淮河流域泉河洼地蓄排關(guān)系研究

李險峰，盧坤林

（1.淮北職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，安徽淮北235000；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥230009）

淮河流域泉河洼地蓄排關(guān)系研究

李險峰1，盧坤林2

（1.淮北職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，安徽淮北235000；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥230009）

淮河流域平原洼地眾多，因其自排能力薄弱易產(chǎn)生嚴重澇災。為研究洼地蓄排調(diào)度關(guān)系，以泉河洼地為例，采用ArcGIS分析地形地貌，并以區(qū)域50年長序列降水資料為依據(jù)，對典型年進行除澇水文計算，綜合考慮區(qū)域的自排以及抽排能力，分析目前洼地調(diào)蓄能力與排澇體系之間的相互關(guān)系。研究表明：與1998年相比，2005年之后的各典型年的洼地抽排能力提高2.5倍左右，縮短內(nèi)澇淹沒時間2/3，效果顯著；不斷增加抽排能力可以極大降低淹沒水深，但對淹沒歷時影響較小。即使2005年的抽排能力提高1500%，其淹沒歷時僅縮短6天，仍需要采取其他措施來控制水位。通過對泉河洼地區(qū)域蓄排關(guān)系的研究，為其他類似平原洼地除澇分析提供技術(shù)參考。

蓄排關(guān)系；平原洼地；淮河流域；除澇水文計算；ArcGIS；澇災

平原洼地屬淮河流域典型易澇洼地，主要分布在淮北平原等地。平原洼地地域廣闊，地勢平坦，雖有一定的排水能力，但在較大降雨情況下，往往因坡面漫流或洼地積水而形成澇災災害。近些年來，學者[1-5]通過對淮河流域澇災特性及澇災成因研究，得出澇災產(chǎn)生主要緣于區(qū)域排澇能力較弱。王友貞[6]認為淮北平原農(nóng)田排水存在的主要問題是外排條件差、除澇工程配套不完善，排蓄矛盾突出。在除澇水文計算上，費永法[7]比較了三種除澇水文計算方法，提出了規(guī)范我國除澇水文計算方法的思路或建議。

泉河洼地是淮河流域平原洼地的典型代表，就其蓄排調(diào)度關(guān)系而言，自排能力薄弱，無法及時排除中等級降雨以上的雨量，易形成較大的淹沒水深；又由于其抽排能力不足，且洼地內(nèi)土壤滲透性差，導致積水難以滲入地下，無法排除，形成長時間的淹沒，產(chǎn)生嚴重的澇災。

孫洪濱[8]分析了淮河入海水道渠北地區(qū)排澇現(xiàn)狀，提出了啟用水閘進行排澇的方案；朱岳明[9]從排澇角度討論了平原河網(wǎng)地區(qū)水域調(diào)蓄能力的重要性，提出了增加調(diào)蓄水深、結(jié)合提前預泄來解決區(qū)域防洪排澇問題等。經(jīng)查閱，以往文獻中并未從數(shù)據(jù)上來說明蓄排關(guān)系的問題。鑒于此，本文以泉河洼地為研究對象，分析泉河洼地現(xiàn)有排水能力，通過典型年除澇水文計算分析和研究洼地調(diào)蓄能力與排澇能力的關(guān)系，為平原洼地澇災治理提供一定的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

泉河流域位于京廣鐵路以東、潁河以南、洪河以北的平原地區(qū)。泉河流域面積大，支流眾多，澇災發(fā)生頻繁，其主要存在的問題有：

①流域降雨年際變化大，空間分布不均，多集中有7-9月份，暴雨強度大，地面入滲小，匯流時間短，徑流量大，形成流域內(nèi)洪澇災頻繁。

②地勢低洼，排澇設施少，自排能力差，受外水頂托影響，內(nèi)水不能自排，形成“關(guān)門淹”。

③排澇水系不暢通，堵壩多，水位抬高，形成內(nèi)澇；部分洼地地面高程較低，常位于除澇水以下，極易積澇成災。

④工程設施（排灌設施）老化，標準低，抗災能力弱；主要輸水河道缺少應有的控制工程，調(diào)蓄能力差。

根據(jù)已有資料，臨泉縣泉河流域內(nèi)進行自排排水的涵閘及其相關(guān)資料如表1所列。

臨泉縣泉河流域現(xiàn)有排澇站7座，各站抽排能力和建成時間均不同。各排澇站相關(guān)資料如表2所列。

2 研究區(qū)域地形地貌

地貌參數(shù)反映著地表的高低起伏狀態(tài)，是影響匯流的重要因素，泉河流域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，溝渠縱橫，堤圩眾多，地勢自西北向東南緩傾，且存在著大量微型洼地地貌。根據(jù)文獻[10-12]，為反映研究區(qū)域的地形地貌因子，基于GIS空間分析，利用微觀地形因子（坡度、坡向）和宏觀地形因子（地形起伏度、地形粗糙度）來分析地形變化。泉河流域坡度、坡向圖分別如圖1、圖2所示。

表1 臨泉縣各自排水閘及其尺寸

表2 各排澇泵站抽排能力

圖1 泉河流域坡度圖

圖2 泉河流域坡向圖

根據(jù)泉河流域的坡度和坡向圖可以發(fā)現(xiàn)：90%的地形坡度為0°-0.5°。研究區(qū)域地勢較低且平坦，坡度較大的地方多為堤壩，這表明區(qū)域內(nèi)具有典型平原洼地的地形特征，易形成封閉的積水區(qū)間。

3 除澇水文計算

3.1 水文典型年的選取

現(xiàn)有楊橋站1955年至2010年長序列降水資料，根據(jù)頻率計算公式可計算出各個水文年的頻率，結(jié)合考慮澇災典型年份，最終選取1998、2005、2007和2010年作為水文典型年進行除澇水文計算。各典型年頻率計算如表3所示。

表3 典型水文年頻率計算

3.2 排水能力計算

1）過閘流量計算。泉河流域自排能力主要依靠各個水閘以及防洪涵閘，不同水閘及防洪涵閘過閘流量的計算公式為

式中，σs為淹沒系數(shù)，ε為側(cè)收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)，B為收縮斷面寬度，H0為閘前水頭。

當過閘水頭損失hf=0.1m，閘上水頭H=1.0～3.5m時，平底板閘過閘流量簡化公式為

經(jīng)過閘上水頭以0.1m為梯度對簡化公式和原經(jīng)驗公式逐一進行對照，簡化公式的最大誤差為4%，平底板閘過閘流量簡化公式平均誤差為1.33%。說明采用公式（2）來計算各水閘過閘流量是合理的。

在計算過程中，可根據(jù)GIS對地形的分析，以楊橋站為基礎，到各個水閘以坡度1∕9000抬升，以此為依據(jù)可以計算出各個水閘的外河水位，即閘下水位。根據(jù)公式（2）可知，若知道內(nèi)河水位，即閘上水位，可求出過閘流量。

2）抽排能力計算。根據(jù)表2可知，1998年前，泉河流域抽排泵站只有白溝揚水站，每日最大抽排能力僅為995×103m3；而在2005、2007和2010年，該區(qū)域共有7座排澇泵站，假設七座排澇泵站全部運行，則每日最大抽排能力達2430.3×103m3，抽排能力提高近2.5倍。

3.3 除澇計算

根據(jù)《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》[13]，取典型年的5-8月的降水量進行來水條件的計算。洼地的調(diào)蓄功能與水庫類似，泉河洼地的“庫容”與水位關(guān)系如圖3所示。

具體除澇計算如下所述：

1）由于降水頻率不同，前期雨量影響也不同。其中1998年和2005年降水設計前期雨量影響為55mm，而2007年和2010年為45mm。自5月1日起，加上前期降雨影響，進行逐日累計降雨量，得到逐日降雨量。

圖3 “庫容”-水位關(guān)系曲線

2）對照淮北平原次降雨徑流關(guān)系曲線圖[11]，依據(jù)1號線查出逐日的累計徑流深R，再乘以流域面積966km2，即可得到累計庫容。

3）根據(jù)庫容值對應可得到水位值，進行排水計算。首先，在GIS中將畫好的耕地面積和制備好的泉河流域DEM進行相交，當耕地未被淹沒時得出其澇災臨界值為水位值為33.5m。根據(jù)水位值的不同，排水方式也不同：當內(nèi)河水位低于33.5m時，假定不抽不排；內(nèi)河水位高于33.5m時開始排水（自排+抽排）；內(nèi)河水位高于33.5m但低于外河水位時，只能抽排。

4）次日的庫容值為第一天庫容值減去排掉的庫容值，再重復過程3），以此類推最終得到5-8月逐日水位值。

經(jīng)上述步驟的除澇水文計算，得到典型年內(nèi)澇水位歷時過程線，如圖4所示。

從圖4可以看出：泉河洼地1998年內(nèi)澇時間達2個月之久，較2005年、2007年和2010年長3倍左右；1998年特大澇災后，臨泉縣泉河流域建造大量排澇泵站，區(qū)域抽排能力提升達2.5倍，使得內(nèi)澇水位較快降低，淹沒歷時極大縮短。

比較2005年、2007年和2010年三個典型年水位歷時情況，可以得到：由于降水的來水情況不同，各年內(nèi)澇起始時間也不同，即降水情況在很大程度上決定著澇災災情。

圖4 典型年內(nèi)澇水位歷時曲線

4 研究區(qū)域抽排能力與內(nèi)澇關(guān)系

在研究抽排能力與內(nèi)澇關(guān)系時，考慮到1998年排澇能力過小，且2010年降水量較少，故在自排條件一定的情況下，選取2005年和2007年為典型年進行研究區(qū)抽排能力分析和研究。

若將2005年和2007年每日最大抽排能力均加大50%、100%、200%、300%、500%、700%、1 000%和1500%，研究其內(nèi)河水位變化（即淹沒水深與淹沒歷時的變化），研究區(qū)域排水歷時線如圖5和圖6所示。

圖5 2005年不同抽排能力下研究區(qū)水位變化過程線

從圖5和圖6中可以看出，研究區(qū)原排澇水位長期居高不下并不斷累積升高，隨著抽排能力增加，研究區(qū)淹沒歷時不斷減少，最高淹沒水深也在減小，可以將研究區(qū)域的水位及時降下來，在很大程度上減輕了澇災。

在圖5中，即是將抽排能力提高1500%至3.8×109m3，其淹沒時間僅僅減少6天，從時間上看效果并不明顯。由此看出，僅僅依靠提高抽排能力來減少內(nèi)澇是不夠的，仍然需要提高區(qū)域的自排能力，更應該對該區(qū)域調(diào)蓄調(diào)度做整體優(yōu)化。尤其在汛期來臨之前做好整個區(qū)域的水位控制，減少前期雨量影響也很重要。

圖6 2007年不同抽排能力下研究區(qū)水位變化過程線

5 結(jié)束語

泉河流域整體地勢平坦，洼地較為分散，降水易形成封閉的積水區(qū)間。通過對典型年的除澇水文計算，考慮流域自排和抽排，得到水位變化過程線，根據(jù)該曲線可以演化澇災發(fā)生過程。

通過ArcGIS計算得到泉河洼地臨界內(nèi)澇水深為33.5m。當?shù)湫湍臧l(fā)生澇災時，基于現(xiàn)有排水涵閘及排澇泵站也無法及時徹底阻止?jié)碁牡陌l(fā)生。因此，在自排能力一定的前提下，加大排澇站的建設，增大區(qū)域自排能力是目前解決泉河洼地澇災的重要手段。

此外，在加大區(qū)域排澇能力的同時，加強區(qū)域自排水利工程建設及優(yōu)化調(diào)蓄調(diào)度也是必不可少的除澇措施，也需要重視汛期來臨之前的整個區(qū)域的水位控制。

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Study on the Relationship of Row and Storage of Spring River's Depression of Huaihe River Basin

LI Xianfeng1,LU Kunlin2
(1.Huaibei Vocational&Technical College,Huaibei 235000,China;2.Hefei Unversity of Technology,hefei230009,China)

There are many plain depressions in Huaihe River basin.It is easy to produce serious floodings because of the weakness of drainage capability.In order to study the relationship of row and storage of depression,we take Spring River as an example to analyze the interrelation of storage capacity and drainage system.There are a lot of ways to solve the problems,such as anslysing topography by ArcGIS,waterlogging hydrological calculation,as well as considering regional drainage and pumping based on the long sequence precipitation data of 50 years.Studies have shown that the depression's pumping capacity of typical years increases about 2.5 times after 2005,comparing with 1998,and the effect is remarkable that flood duration shorten the 3 times.Rising the pumping capacity can greatly reduce the flood depth while it has a smaller effect on flood duration.The flood duration only shoten 6 days even though the pumping capacity increased by 1500%in 2005.We need to take more measures to control water level.It can provide technical reference for other similar plain depressions's waterlogged analysis based on the research about the relationship of row and storage of Spring River.

relationship of row and storage;plain depression;Huaihe river basin;waterlogging hydrological calculation;ArGIS;waterlog

郝安林）

TV122

A

1673-2928（2018）02-0098-05

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.028

2017-04-10

水利部公益項目子題（201401063）；教育部優(yōu)先發(fā)展課題（2013JYYF0661）；安徽省教育廳質(zhì)量工程項目（工程造價教學團隊2016jyxm0902）皖教秘高〔2016〕189號。

李險峰（1968-），男，碩士，副教授，主要從事土力學及應用方面的研究。