南四湖湖西地區(qū)省際邊界河道水文計算方法研究

陳 棟，楊晨霞，車金玲，黃金軍

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127; 2.常州市水利規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 常州 213001)

南四湖湖西地區(qū)省際邊界河道水文計算方法研究

陳 棟1，楊晨霞1，車金玲1，黃金軍2

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127; 2.常州市水利規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 常州 213001)

水文計算對區(qū)域的水利工程規(guī)劃與建設(shè)、水安全和有效減免洪澇災(zāi)害經(jīng)濟損失有著重要意義。本文根據(jù)南四湖湖西地區(qū)的洪澇成因，以省際邊界河道為實例，分析研究了由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水的方法，探討了不同水文計算方法在該地區(qū)的適用性。

水文計算;防洪除澇;排水模數(shù);南四湖

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.018

1 基本情況

江蘇省南四湖湖西地區(qū)地處蘇、魯、皖三省交界，位于南四湖、廢黃河之間，包括豐縣、沛縣全部及銅山西部的廢黃河以北地區(qū)，區(qū)域總面積3046km2。歷史上黃河奪淮穿過該區(qū)，多次決溢、泥沙淤積，地勢西南高東北低，地面高程由50.0m逐漸降至32.5m。每遇暴雨，積水順坡而下、匯入南四湖，又因南四湖湖水頂托，澇災(zāi)頻繁。受災(zāi)原因主要是由于南四湖高水持續(xù)時間長、區(qū)域澇水無法及時排出，因洪致澇現(xiàn)象嚴重;骨干河道標準偏低，常年淤積，排水不暢，省際邊界河道問題尤為突出;低洼圩區(qū)抽排動力不足。

湖西地區(qū)排水以大沙河為界，大沙河以西由復(fù)新河、姚樓河等水系排水入湖;大沙河以東由徐沛河、蘇北堤河、順堤河將該地區(qū)分為三級排水。湖西地區(qū)有省際邊界河道18條，主要包括復(fù)新河、大沙河、姚樓河、太行堤河、蘇北堤河等。

2 水文計算方法

本地區(qū)的實測流量資料較少，同時，由于人類活動的影響使徑流形成的條件發(fā)生了顯著地改變，破壞了流量資料系列的一致性。因此，湖西地區(qū)水文計算采用由設(shè)計暴雨通過產(chǎn)、匯流計算的方法推求設(shè)計洪水。

設(shè)計暴雨采用當?shù)貙崪y雨量資料計算。產(chǎn)流計算為凈雨量的計算，根據(jù)湖西地區(qū)不同的下墊面類型，采用相應(yīng)的方法計算。匯流計算選取姚樓河、西支河、太行堤河、復(fù)新河四條典型省際邊界河道，分別采用排模公式法、瞬時單位線法和總?cè)肓鞑坌罘ㄓ嬎愫拥赖?年和20年一遇設(shè)計排澇流量及地區(qū)的排水模數(shù)。

3 水文計算

3.1 設(shè)計暴雨

湖西地區(qū)屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候，暴雨是造成本區(qū)域洪水的主要因素，造成暴雨的主要天氣系統(tǒng)為黃淮氣旋暴雨、臺風(fēng)暴雨、南北切變暴雨以及暖切變暴雨。

湖西地區(qū)為平原坡水區(qū)，地勢平緩，河道比降較小，坡地匯流和河槽匯流速度慢，洪水歷時較長。根據(jù)區(qū)域洪澇災(zāi)害分析及現(xiàn)行的水文計算方法，造成區(qū)域洪澇災(zāi)害的降雨控制時段一般為三日暴雨。

根據(jù)該區(qū)雨量站點分布情況，選取宋樓、豐縣、張埝、趙莊、城子廟、五段、沛城、藺家壩站8個雨量站，采用算術(shù)平均法計算區(qū)域面平均雨量，雨量資料系列統(tǒng)計年為1960～2013年。分析最大三日暴雨系列，采用P-Ⅲ型曲線適線對參數(shù)進行優(yōu)選，確定設(shè)計暴雨成果，5年和20年一遇最大三日暴雨為142.5mm和216.3mm。

3.2 產(chǎn)流計算

根據(jù)湖西地區(qū)的下墊面分布情況，計算不同下墊面的設(shè)計凈雨量。分別為。

一般區(qū)域或旱地設(shè)計凈雨，根據(jù)《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)，采用次降雨徑流相關(guān)法計算;水田和溝塘水面設(shè)計凈雨，根據(jù)《灌溉與排水設(shè)計規(guī)范》，采用扣損法計算;城區(qū)設(shè)計凈雨，根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2014年版)，采用徑流系數(shù)法計算，根據(jù)城區(qū)建筑密集程度綜合確定徑流系數(shù)。

按照各下墊面的分布面積加權(quán)得流域凈雨量，湖西地區(qū)5年和20年一遇的最大三日設(shè)計凈雨量分別為68.9mm和145.1mm。設(shè)計凈雨時程分配按《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中6h時段凈雨雨型過程。

3.3 匯流計算

3.3.1 排模公式法

目前，湖西地區(qū)采用中央“關(guān)于五省一市平原邊界地區(qū)水利規(guī)劃水文對口意見”(1962年)中建議的經(jīng)驗排模公式法進行匯流計算。其中，排水模數(shù)取值采用湖西萬福河以南地區(qū)水文對口成果(中央淮辦1972年會同蘇魯皖三省確定的水文對口成果)。排水模數(shù)計算公式為:

式中:M為設(shè)計排水模數(shù)(m3/s/km2)，計算成果見表1;R為三天設(shè)計暴雨產(chǎn)生的凈雨量(mm);F為流域面積(km2);K為反映降雨歷時、流域形狀等因素的綜合系數(shù)，取0.031;m為反映洪峰與洪量關(guān)系的峰量指數(shù)，取1.0;n為反映排澇模數(shù)與面積關(guān)系的遞減指數(shù)，取-0.25。

表1 萬福河以南地區(qū)自排模數(shù)成果 單位:m3/s/km2

3.3.2 瞬時單位線法

瞬時單位線指在無窮小歷時的瞬間，在流域上分布均勻的單位凈雨所形成的流域出流過程線，以數(shù)學(xué)方程u(0，t)表示。式中:Γ為伽瑪函數(shù);n為相當于水庫個數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)的參數(shù);K為水庫滯時，相當于流域匯流時間的參數(shù)。

為易于使用，將n、K轉(zhuǎn)化為m1、m2，m1= nK，m2=1/n。參數(shù)m1、m2可由實測資料用數(shù)學(xué)方法優(yōu)選，可采用區(qū)域綜合值，如蘇北平原區(qū): m1=2.25F0.38，m2=1/2。

根據(jù)瞬時單位線參數(shù) m1、m2，查《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中6h單位線，將瞬時單位線轉(zhuǎn)化成時段單位線，利用線性系統(tǒng)的假定，采用卷積公式計算可求得設(shè)計流量過程。

3.3.3 總?cè)肓鞑坌罘?/p>

總?cè)肓鞑坌罘ㄊ菍粲耆肓鬟^程作為輸入過程，再經(jīng)河網(wǎng)槽蓄形成出口斷面的流量過程。依據(jù)水量平衡方程和線性槽蓄方程，經(jīng)過適當概化和數(shù)學(xué)演算，推求出流域匯流過程線。

式中:q為河道入流流量(m3/s);Q為河道出流流量(m3/s);Δt為時段(s);K為河道槽蓄參數(shù)(s-1);S為河道槽蓄量(m3);ΔS為河道槽蓄量的變化量(m3)。

根據(jù)流域匯流參數(shù)，查《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中蘇北平原區(qū)三日凈雨100mm排水模數(shù)過程表推求設(shè)計流量過程。

3.4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述3種計算方法，分別計算河道5年、10年和20年一遇的設(shè)計排澇流量及地區(qū)的排水模數(shù)，同時根據(jù)湖西地區(qū)的現(xiàn)狀，計算了瞬時單位線法和總?cè)肓鞑坌罘ò凑?4h平頭流量削峰的計算成果，5年、10年和20年一遇計算成果見表2和圖1-圖3。

計算結(jié)果表明。(1)排模公式法計算結(jié)果與不削峰的瞬時單位線法和總?cè)肓鞑坌罘ㄓ嬎憬Y(jié)果總體相近。面積小于 100km2地區(qū)，排模公式法偏小15%;面積大于100km2地區(qū)，排模公式法與另兩種方法計算結(jié)果相差較小，均在8%之內(nèi)。主要因為排模公式適用范圍是面積大于100km2，當計算面積小于100km2時采用100km2的排模，會造成結(jié)果偏小。根據(jù)一般規(guī)律，地區(qū)排模隨著流域面積減小而增大，若面積越小，這種差別會越大。(2)瞬時單位線法和總?cè)肓鞑坌罘ㄓ嬎憬Y(jié)果基本一致。不削峰的瞬時單位線法計算結(jié)果略小于總?cè)肓鞑坌罘?，最大相?%;削峰的結(jié)果略大，最大相差7%。主要因為兩種方法取用相同的設(shè)計凈雨，但匯流計算和削峰系數(shù)取值不同。從計算過程看，瞬時單位線法略為繁瑣。

表2 不同方法計算的設(shè)計成果

圖1 不同方法計算的設(shè)計排水模數(shù)比較圖(5年一遇)

圖2 不同方法計算的設(shè)計排水模數(shù)比較圖(10年一遇)

圖3 不同方法計算的設(shè)計排水模數(shù)比較圖(20年一遇)

(3)不削峰比削峰的排水模數(shù)大16～65%，計算區(qū)域面積越小，偏差越大。經(jīng)驗認為一般旱作物耐淹1天，水田作物可耐淹3天。從既能保證農(nóng)作物不因澇受明顯損失、河道排水規(guī)模又較經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，農(nóng)區(qū)比重較大的河道自排流量計算?？紤]地表短期滯水，削峰處理。采用排模公式法計算時，常根據(jù)設(shè)計標準取用相應(yīng)的折減系數(shù)，類似于削峰處理。

4 結(jié)語

南四湖湖西地區(qū)現(xiàn)行的排模公式法簡便易行，能夠方便地推求設(shè)計洪峰，比較適用于平原坡水區(qū)，在淮河以北平原坡水區(qū)使用廣泛。瞬時單位線法和總?cè)肓鞑坌罘ㄍ瑯舆m用于湖西地區(qū)，能夠在求得設(shè)計洪峰的基礎(chǔ)上推求設(shè)計流量過程。湖西地區(qū)水文計算可根據(jù)需要選用不同的計算方法。

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P333.2

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1672-2469(2016)08-0053-03

2015-12-03

陳 棟(1983年—)，男，工程師。