设计潮位过程线新型计算方法在防洪排涝中的应用研究

设计潮位过程线新型计算方法在防洪排涝中的应用研究
仲维政;张超凡;张军
【摘要】外江(海)潮水位过程对河口滨海地区的防洪排涝影响较大,在该类规划设计中,需要确定承泄区合适的设计潮位过程.介绍了1种关于设计潮位过程线的计算方法,并在浙江省鳌江下游平原地区排涝规划得到应用.设计表明,该方法简洁高效,计算的设计潮位过程线有较好的实用性,达到预期效果,满足防洪排涝设计的要求.【期刊名称】《浙江水利科技》
【年(卷),期】2017(045)002
【总页数】5页(P3-7)
【关键词】防洪排涝;潮型;潮位过程线;计算方法
【作者】仲维政;张超凡;张军
【作者单位】浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002;浙江大学港口海岸与近海工程研究所,浙江杭州 310002;无锡市环境科学与工程研究中心,江苏无锡214001
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.4
近几十年来，由于极端气候不断加剧，台风暴雨等往往会造成地区涝灾，骨干河道超过警戒水位，这种情况下尽快排水是解决内涝问题的主要方法与手段。

河口滨海地区的承泄区多为外海或感潮河段，其潮水位过程是完成排涝水的必要条件之一。

在我国，河口滨海地区多位沿海经济发达地区，一旦形成涝灾将造成社会与经济巨
大损失。

在感潮河段或承泄区为外海的防洪排涝规划及相关工程设计中，结合当地水文形势，一般考虑在设计的偏不利的潮水位过程等边界条件下进行相关的工程规划设计。

目前设计潮位过程的分析研究开展还不充分，工程设计中常用的几种方法还存在不同程度的缺陷[1]，为此，分析研究一种较为可靠的设计潮位过程计算方
法很有必要。

设计潮位过程线是具有一定设防标准（频率）的潮位过程，一般作为设计条件下河口滨海地区河流、泥沙等水动力模型的下边界。

一般防洪防潮工程主要采用高潮位作为控制性因素，排涝工程则根据设计的排涝工程类型选择低潮位或者高潮位作为控制性条件。

潮差反映出了潮汐动力的强弱的信息，不同的潮差对泥沙运动和建
筑物附近的冲刷也会产生不同的影响[2]。

设计潮位过程线是在选择典型的实测潮位过程线的基础上以设计元素为控制进行后处理。

设计潮水位过程线应采用设计潮水位控制，修匀典型潮水位过程线的方法推求[3]。

目前，设计潮位过程线的推求有以下方法：
2.1 同倍比放大法
现行设计潮位过程线采用的最广泛的一种方法，也是规范推荐的方法[3]，该方法
以某控制潮水位为控制，用设计潮水位与典型潮型的相应值之比作为计算系数，用该系数放大或缩小典型潮水位过程。

该方法又成为“同倍比放大法”，在应用的过程中会出现以下问题：当用高潮水位控制典型潮位过程时，该典型潮位将会出现两极分化，在低潮与高潮位同为正直的时，低潮水位同样将被放大；当典型潮位过程中有与高潮位相反的负值的时候，放大系数将“降低”低潮水位，片面的扩大潮差，不能反映真正的设计潮水位过程。

相反，用低潮水位控制潮潮位过程的时候，高潮水位的设计值将出现问题。

同倍比放大法推求设计潮位过程见表1。

2.2 差别“倍比”放大法
考虑到同倍比放大计算设计潮位过程线的种种缺陷，对其进行了改良。

在以设计高
潮位控制放大为设计高潮位的同时典型低潮位维持不变，高低潮位之间各时刻潮位的放大倍比则按高潮位放大倍比与低潮位放大倍比（此时为1.0）之间线性插值，推求各时刻的放大倍比后得到相应的设计潮位过程线。

同理，按低潮位求倍比缩放时，维持高潮位不变，其它放大倍比同前插值取得。

该方法的低潮位设计值与实际情况相悖，无法反映出真实的潮位变化情况。

同样，在按低潮位控制时，高潮位值失真，出现了不同设计标准下，出现了相同的高（低）潮位[1]。

差别倍比放大法推求设计潮位过程见表2。

182.95 1.183.49 293.25
1.193.88 3103.07 1.193.64 411
2.68 1.17
3.14 5121.64 1.131.86 6130.72
1.100.80 714- 0.06 1.07- 0.06 815- 0.57 1.06- 0.60 916- 0.91 1.04- 0.95 1017- 1.09 1.04- 1.13 1118- 1.21 1.03- 1.25 12190.88 1.110.98 1320
2.44
1.16
2.84 1421
3.60 1.21
4.34 15224.05 1.224.95 16233.71 1.21 4.49 17243.08
1.19 3.66
2.3 潮位潮差同频率法
该方法是对选用的典型潮位过程线采用高潮位（或低潮位）和潮差2个要素同频
率控制放大，使放大后的高潮位（或低潮位）和潮差分别等于设计高潮位（或设计低潮位）和设计潮差。

选用设计涨潮潮差来确定设计高潮位前的低潮位，用设计落潮潮差来确定设计高潮位随后的低潮位；当以设计低潮位控制时，以设计落潮潮差和设计涨潮潮差来分别确定此设计低潮位前后的2个高潮位。

确定了设计高（低）潮位及其前后相邻的2个低（高）潮位后，根据典型潮位过程线上各时刻潮位与低潮位的差值占整个潮差的比例来推算设计潮位过程线各时刻相应数值，再加上设计潮位过程线相应的低潮位，即得到相应的设计潮位过程线[1]。

该方法有个假设前提：高（低）潮位与潮位差的发生或出现时同频率事件，但是在实际的统计中，发生一定频率的设计高低潮位并不意味着出现相应频率的潮位差。

根据刘学、褚玉良等研究表明，按该方法计算将有可能加大潮位差，由潮位差计算出的相应高低潮位将同样增大或减少到较不寻常的水平，如：在实际的台风引起的风暴潮过程，低潮位也会相应的抬升，对于该方法得到的较为极端的低潮水位的过程线一般属于有利于排涝的工况，不能反映出防洪排涝计算中的偏不利设计工况。

潮位潮差同频率法推求设计潮位过程见表3。

2.4 潮位潮差频率改进法
由 Copula 函数，建立年最高潮位和年最大潮差的联合分布模型。

通过Copula函数建立年最高潮位和年最大潮差的联合分布，在计算分析重现期的基础上，利用联合分布的同现重现期提出1种以高潮位为控制要素的设计潮位过程线推求方法[4]。

该方法与同频率法有类似之处，将最高潮位作为控制性因素，考虑了最高潮位与潮差同时发生的概率，对同频率计算方法进行了改良，该法更多的是针对设计潮位，设计潮位差计算，其潮位过程线计算方法与同频率法无异。

根据研究资料显示，在部分感潮河道，最高潮位与潮差的组合是两相对独立性事件，两者的相关性较差；该方法相比较同频率法，无视了潮位涨潮落潮的潮位差的各异，涨潮落潮超差均采用相同的设计潮差与实际不太符合。

潮位潮差的改进法推求设计潮位过程见表4。

防洪排涝工程有别，对于防洪挡潮功能的工程而言，堤防或者海塘（堤）主要设计参数为设计高潮位，目的是使得工程能够预防一定重现期的外江（海）潮水[5]；
但是对于排涝规划或工程来说，其主要任务是尽可能花费最小的代价将涝水尽快排出，排水过程为动态过程，同样，作为外部条件的外江（海）潮水位也不是一成不变的，其整个过程的潮水位变化十分重要，而不是由某个高低潮水位独立控制。

为此，设计潮位过程非常重要，设计潮位过程多采用偏不利潮型。

典型偏不利的潮位进行设计，要同时考虑最高潮水位与最低潮水位以及出现的概率，但是又对排涝偏不利的潮型，其能够反映出大多数情况下不利于排水的工况。

上述的几种方法均有各自的优势，但是出现的问题各有不同。

如何选择更加合理的方式，此处提出了设计潮位过程线的新计算方法，该方法为上述同倍比与同频率方法的结合版本，在方法计算中力求简洁。

首先，通过长系列潮水位观测值选择典型潮型，对典型潮型进行必要的修正。

其次，以高潮位或者低潮位进行控制，按以下公式对典型潮位过程进行计算：
式中：Hi为i时刻典型潮水位（m）；H为典型潮水位过程的平均潮水位（m）；Hp，i为p频率下i时刻设计潮水位（m）；kp，1为p频率下设计高潮水位与典型特征潮水位的比值。

式中：Hmax为典型潮水位的最高水位值（m）；kp，2为p频率下典型特征潮水位与设计潮水位的比值。

式中：Hmin为典型潮水位的最低水位值（m）。

最大（小）特征潮位需要进行人工修正。

鳌江下游平原位置示意见图1。

鳌江河口附近及苍南县沿海海域为半日潮区，是我国显著的强潮海区之一。

据鳌江水文站观测资料，多年平均潮位0.86 m，多年潮差涨落影响甚微而间隙时间则低潮比高潮大1倍；涨落历时，落潮比涨潮大1倍。

鳌江下游江南垟平原鳌江平原的涝水均由暴雨形成，位于鳌江河口地区，排水受到潮汐顶托影响。

洪涝外排速度与下游潮位变化关系密切。

南垟平原的洪水主要通过水闸外排入鳌江和东海，受潮位顶托作用，涝水常不能及时排出，产生淹没。

若遇到外江高潮位，顶托时间长，涝灾时间延长，损失加重。

鳌江潮位站有自1958 — 2009年52 a的潮位观测资料，实测最高潮位4.80 m，最低潮位- 2.44 m，多年平均高潮位2.57 m，平均低潮位- 1.68 m，平均潮位0.41 m，平均潮差4.27 m，平均涨潮历时4.26 h，平均落潮历时8.18 h。

实测潮位资料鳌江站历年实测最高潮位过程见图2。

鳌江站潮汐特征值见表5。

以鳌江的感潮河段的外江潮位过程计算为例，外江潮位过程的设计工况是排涝规划工程关注的要点，是排涝能力设计的控制性条件，设计出符合本地区的偏不利的设计潮位过程，力求平原排涝工程效果良好并经济。

实测潮位资料鳌江站历年实测最高潮位过程见图2。

2013年10月7日0点25分时，鳌江潮位站实测潮水位5.22 m，为建国以来实测最高值，超历史实测最高水位0.42 m（1992年）。

根据沿海排涝潮型比较分析，设计排涝潮型主要选用平均偏不利的典型潮型。

规划排涝计算出口断面的潮型，就近按依据站的实测典型潮位过程作适当修正后移用。

通过大量实测资料的分析比较，经分析后鳌江站选取1990年8月19 — 22日实测潮型，其最高潮位4.05 m，其重现期相当于2 a一遇，典型潮型高低潮特征值表见表6。

根据沿海排涝潮型比较分析，设计排涝潮型主要选用平均偏不利的典型潮型。

规划排涝计算出口断面的潮型，就近按依据站的实测典型潮位过程作适当修正后移用。

通过实测资料的分析比较，经分析后鳌江站选取1990年8月19 — 22日实测潮型，其最高潮位4.05 m，其重现期相当于2 a一遇，典型潮型高低潮特征值表见表6，潮位过程见表7。

注：此处海潮为半日潮，高、低潮位各出现2次/d。

以典型潮位过程推求5%的设计潮位过程线为例，得出采用其他设计方法所推求的设计潮位过程线见图3（截选8 — 24 h）。

从图3可以看出，由于采用设计高潮位控制，主要差别在于低潮位，5种方法中，同倍比方法与潮位超差同频率的方法最低潮位均很低，其数值偏低，结果偏安全，不能反映出设计的偏不利条件，改良后的倍比方法，低潮位基本与典型潮位一致，潮位潮差频率改进法则在个别低潮位偏高，状态太过不利，在满足工程目标的同时会增大规模工程，影响经济效益。

本次经验公式在将设计潮型分成上下2个半区的低潮位能够得到有效控制，不至于发生太大或者太小的问题，避免出现极端，具
有一定的参考意义。

设计潮位过程的方法研究较少，目前常用的一些方法均有各自缺点，同倍比或同频率法在计算成果容易失真，容易造成工程规模增大或减少。

提出1种新型设计潮
位过程的计算方法，该方法在计算过程中能够得到较为可靠的计算成果，能够达到工程设计的效果。

设计潮位的计算关键点之一在于选择参照站点的典型潮位，典型潮位的确立必须反映出防洪排涝工作的实际情况，以有利于发挥工程经济与效益。

典型潮位过程的选择在实际工程中，根据暴雨洪水与最高潮位的时间遭遇分析，对典型潮位过程（潮型）略作修正后作为设计潮型。

【相关文献】
[1] 陈静.设计潮位过程线及其推求[J].水文，2012，32(3)：47 - 50.
[2] 马志鑫,杜明球,黄世昌,等.浙江省海塘工程技术规定[R].杭州：浙江省水利厅，1999.
[3] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.DLT 5431 — 2009水电水利工程水文计算规范[S].北京：中国电力出版社，2009.
[4]刘学，诸裕良.基于Copula函数推求设计潮位过程线[J].水利学报，2014，45(2)：243 - 247.
[5] 中华人民共和国水利部.GB 50286 — 2014堤防工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.。