利用Excel软件实现河道蓄 (滞)洪区简捷调节计算

高鑫磊 刘军梅 赵月芬

(北京市水利规划设计研究院 北京 100048)

1 蓄 (滞)洪区洪水调节计算的目的

蓄 (滞)洪区是指河道堤防外或河道内洪水临时贮存的低洼地区或湖泊等。

近年来,随着北京经济社会的迅速发展,城市化进程不断加快,下垫面条件及暴雨洪水特性发生了很大变化。如不透水面积增加,导致相同量级降雨情况下,产流量增加,径流系数加大,加重了城市防洪、排水的负担。

为保障流域和城市防洪安全,市政排水设施规模应越来越大,而河道要满足防洪要求,也要扩宽挖深。

而事实上,受多种客观因素制约,市政排水管网扩大规模的可能性不大;现有河道不可能一再扩宽,也不宜无限制地加高堤防。

另外,由于从整个流域防洪安全角度考虑,上下游省市间还存在排水协议,北京应尽可能维持原有排水量,多余水量在境内自行消纳解决。

为避免无限制地增加河道及市政排水设施的排洪量,同时对汛期雨洪加以控制和利用,北京城市总体规划、新城规划以及河道治理规划中均提出建设蓄 (滞)洪区的措施是解决上述矛盾的有效途径。发生大洪水时蓄 (滞)洪区可以控制洪水下泄,减轻下游地区防洪排水压力,为流域防洪起到积极的作用。平时的中小洪水经蓄 (滞)洪区滞蓄后可回灌地下水,改善地区生态环境。

为合理确定规划蓄 (滞)洪区规模及下游河道流量,并为编制河道及蓄 (滞)洪区规划提供依据,需要对蓄 (滞)洪区进行调节计算。

2 蓄 (滞)洪区调节计算方法

2.1 砍平头法

该方法通常用于河道外蓄 (滞)洪区的调节计算。河道来水通过控制性工程 (闸、坝)及引水工程引入蓄 (滞)洪区。蓄 (滞)洪区规模的确定与河道限泄流量有关。

砍平头法主要是将超过河道限泄流量的上游来水过程引入蓄 (滞)洪区。即当上游来水流量小于此流量时,来水全部向下游河道排泄;当上游来水达到河道限泄流量时,开始向蓄 (滞)洪区分洪,直至蓄满。如图1。滞蓄洪量W、滞蓄后洪水过程计算公式如下。

通过试算,可以合理的确定蓄 (滞)洪区规模与控制性工程规模关系,以保证最大程度的削减洪峰。此方法对削减洪峰流量是最为有利的,见图1。

图1 砍平头法滞蓄示意图(河道外蓄洪区)

2.2 自然调蓄法

该方法通常用于河道内蓄 (滞)洪区的调节计算。此类蓄 (滞)洪区位于河道内,多为挖砂后形成的砂石坑或低洼地,上游来水直接进入蓄 (滞)洪区,蓄满后再向下游排泄。通过该方法的调节计算 (试算),可以判断蓄 (滞)洪区是否能起到削减上游洪峰流量的作用、是否应对现有蓄 (滞)洪区进行改造 (扩大或缩小)以及是否增加控制性工程等措施来削减洪峰。

此方法根据蓄 (滞)洪区大小又分为两种情况,一种是蓄 (滞)洪区容积较小时,上游来水进入蓄 (滞)洪区后,还未达到洪峰时,蓄 (滞)洪区已经蓄满 (见图2),此时蓄 (滞)洪区对上游来水的洪峰流量没有削峰作用,只能减少上游部分洪量。

图2 自然调蓄法(河道内蓄 (滞)洪区容积较小)

第二种情况是蓄(滞)洪区容积相对较大,上游来水滞蓄时间较长,当蓄(滞)洪区蓄满时,来水洪峰流量已经被蓄(滞)洪区全部消纳 (见图3)。

两种情况下滞蓄后洪水过程为蓄 (滞)洪区蓄满时刻以后上游来水过程,计算公式如下。

图3 自然调蓄法 (河道内蓄(滞)洪区容积较大)

3 利用Excel软件进行快速调节计算

蓄 (滞)洪区规模的确定需综合考虑各方面因素。定的太大会造成土地资源不必要的浪费,定的太小起不到削减洪峰和减小下游河道防洪压力的作用。并且,若通过工程措施将洪水引入蓄 (滞)洪区,则还需根据调节计算确定适当的控制性工程的规模,既节省工程投资,又能满足河道的防洪要求。基于上述各方面因素的考虑,我们在调节计算时需进行试算,先假定一个变量,然后计算其他变量,看是否满足上述各方面的要求,直至达到最优值为止。

试算通常采用列表的方法,用于试算是一个反复过程,因此利用Excel软件中的IF函数创建条件公式,可以很快调节出最优成果,只需给定一个变量,不断修改此变量,其他变量自动修改,直至达到最优成果。

前面所述的两种调节计算方法,在利用IF函数建立条件公式时存在下列逻辑关系。

3.1 砍平头法

其中Q削峰为通过控制性工程引入蓄 (滞)洪区的流量,即为控制性工程的规模。

3.2 自然调蓄法

4 应用实例

规划对某一未达到防洪标准的河道按20年一遇进行综合治理,河道下游由于开发建设占用河道两岸土地,对河道进行疏挖扩宽的余地不大,若使该河道达到防洪标准,保障下游的防洪及两岸建设区的安全,拟在该段上游河道堤防外利用现状低洼地规划建设蓄 (滞)洪区。该蓄 (滞)洪区上游河道来水20年一遇洪峰流量为90m3/s,根据调节计算,确定蓄 (滞)洪区建设后下游河道的流量。

4.1 砍平头法

将上游来水洪峰流量及洪水过程及蓄 (滞)洪区容积填入表格中的相应位置 (见图4),先任意假定一个变量 (削峰流量、滞蓄后下游河道流量、蓄 (滞)洪区),在 F9～F20单元格中输入 “IF(C9-E9＜=0,0,C9-E9)”,得到蓄 (滞)洪区的流量过程;在H9～H20单元格中输入 “IF(C9-E9＜=0,C9,E9)”,经过蓄 (滞)洪区调蓄后的流量过程。在E5单元格中输入 “MAX(F8:F20)”,即可得到通过蓄 (滞)洪区滞蓄后排向下游的洪峰流量,分别计算上游来水洪水总量和滞蓄后剩余的洪水总量,分别链接在B5和F5单元格中。改变假定的变量,直到F5=G5为止。

图4 砍平头法洪水调节计算界面

4.2 自然调蓄法

将上游来水洪峰流量及洪水过程及蓄 (滞)洪区容积填入表格中的相应位置 (见图5),可先任意假定一个变量 (削峰流量、滞蓄后下游河道流量、蓄 (滞)洪区),在F31～F42单元格中输入“IF(SUM(＄D＄30:D31)＜=E31,"0",C31)”,得到滞蓄后的流量过程,在E27单元格中输入 “MAX(F30:F42)”,得到滞蓄后即可得到通过蓄 (滞)洪区滞蓄后排向下游的洪峰流量,分别计算上游来水洪水总量和滞蓄后剩余的洪水总量,分别链接在B27和F27单元格中,改变假定的变量,直到F27=G27为止。

图5 自然调蓄法洪水调节计算界面

以上两种方法中,只需根据特定的目标改变假定值,其他变量将自动计算完成。

从以上两种方法的结果可以看出,在蓄 (滞)洪区一定的情况下,自然调蓄法比砍平头法的削峰作用更为显著,在工程实际中,往往会遇到各种各样的情况,也会给调节计算增加各种限定条件,我们在实际应用中,应具体问题具体分析,做多种调节方法,考虑各方面因素后确定最优方案。

5 结语

利用Excel软件的特殊命令进行蓄 (滞)洪区的调节计算,只需更改1～2个变量,即可很快得到其他变量,在蓄 (滞)洪区规划、河道治理及防洪规划的方案制定特别是多方案必选中起到事半功倍的效果,大大提高了工作效率。

本文介绍的方法适用于河道外蓄 (滞)洪区及河道内砂石坑蓄 (滞)洪区调节计算,在对河道内蓄 (滞)洪区分析时,还应综合考虑蓄 (滞)洪区出口型式、蓄 (滞)洪区水位～库容关系等各方面因素,采用调洪演算等更为详细的方法进行分析。

1 姚乐人.防洪工程.北京:中国水利水电出版社,1996

2 北京市水文手册——洪水篇.北京:北京市水务局,2005