 一遇暴雨時(shí)內(nèi)河水位變化圖

根據(jù)計(jì)算，城市中心區(qū)大包圍內(nèi)遇100 a 一遇24 h 暴雨時(shí)內(nèi)河水位最高達(dá)4.70 m。圩區(qū)內(nèi)澇水位小于西北片區(qū)外河洪水位（采用楓橋水文站排頻值），該種情況符合工程實(shí)際運(yùn)行，防澇水位為4.70 m；圩區(qū)內(nèi)澇水位大于東南片區(qū)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(shí)際運(yùn)行，防澇水位同防洪水位。

4.3 建設(shè)工程設(shè)防水位選取

根據(jù)以上城市中心區(qū)大包圍的建設(shè)工程防洪水位和防澇水位計(jì)算結(jié)果以及設(shè)防水位選取方法，得蘇州城市中心區(qū)大包圍建設(shè)工程100 a 一遇設(shè)防水位取值結(jié)果見表4。

表4 城市中心區(qū)大包圍建設(shè)工程100 a 一遇設(shè)防水位取值

5 結(jié)語

本文基于蘇州市城市中心區(qū)內(nèi)楓橋水文站1977—2016 年和蘇州水文站1952—2009 年歷年實(shí)測(cè)最高水位資料以及楓橋站1983—2017 年實(shí)測(cè)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(jì)算進(jìn)行蘇州市城市中心區(qū)100 a 一遇洪水位以及遇100 a 一遇24 h 暴雨時(shí)內(nèi)澇水位計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）城市中心區(qū)大包圍西北片區(qū)建設(shè)工程防洪水位的計(jì)算以楓橋水文站為參考測(cè)站，城市中心區(qū)大包圍東南片區(qū)建設(shè)工程防洪水位的計(jì)算以蘇州水文站為參考測(cè)站，根據(jù)各站實(shí)測(cè)水位資料排頻計(jì)算結(jié)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(qū)大包圍內(nèi)遇100 a 一遇24 h 暴雨時(shí)內(nèi)河水位最高達(dá)4.70 m，圩區(qū)內(nèi)澇水位小于西北片區(qū)外河洪水位4.86 m，該種情況符合實(shí)際工程運(yùn)行，防澇水位為4.70 m；而圩區(qū)內(nèi)澇水位大于東南片區(qū)外河洪水位4.38 m，該種情況不符合實(shí)際工程運(yùn)行，防澇水位同防洪水位4.38 m。

（3）城市中心區(qū)大包圍西北片區(qū)建設(shè)工程100 a一遇設(shè)防水位為4.70 m，東南片區(qū)建設(shè)工程100 a一遇設(shè)防水位為4.38 m。該計(jì)算結(jié)果得出的城市中心區(qū)內(nèi)建設(shè)工程設(shè)防水位，為工程設(shè)計(jì)豎向提供科學(xué)指導(dǎo)。