基于洪水频率分析的城市河流防洪排涝规划方法

金云集

(温州市水利电力勘测设计院有限公司，浙江 温州 325000)

经济与城市化双重发展提高了人们的日常生活质量，也出现了很多生态安全隐患[1]。研究表明，近几年我国多个城市自然灾害频发，最常见的就是洪涝灾害，洪涝灾害出现的渍水点达百余个[2]，积水深度超过1m，不仅影响了人们的日常生活，还淹没了农田、商铺，造成严重的经济损失[3]。并且部分河流周边城市出现洪涝灾害的频率较高[4]。我国相关建设部门已经颁布了与城市河流防洪排涝有关的规划编制大纲，要求各个城市根据自身状况评估城市的防洪排涝能力[5]，了解各个城市的洪涝灾害风险，并制定针对性的管理保障措施。

事实上，目前我国很多城市的防洪排涝规划不成熟，且现有的防洪排涝设计难以满足城建部门的相关标准，造成洪涝灾害频发[6]。大多数的城市河流防洪排涝规划方法主要使用城市暴雨径流模型，来验证排涝规划合理性。但是在实际应用过程中，城市暴雨径流模型易受水系重构概化作用影响，对洪水位的计算存在一定误差，导致洪水位过高，为防洪排涝带来较大压力，可能会影响河流周边城市的安全。为了降低城市洪涝风险，减少自然灾害造成的城市经济损失，需要设计一种有效的城市河流防洪排涝规划方法。

因此，为了解决上述问题，本文以温润平原为研究区域，基于洪水频率分析，设计城市河流防洪排涝规划方法。

1 研究区域概况

温瑞平原是我国东南沿海平原之一，由瓯江、飞云江2条河流和海水携带的泥沙堆积而成，流域面积902.08km2。平原被大罗山分隔为两片水系，分别为温瑞塘河水系和永强塘河水系。温瑞塘河水系以帆游为界，帆游以北水系即中心片西片主要由瞿溪、郭溪、雄溪、岷岗溪等河流汇集而成，帆游以南水系即南片主要由仙岩河、杨宅、路溪、愚溪等河流汇集而成，永强塘河水系(即东片)主要由瑶溪河、双岙河、天柱寺溪汇集而成。温瑞平原现状流域水面率5.05%不包括瓯飞一期北片，排涝格局为北排瓯江、南排飞云江、东排东海。受瓯江、飞云江潮位顶托，平原容易发生洪涝灾害。平原行政区划分属鹿城区、瓯海区、龙湾区和瑞安市，2018年平原总人口355.64万人，地区生产总值2520亿元，占温州市生产总值41.96%。

温瑞平原遵循上蓄、中疏、下排、外挡规划原则，基本形成以沿江堤防和沿海海塘为主的防洪体系，内部骨干河网、沟通河网和排水水闸组成的排涝体系。平原防洪减灾体系尚未完善。东片、南片防洪潮保护区尚未达到规划设防标准，需进一步提升防洪潮能力。平原上游洪水调蓄工程实施困难，下游涝水强排能力较弱，局部低洼区域排涝能力尚未达到规划排涝标准。

现阶段，温瑞平原防洪管理制度与长效管理机制尚不完善，分级设防未落实到位，缺乏精细化管理手段，保留低地控制未落实到位，与水利管理现代化的要求尚有差距。城市快速发展加剧防洪压力。平原经济社会快速发展，城市化水平不断提高，城区面积不断扩大，减少了洪水蓄滞空间，增加了平原防洪压力，防洪形势更加严峻。

根据该地区城市规划总体布局可知，主要以一线一环、两网两轴、三地四湖、十纵十横、多点提升。因此，本文以温瑞平原为研究对象，设计河流防洪排涝规划方法。

2 河流防洪排涝规划方法设计

2.1 采集城市河流防洪排涝规划参数

城市河流洪涝灾害具有几个特点，其一，具有一定的普遍性及频发性[7]，相关研究人员对近几年城市河流出现的洪涝灾害进行分析发现，由洪涝灾害造成的经济损失逐渐增加；其二，具有一定的集中性，大多数洪涝灾害集中发生在每年的5—8月份和6—8月份，且大多数发生在河边、低洼地区，造成了大范围城市交通瘫痪；其三，洪涝灾害的灾损严重，会破坏电线、通信、网络、车辆等，造成的总损失极高[8]。

为了构建科学、合理的城市防洪排涝规划模型，需要预先采集温瑞平原河流防洪排涝规划参数。首先将温瑞平原河流暴雨数据作为基础规划数据，结合洪涝处理准则生成荷载曲线，此时荷载曲线的极限承载力与极限位移分别代表洪灾、涝灾极值，可以使用荷载结构分析法进行参数规划分析[9]。本文利用超参数处理结构最为城市河流防洪排涝规划参数采集结构，该结构主要由降雨流量传感装置、数据采集装置等共同组成。超参数处理结构可以通过多个传感装置和数据采集装置的组合，配备了多个传感装置和数据采集装置，可以从不同的角度对水文参数进行观测和记录，对降雨和流量等水文参数进行同时或连续监测，提供更全面的数据，为防洪排涝规划提供及时的数据支持，从而提高数据的精确度和准确性。

在开始采集参数后，可以使用相关的应变片进行动态处理，实现非连续分析，此时得到的防洪排涝参数采集结构如图1所示。

图1 防洪排涝参数采集结构

由图1可知，使用上述的防洪排涝参数采集结构可以有效获取洪涝动态特征，计算洪涝挤压附加刚度，再使用DSP进行集成处理，实现组合控制及远程监控。

待上述步骤完毕后，可以使用结构荷载换算分析法确定洪涝规划的平衡度[10]，进行荷载控制分析，此时，装置的抗弯承载力与损伤退化特征相关，因此，可以根据上述特点进行河流防洪排涝模拟。预设一块指定大小的混凝土区域作为参数采集区域，设计排水装置，将该区域用m表示，此时可以计算防洪排涝规划后产生的刚度s，计算公式如下：

(1)

式中，xm(t)—区域m在t时间内的雨水击打速度；am—表区域m降雨的均匀量。根据上述计算的规划刚度可以确定河流的流量分布关系，采集有效的防洪排涝规划均匀性参数。

2.2 基于洪水频率分析构建城市河流防洪排涝规划模型

洪水频率分析指的是根据河流以往的洪水发生频率预测河流后续的水文状态，判断未来可能出现的问题。由于洪水频率分析属于概率性问题，容易出现预测误差，因此本文主要基于洪水频率分析的排水量问题进行预估，结合上文采集的河流防洪排涝规划参数构建了城市河流防洪排涝规划模型。本文构建的防洪排涝规划模型主要由多个模块组成。

降雨径流模块主要规划河流的产流、汇流阶段，其主要根据地表的蓄水状态进行计算，降雨径流量W的计算公式如下：

W=1000αPF

(2)

式中，α—河水径流系数；P—河流域面雨量；F—河流的汇水面积。根据计算的降雨径流量可以判断河流的产流，从而实现渠道水流推演。

湖泊模拟模块，湖泊是河流的供给水源，因此，在构建防洪排涝模型时，需要将湖泊作为一个蓄水体进行模拟，此时得到的湖泊模拟平衡方程S如下：

S=fi×Zi×s(σ)

(3)

式中，fi—湖泊i在不同时间段的蓄水量；Zi—湖泊i的蓄水深度；σ—洪涝函数。根据上述平衡方程可以确定蓄水量与洪涝函数关系。

闸门排流模块具有调节水流量、控制洪水位功能，因此，可以根据闸门出流状态判别河流的洪涝状态，闸孔的出流速度Q的计算公式如下：

(4)

式中，k—闸孔流量系数；L—闸门宽度；m—闸门开度；g—重力加速度；H—总水头。

渠道水流演进模块，该模块主要遵循圣维南方程组，符合能量守恒关系，可以针对洪水频率分析结果模拟水流动过程，完成大规模负载水系处理。

在实际防洪排涝规划过程中，由于河流水系复杂，难以进行求解，因此本文使用一维恒定求解法进行了基本假设：假设河流断面水面线完全水平，不会随时间变化而变化，且河流中水流密度为常数，使用恒定流摩阻公式代替非恒定流摩阻，根据上述假设，本文构建的城市河流防洪排涝规划模型ξ的计算公式如下：

(5)

式中，r—过水断面水力半径。使用上述构建的城市河流防洪排涝规划模型可以有效地进行动量分析，判断河流过水流量，降低河流洪水位。

2.3 进行城市河流防洪排涝规划求解

在上述构建的模型基础上，可通过经验频率Gumbel分布公式，来估计特定概率下的预设洪水位γ。计算公式如下：

(6)

式中，μ—基本洪水位，即平均洪水位；κ—防洪排涝规划模型ξ的分位数；ω—标准差；τ—洪水的观测周期(以年为单位)；A—在特定概率下的常数，该常数与洪水的分布形状有关，不同的分布形状对应不同的常数值。

获取预设洪水位后，可以根据具体的河流防洪排涝规划问题进行组合，对上述模型在规划过程中产生的滑移迎面进行综合分析，结合反正切函数，生成防洪排涝规划组合优化控制模型的计算公式如下：

(7)

式中，T—防洪排涝混凝土失稳韧性。

根据生成的防洪排涝规划组合优化控制模型可以判断河流的布局关系，对该模型进行进一步求解，此时设置的求解布局如图2所示。

图2 模型求解布局

由图2可知，在上述基础上，可以进行单轴向拉伸试验，确定防洪排涝的融合性，再根据适应度函数进行对比分析，从而得到模型参量优化特征解L，实现综合排涝布局优化，计算公式如下：

(8)

式中，l—规划可靠性系数。

结合上述的模型求解值可以进行综合排涝布局优化，保证了规划的可靠性。

3 仿真应用效果分析

为了验证本文提出基于洪水频率分析的城市河流防洪排涝规划方法的有效性，同时为了保证河流区域周边的安全，本文进行了防洪效果的仿真演算。采用Windows 10系统搭载酷睿i7处理器，运行内存4G，主要用于数据模拟。访问该区域水文观测站，采集2010—2022年研究区域水位、流量、雨量、历史洪水量等数据输入至My SQL数据库中，并采用MATLAB r2019a仿真软件进行规划效果的演算。并在2010—2022年出现的洪涝灾害的日期中，随机抽取1个灾害日期的洪水数据，在区域内标记14个编号点进行规划，用以对比测试。

洪峰p=20%和洪峰p=10%是洪水频率常见表示，水文上一般采用百分比来衡量不同量级的洪水。洪水频率越小，表示某一量级以上的洪水出现的机会越少，p=20%是指5年一遇的洪水，p=10%表示10年一遇的洪水。本文在实验中，预设p=20%和p=10%两种洪水位，然后采用本文提出的防洪排涝规划方法对该区域防洪排涝进行规划，获得规划后的洪水位，并将预设水位与规划后水位进行对比。对比结果见表1。

表1 预设水位与规划后水位对比结果 单位：m

由表1可知，本文设计的基于洪水频率分析的城市河流防洪排涝规划方法在不同编号点规划后的洪水位均低于预设洪水位，证明本文设计的防洪排涝规划方法的规划效果较好。这是由于本文采集了河流防洪排涝规划参数后，基于洪水频率分析构建了城市河流防洪排涝规划模型，结合温瑞平原地理环境，实现对温瑞平原河流防洪排涝的规划。

4 结语

研究表明，大多数城市的洪涝灾害规划相对落后，难以与城市现代化建设相匹配，设置的城市排水装置排布合理性较低，难以起到有效的防洪排涝作用。因此，在洪水频发的季节，很多城市都出现了大规模洪涝灾害。为了解决上述问题，本文基于洪水频率分析设计了一种全新的城市河流防洪排涝规划方法。实例分析结果表明，设计方法的洪水位较低，证明该方法的规划效果较好，具有可靠性，有一定的应用价值，为降低城市洪涝经济损失做出了一定的贡献。但是本文针对特区域进行应用分析，有一定的局限性，在以后的研究中，应在多个区域应用，以得出更准确的结果。