堤防型河网区调水排涝水面比率确定方法研究

应 磊

(四川展华工程项目管理有限公司，四川 成都 610000)

水表面比率是载水功能的面积与总表面积的比率，以百分比表示。从水资源管理的角度出发，区域防洪涝灾率是一项基于技术现状的指标，可以满足区域防洪除洪功能的要求。区域防洪涝灾率是一个动态指标。国内研究人员在不同角度对防洪除涝进行了深入研究。刘晓鹏[1]等通过建立排涝水动力数学模型,模拟不同水面率条件下的荔枝湾涌流域排涝调蓄计算,分析水面率对排涝能力的影响。许洁[2]通过建立排涝水动力数学模型，模拟不同水面率条件下的荔枝湾涌流域排涝调蓄计算，分析了水面率对排涝能力的影响。林渠[3]结合自然条件及城市建设的现状,分析现有福州市城区排洪排涝体系建设,提出了分区排涝、改造晋安河为排涝高渠方案的建设思路，提高福州市中心城区的排涝标准,减轻城区涝灾。陈璇等[4]引入了最高控制水位及期末水位等约束条件,兼顾了农田地区与城镇地区的排涝要求,排涝计算结果偏于安全。

进入“十三五”以来，科学技术与经济社会融合更加密切，人民群众对美好生活的向往越来越迫切。同时“五水共治”的深入推进，防洪排涝工程越来越受到重视，洪水排放要求不断细化，标准不断提高，水利工程建设设计与质量也必须随任务要求相适应相匹配[5-6]。本文参考相关设计思想和理念，提出城市堤防型河网区调水排涝水面比率的方法，并结合实际加以论证，以期为河网排水排涝工作提供参考。

1 研究方法

1.1 堤防型河网地区的排洪特性

研究区域处于平原地带，河网地势平坦，80%以陆域海拔高度处于河流与洪水和干旱年份海拔高度之间。河流纵横交错，闸门通常设在外河和内河(港口)之间的交界处。在洪水季节，关闭闸门以防止洪水泛滥，而在干旱期间打开闸门可以引水[7]。在这种类型的地区中，洪水通常是由外河承担的，其排泄水和当地的涝水清除任务也要进行。内河(港口)通常承担清除木筏的任务，因此，可以与外河和内河(港口)分别计算洪水和排水所需的水面比率。两者之和是排洪所需的费率。

1.2 确定洪水面比率方法

城市堤防河网在洪水期不承担泄洪任务，因此河道的过流能力由防洪标准来确定。城市河网河道的设计与建设由河网水量的估算值来确定[8]。显然，根据水利建设设计部门程序：根据设计标准河道设计暴雨分析各区块的设计洪水过程；根据河网的结构，进行河道洪水计算，得出各河段的设计洪水。爬坡高度和堤防间距可通过表面线等计算。

堤防型河网的水流状态为非恒定流，其流量和流速随时间和路径变化。可以通过圣维南的一维非恒定流数学模型来计算，如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Q是截面流量, m3/s；B是水面宽度，m；Z是断面水位，m；q是侧面流入量，m2/s；x是过程坐标，m；t是时间坐标，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是过流断面面积，m2；n,R是水力半径，m。

使用上述方程式时，可以在一定边界条件下求解河流每个指定段的水位和流量。数学模型是在已知河道尺寸的条件下进行的，通常适用于各种河网布局，假设计算河段尺寸，确定最佳条件下的布局和规模，然后计算河道的洪水面。

1.3 确定基本水面率的方法

1.3.1 设计排水流量

内港一般承担着内涝的任务，排水区是每个堤防区所包围的区域[9]。在大雨的情况下，除田地和水闸停滞外，所有堤防地区产生的水量应使河网停滞。剩余的涝渍应在排水标准规定的时间内排出。排水流量的计算如式(3)所示：

(3)

式中:

1.3.2 排涝水水面比率的计算方法

计算排涝水水面比率的基本方法可分为三个步骤：第一，计算不同底层条件的排水能力。第二，判断各分区的出水能力和内滞能力。第三，可以通过分析出水能力和内滞能力来计算水面比率。

1.3.3 方案经济比较模型

当目前的排水流量和排水能力不能满足排涝要求时，应提高排涝能力。有三种选择：增加外排量(水泵)、增加储水量或两者结合。方案的比较主要是从经济角度考虑，即总投资和运营成本最小[10]。为了便于比较计划，使用了年度价值比较方法。其数学公式为式(4)：

minNF=min[IB×(A/P,i,n)+

IS×(A/P,i,n′)+UB+US]

(4)

2 实际案例分析

四川省某市沿运河排涝河网区，领土平坦，没有丘陵。20世纪90年代后，基础建设基本完成。是典型的洪水平原河网地区。

四川省某市面积为130.9 km2，排涝渍的标准是非农业田间地区暴雨20 a一遇，农田地区暴雨10 a一遇，基本情况见表1。

表1 四川省某市堤防区基本情况

根据该区域的基本数据和洪水开挖率的计算程序，在排洪标准下最经济的开垦区的排泄量为157 m3/s，泄洪水域面积为0.93 km2,外河增加了水域面积,面积为0.35 km2，内港增加了0.06 km2的水域。根据其定义，可以计算出该区域的泄洪水面比率：

R泄洪=(A现状+ΔA泄洪)/A总和

(5)

R涝渍=(A现状+ΔA涝渍)/A总和

(6)

R泄洪和涝渍=R泄洪+R涝渍

(7)

同时，还需要指出的是，不能仅针对一个区域独立地计算洪水率，需要考虑多个因素，例如过境水，并且分析应基于整个区域或流域[11]。淹水率方案的确定是通过经济模型的比较来确定的，这很大程度上受当地经济因素的影响[12]。因此，应根据当地实际情况选择确实可行排涝方案。

3 结 语

本文设计了一种计算堤防型河网地区洪水面比率的方法。该方法基于此类地区的泄洪特征。本研究表明，从水管理的角度出发，研究洪水和涝水的水面速率是可行和可实现的，为水文水利管理部门提供了决策依据。