淮河流域泉河洼地蓄排关系研究

李险峰，卢坤林

（1.淮北职业技术学院建筑工程系，安徽淮北235000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009）

淮河流域泉河洼地蓄排关系研究

李险峰1，卢坤林2

（1.淮北职业技术学院建筑工程系，安徽淮北235000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009）

淮河流域平原洼地众多，因其自排能力薄弱易产生严重涝灾。为研究洼地蓄排调度关系，以泉河洼地为例，采用ArcGIS分析地形地貌，并以区域50年长序列降水资料为依据，对典型年进行除涝水文计算，综合考虑区域的自排以及抽排能力，分析目前洼地调蓄能力与排涝体系之间的相互关系。研究表明：与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，缩短内涝淹没时间2/3，效果显著；不断增加抽排能力可以极大降低淹没水深，但对淹没历时影响较小。即使2005年的抽排能力提高1500%，其淹没历时仅缩短6天，仍需要采取其他措施来控制水位。通过对泉河洼地区域蓄排关系的研究，为其他类似平原洼地除涝分析提供技术参考。

蓄排关系；平原洼地；淮河流域；除涝水文计算；ArcGIS；涝灾

平原洼地属淮河流域典型易涝洼地，主要分布在淮北平原等地。平原洼地地域广阔，地势平坦，虽有一定的排水能力，但在较大降雨情况下，往往因坡面漫流或洼地积水而形成涝灾灾害。近些年来，学者[1-5]通过对淮河流域涝灾特性及涝灾成因研究，得出涝灾产生主要缘于区域排涝能力较弱。王友贞[6]认为淮北平原农田排水存在的主要问题是外排条件差、除涝工程配套不完善，排蓄矛盾突出。在除涝水文计算上，费永法[7]比较了三种除涝水文计算方法，提出了规范我国除涝水文计算方法的思路或建议。

泉河洼地是淮河流域平原洼地的典型代表，就其蓄排调度关系而言，自排能力薄弱，无法及时排除中等级降雨以上的雨量，易形成较大的淹没水深；又由于其抽排能力不足，且洼地内土壤渗透性差，导致积水难以渗入地下，无法排除，形成长时间的淹没，产生严重的涝灾。

孙洪滨[8]分析了淮河入海水道渠北地区排涝现状，提出了启用水闸进行排涝的方案；朱岳明[9]从排涝角度讨论了平原河网地区水域调蓄能力的重要性，提出了增加调蓄水深、结合提前预泄来解决区域防洪排涝问题等。经查阅，以往文献中并未从数据上来说明蓄排关系的问题。鉴于此，本文以泉河洼地为研究对象，分析泉河洼地现有排水能力，通过典型年除涝水文计算分析和研究洼地调蓄能力与排涝能力的关系，为平原洼地涝灾治理提供一定的技术参考。

1 研究区域概况

泉河流域位于京广铁路以东、颍河以南、洪河以北的平原地区。泉河流域面积大，支流众多，涝灾发生频繁，其主要存在的问题有：

①流域降雨年际变化大，空间分布不均，多集中有7-9月份，暴雨强度大，地面入渗小，汇流时间短，径流量大，形成流域内洪涝灾频繁。

②地势低洼，排涝设施少，自排能力差，受外水顶托影响，内水不能自排，形成“关门淹”。

③排涝水系不畅通，堵坝多，水位抬高，形成内涝；部分洼地地面高程较低，常位于除涝水以下，极易积涝成灾。

④工程设施（排灌设施）老化，标准低，抗灾能力弱；主要输水河道缺少应有的控制工程，调蓄能力差。

根据已有资料，临泉县泉河流域内进行自排排水的涵闸及其相关资料如表1所列。

临泉县泉河流域现有排涝站7座，各站抽排能力和建成时间均不同。各排涝站相关资料如表2所列。

2 研究区域地形地貌

地貌参数反映着地表的高低起伏状态，是影响汇流的重要因素，泉河流域是典型的平原河网地区，沟渠纵横，堤圩众多，地势自西北向东南缓倾，且存在着大量微型洼地地貌。根据文献[10-12]，为反映研究区域的地形地貌因子，基于GIS空间分析，利用微观地形因子（坡度、坡向）和宏观地形因子（地形起伏度、地形粗糙度）来分析地形变化。泉河流域坡度、坡向图分别如图1、图2所示。

表1 临泉县各自排水闸及其尺寸

表2 各排涝泵站抽排能力

图1 泉河流域坡度图

图2 泉河流域坡向图

根据泉河流域的坡度和坡向图可以发现：90%的地形坡度为0°-0.5°。研究区域地势较低且平坦，坡度较大的地方多为堤坝，这表明区域内具有典型平原洼地的地形特征，易形成封闭的积水区间。

3 除涝水文计算

3.1 水文典型年的选取

现有杨桥站1955年至2010年长序列降水资料，根据频率计算公式可计算出各个水文年的频率，结合考虑涝灾典型年份，最终选取1998、2005、2007和2010年作为水文典型年进行除涝水文计算。各典型年频率计算如表3所示。

表3 典型水文年频率计算

3.2 排水能力计算

1）过闸流量计算。泉河流域自排能力主要依靠各个水闸以及防洪涵闸，不同水闸及防洪涵闸过闸流量的计算公式为

式中，σs为淹没系数，ε为侧收缩系数，m为流量系数，B为收缩断面宽度，H0为闸前水头。

当过闸水头损失hf=0.1m，闸上水头H=1.0～3.5m时，平底板闸过闸流量简化公式为

经过闸上水头以0.1m为梯度对简化公式和原经验公式逐一进行对照，简化公式的最大误差为4%，平底板闸过闸流量简化公式平均误差为1.33%。说明采用公式（2）来计算各水闸过闸流量是合理的。

在计算过程中，可根据GIS对地形的分析，以杨桥站为基础，到各个水闸以坡度1∕9000抬升，以此为依据可以计算出各个水闸的外河水位，即闸下水位。根据公式（2）可知，若知道内河水位，即闸上水位，可求出过闸流量。

2）抽排能力计算。根据表2可知，1998年前，泉河流域抽排泵站只有白沟扬水站，每日最大抽排能力仅为995×103m3；而在2005、2007和2010年，该区域共有7座排涝泵站，假设七座排涝泵站全部运行，则每日最大抽排能力达2430.3×103m3，抽排能力提高近2.5倍。

3.3 除涝计算

根据《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》[13]，取典型年的5-8月的降水量进行来水条件的计算。洼地的调蓄功能与水库类似，泉河洼地的“库容”与水位关系如图3所示。

具体除涝计算如下所述：

1）由于降水频率不同，前期雨量影响也不同。其中1998年和2005年降水设计前期雨量影响为55mm，而2007年和2010年为45mm。自5月1日起，加上前期降雨影响，进行逐日累计降雨量，得到逐日降雨量。

图3 “库容”-水位关系曲线

2）对照淮北平原次降雨径流关系曲线图[11]，依据1号线查出逐日的累计径流深R，再乘以流域面积966km2，即可得到累计库容。

3）根据库容值对应可得到水位值，进行排水计算。首先，在GIS中将画好的耕地面积和制备好的泉河流域DEM进行相交，当耕地未被淹没时得出其涝灾临界值为水位值为33.5m。根据水位值的不同，排水方式也不同：当内河水位低于33.5m时，假定不抽不排；内河水位高于33.5m时开始排水（自排+抽排）；内河水位高于33.5m但低于外河水位时，只能抽排。

4）次日的库容值为第一天库容值减去排掉的库容值，再重复过程3），以此类推最终得到5-8月逐日水位值。

经上述步骤的除涝水文计算，得到典型年内涝水位历时过程线，如图4所示。

从图4可以看出：泉河洼地1998年内涝时间达2个月之久，较2005年、2007年和2010年长3倍左右；1998年特大涝灾后，临泉县泉河流域建造大量排涝泵站，区域抽排能力提升达2.5倍，使得内涝水位较快降低，淹没历时极大缩短。

比较2005年、2007年和2010年三个典型年水位历时情况，可以得到：由于降水的来水情况不同，各年内涝起始时间也不同，即降水情况在很大程度上决定着涝灾灾情。

图4 典型年内涝水位历时曲线

4 研究区域抽排能力与内涝关系

在研究抽排能力与内涝关系时，考虑到1998年排涝能力过小，且2010年降水量较少，故在自排条件一定的情况下，选取2005年和2007年为典型年进行研究区抽排能力分析和研究。

若将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%，研究其内河水位变化（即淹没水深与淹没历时的变化），研究区域排水历时线如图5和图6所示。

图5 2005年不同抽排能力下研究区水位变化过程线

从图5和图6中可以看出，研究区原排涝水位长期居高不下并不断累积升高，随着抽排能力增加，研究区淹没历时不断减少，最高淹没水深也在减小，可以将研究区域的水位及时降下来，在很大程度上减轻了涝灾。

在图5中，即是将抽排能力提高1500%至3.8×109m3，其淹没时间仅仅减少6天，从时间上看效果并不明显。由此看出，仅仅依靠提高抽排能力来减少内涝是不够的，仍然需要提高区域的自排能力，更应该对该区域调蓄调度做整体优化。尤其在汛期来临之前做好整个区域的水位控制，减少前期雨量影响也很重要。

图6 2007年不同抽排能力下研究区水位变化过程线

5 结束语

泉河流域整体地势平坦，洼地较为分散，降水易形成封闭的积水区间。通过对典型年的除涝水文计算，考虑流域自排和抽排，得到水位变化过程线，根据该曲线可以演化涝灾发生过程。

通过ArcGIS计算得到泉河洼地临界内涝水深为33.5m。当典型年发生涝灾时，基于现有排水涵闸及排涝泵站也无法及时彻底阻止涝灾的发生。因此，在自排能力一定的前提下，加大排涝站的建设，增大区域自排能力是目前解决泉河洼地涝灾的重要手段。

此外，在加大区域排涝能力的同时，加强区域自排水利工程建设及优化调蓄调度也是必不可少的除涝措施，也需要重视汛期来临之前的整个区域的水位控制。

[1]赵常斌.基于GIS技术的沿淮典型洼地涝灾成因分析[D].合肥：合肥工业大学，2013.

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[3]王九大.淮河流域重点平原洼地涝灾综合治理对策研究[J].水利经济，2008，26（6）:51-54.

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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

水利部公益项目子题（201401063）；教育部优先发展课题（2013JYYF0661）；安徽省教育厅质量工程项目（工程造价教学团队2016jyxm0902）皖教秘高〔2016〕189号。

李险峰（1968-），男，硕士，副教授，主要从事土力学及应用方面的研究。