堤防型河網(wǎng)區(qū)調(diào)水排澇水面比率確定方法研究

應(yīng) 磊

(四川展華工程項目管理有限公司，四川 成都 610000)

水表面比率是載水功能的面積與總表面積的比率，以百分比表示。從水資源管理的角度出發(fā)，區(qū)域防洪澇災(zāi)率是一項基于技術(shù)現(xiàn)狀的指標(biāo)，可以滿足區(qū)域防洪除洪功能的要求。區(qū)域防洪澇災(zāi)率是一個動態(tài)指標(biāo)。國內(nèi)研究人員在不同角度對防洪除澇進(jìn)行了深入研究。劉曉鵬[1]等通過建立排澇水動力數(shù)學(xué)模型,模擬不同水面率條件下的荔枝灣涌流域排澇調(diào)蓄計算,分析水面率對排澇能力的影響。許潔[2]通過建立排澇水動力數(shù)學(xué)模型，模擬不同水面率條件下的荔枝灣涌流域排澇調(diào)蓄計算，分析了水面率對排澇能力的影響。林渠[3]結(jié)合自然條件及城市建設(shè)的現(xiàn)狀,分析現(xiàn)有福州市城區(qū)排洪排澇體系建設(shè),提出了分區(qū)排澇、改造晉安河為排澇高渠方案的建設(shè)思路，提高福州市中心城區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn),減輕城區(qū)澇災(zāi)。陳璇等[4]引入了最高控制水位及期末水位等約束條件,兼顧了農(nóng)田地區(qū)與城鎮(zhèn)地區(qū)的排澇要求,排澇計算結(jié)果偏于安全。

進(jìn)入“十三五”以來，科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會融合更加密切，人民群眾對美好生活的向往越來越迫切。同時“五水共治”的深入推進(jìn)，防洪排澇工程越來越受到重視，洪水排放要求不斷細(xì)化，標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，水利工程建設(shè)設(shè)計與質(zhì)量也必須隨任務(wù)要求相適應(yīng)相匹配[5-6]。本文參考相關(guān)設(shè)計思想和理念，提出城市堤防型河網(wǎng)區(qū)調(diào)水排澇水面比率的方法，并結(jié)合實(shí)際加以論證，以期為河網(wǎng)排水排澇工作提供參考。

1 研究方法

1.1 堤防型河網(wǎng)地區(qū)的排洪特性

研究區(qū)域處于平原地帶，河網(wǎng)地勢平坦，80%以陸域海拔高度處于河流與洪水和干旱年份海拔高度之間。河流縱橫交錯，閘門通常設(shè)在外河和內(nèi)河(港口)之間的交界處。在洪水季節(jié)，關(guān)閉閘門以防止洪水泛濫，而在干旱期間打開閘門可以引水[7]。在這種類型的地區(qū)中，洪水通常是由外河承擔(dān)的，其排泄水和當(dāng)?shù)氐臐乘宄蝿?wù)也要進(jìn)行。內(nèi)河(港口)通常承擔(dān)清除木筏的任務(wù)，因此，可以與外河和內(nèi)河(港口)分別計算洪水和排水所需的水面比率。兩者之和是排洪所需的費(fèi)率。

1.2 確定洪水面比率方法

城市堤防河網(wǎng)在洪水期不承擔(dān)泄洪任務(wù)，因此河道的過流能力由防洪標(biāo)準(zhǔn)來確定。城市河網(wǎng)河道的設(shè)計與建設(shè)由河網(wǎng)水量的估算值來確定[8]。顯然，根據(jù)水利建設(shè)設(shè)計部門程序：根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)河道設(shè)計暴雨分析各區(qū)塊的設(shè)計洪水過程；根據(jù)河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行河道洪水計算，得出各河段的設(shè)計洪水。爬坡高度和堤防間距可通過表面線等計算。

堤防型河網(wǎng)的水流狀態(tài)為非恒定流，其流量和流速隨時間和路徑變化?？梢酝ㄟ^圣維南的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型來計算，如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Q是截面流量, m3/s；B是水面寬度，m；Z是斷面水位，m；q是側(cè)面流入量，m2/s；x是過程坐標(biāo)，m；t是時間坐標(biāo)，s；u是截面的平均流速，m/s；g是重力加速度，取9.8 m/s2；A是過流斷面面積，m2；n,R是水力半徑，m。

使用上述方程式時，可以在一定邊界條件下求解河流每個指定段的水位和流量。數(shù)學(xué)模型是在已知河道尺寸的條件下進(jìn)行的，通常適用于各種河網(wǎng)布局，假設(shè)計算河段尺寸，確定最佳條件下的布局和規(guī)模，然后計算河道的洪水面。

1.3 確定基本水面率的方法

1.3.1 設(shè)計排水流量

內(nèi)港一般承擔(dān)著內(nèi)澇的任務(wù)，排水區(qū)是每個堤防區(qū)所包圍的區(qū)域[9]。在大雨的情況下，除田地和水閘停滯外，所有堤防地區(qū)產(chǎn)生的水量應(yīng)使河網(wǎng)停滯。剩余的澇漬應(yīng)在排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間內(nèi)排出。排水流量的計算如式(3)所示：

(3)

式中:

1.3.2 排澇水水面比率的計算方法

計算排澇水水面比率的基本方法可分為三個步驟：第一，計算不同底層條件的排水能力。第二，判斷各分區(qū)的出水能力和內(nèi)滯能力。第三，可以通過分析出水能力和內(nèi)滯能力來計算水面比率。

1.3.3 方案經(jīng)濟(jì)比較模型

當(dāng)目前的排水流量和排水能力不能滿足排澇要求時，應(yīng)提高排澇能力。有三種選擇：增加外排量(水泵)、增加儲水量或兩者結(jié)合。方案的比較主要是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，即總投資和運(yùn)營成本最小[10]。為了便于比較計劃，使用了年度價值比較方法。其數(shù)學(xué)公式為式(4)：

minNF=min[IB×(A/P,i,n)+

IS×(A/P,i,n′)+UB+US]

(4)

2 實(shí)際案例分析

四川省某市沿運(yùn)河排澇河網(wǎng)區(qū)，領(lǐng)土平坦，沒有丘陵。20世紀(jì)90年代后，基礎(chǔ)建設(shè)基本完成。是典型的洪水平原河網(wǎng)地區(qū)。

四川省某市面積為130.9 km2，排澇漬的標(biāo)準(zhǔn)是非農(nóng)業(yè)田間地區(qū)暴雨20 a一遇，農(nóng)田地區(qū)暴雨10 a一遇，基本情況見表1。

表1 四川省某市堤防區(qū)基本情況

根據(jù)該區(qū)域的基本數(shù)據(jù)和洪水開挖率的計算程序，在排洪標(biāo)準(zhǔn)下最經(jīng)濟(jì)的開墾區(qū)的排泄量為157 m3/s，泄洪水域面積為0.93 km2,外河增加了水域面積,面積為0.35 km2，內(nèi)港增加了0.06 km2的水域。根據(jù)其定義，可以計算出該區(qū)域的泄洪水面比率：

R泄洪=(A現(xiàn)狀+ΔA泄洪)/A總和

(5)

R澇漬=(A現(xiàn)狀+ΔA澇漬)/A總和

(6)

R泄洪和澇漬=R泄洪+R澇漬

(7)

同時，還需要指出的是，不能僅針對一個區(qū)域獨(dú)立地計算洪水率，需要考慮多個因素，例如過境水，并且分析應(yīng)基于整個區(qū)域或流域[11]。淹水率方案的確定是通過經(jīng)濟(jì)模型的比較來確定的，這很大程度上受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)因素的影響[12]。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇確實(shí)可行排澇方案。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種計算堤防型河網(wǎng)地區(qū)洪水面比率的方法。該方法基于此類地區(qū)的泄洪特征。本研究表明，從水管理的角度出發(fā)，研究洪水和澇水的水面速率是可行和可實(shí)現(xiàn)的，為水文水利管理部門提供了決策依據(jù)。