利用Excel軟件實現河道蓄 (滯)洪區簡捷調節計算

高鑫磊 劉軍梅 趙月芬

(北京市水利規劃設計研究院 北京 100048)

1 蓄 (滯)洪區洪水調節計算的目的

蓄 (滯)洪區是指河道堤防外或河道內洪水臨時貯存的低洼地區或湖泊等。

近年來,隨著北京經濟社會的迅速發展,城市化進程不斷加快,下墊面條件及暴雨洪水特性發生了很大變化。如不透水面積增加,導致相同量級降雨情況下,產流量增加,徑流系數加大,加重了城市防洪、排水的負擔。

為保障流域和城市防洪安全,市政排水設施規模應越來越大,而河道要滿足防洪要求,也要擴寬挖深。

而事實上,受多種客觀因素制約,市政排水管網擴大規模的可能性不大;現有河道不可能一再擴寬,也不宜無限制地加高堤防。

另外,由于從整個流域防洪安全角度考慮,上下游省市間還存在排水協議,北京應盡可能維持原有排水量,多余水量在境內自行消納解決。

為避免無限制地增加河道及市政排水設施的排洪量,同時對汛期雨洪加以控制和利用,北京城市總體規劃、新城規劃以及河道治理規劃中均提出建設蓄 (滯)洪區的措施是解決上述矛盾的有效途徑。發生大洪水時蓄 (滯)洪區可以控制洪水下泄,減輕下游地區防洪排水壓力,為流域防洪起到積極的作用。平時的中小洪水經蓄 (滯)洪區滯蓄后可回灌地下水,改善地區生態環境。

為合理確定規劃蓄 (滯)洪區規模及下游河道流量,并為編制河道及蓄 (滯)洪區規劃提供依據,需要對蓄 (滯)洪區進行調節計算。

2 蓄 (滯)洪區調節計算方法

2.1 砍平頭法

該方法通常用于河道外蓄 (滯)洪區的調節計算。河道來水通過控制性工程 (閘、壩)及引水工程引入蓄 (滯)洪區。蓄 (滯)洪區規模的確定與河道限泄流量有關。

砍平頭法主要是將超過河道限泄流量的上游來水過程引入蓄 (滯)洪區。即當上游來水流量小于此流量時,來水全部向下游河道排泄;當上游來水達到河道限泄流量時,開始向蓄 (滯)洪區分洪,直至蓄滿。如圖1。滯蓄洪量W、滯蓄后洪水過程計算公式如下。

通過試算,可以合理的確定蓄 (滯)洪區規模與控制性工程規模關系,以保證最大程度的削減洪峰。此方法對削減洪峰流量是最為有利的,見圖1。

圖1 砍平頭法滯蓄示意圖(河道外蓄洪區)

2.2 自然調蓄法

該方法通常用于河道內蓄 (滯)洪區的調節計算。此類蓄 (滯)洪區位于河道內,多為挖砂后形成的砂石坑或低洼地,上游來水直接進入蓄 (滯)洪區,蓄滿后再向下游排泄。通過該方法的調節計算 (試算),可以判斷蓄 (滯)洪區是否能起到削減上游洪峰流量的作用、是否應對現有蓄 (滯)洪區進行改造 (擴大或縮小)以及是否增加控制性工程等措施來削減洪峰。

此方法根據蓄 (滯)洪區大小又分為兩種情況,一種是蓄 (滯)洪區容積較小時,上游來水進入蓄 (滯)洪區后,還未達到洪峰時,蓄 (滯)洪區已經蓄滿 (見圖2),此時蓄 (滯)洪區對上游來水的洪峰流量沒有削峰作用,只能減少上游部分洪量。

圖2 自然調蓄法(河道內蓄 (滯)洪區容積較小)

第二種情況是蓄(滯)洪區容積相對較大,上游來水滯蓄時間較長,當蓄(滯)洪區蓄滿時,來水洪峰流量已經被蓄(滯)洪區全部消納 (見圖3)。

兩種情況下滯蓄后洪水過程為蓄 (滯)洪區蓄滿時刻以后上游來水過程,計算公式如下。

圖3 自然調蓄法 (河道內蓄(滯)洪區容積較大)

3 利用Excel軟件進行快速調節計算

蓄 (滯)洪區規模的確定需綜合考慮各方面因素。定的太大會造成土地資源不必要的浪費,定的太小起不到削減洪峰和減小下游河道防洪壓力的作用。并且,若通過工程措施將洪水引入蓄 (滯)洪區,則還需根據調節計算確定適當的控制性工程的規模,既節省工程投資,又能滿足河道的防洪要求。基于上述各方面因素的考慮,我們在調節計算時需進行試算,先假定一個變量,然后計算其他變量,看是否滿足上述各方面的要求,直至達到最優值為止。

試算通常采用列表的方法,用于試算是一個反復過程,因此利用Excel軟件中的IF函數創建條件公式,可以很快調節出最優成果,只需給定一個變量,不斷修改此變量,其他變量自動修改,直至達到最優成果。

前面所述的兩種調節計算方法,在利用IF函數建立條件公式時存在下列邏輯關系。

3.1 砍平頭法

其中Q削峰為通過控制性工程引入蓄 (滯)洪區的流量,即為控制性工程的規模。

3.2 自然調蓄法

4 應用實例

規劃對某一未達到防洪標準的河道按20年一遇進行綜合治理,河道下游由于開發建設占用河道兩岸土地,對河道進行疏挖擴寬的余地不大,若使該河道達到防洪標準,保障下游的防洪及兩岸建設區的安全,擬在該段上游河道堤防外利用現狀低洼地規劃建設蓄 (滯)洪區。該蓄 (滯)洪區上游河道來水20年一遇洪峰流量為90m3/s,根據調節計算,確定蓄 (滯)洪區建設后下游河道的流量。

4.1 砍平頭法

將上游來水洪峰流量及洪水過程及蓄 (滯)洪區容積填入表格中的相應位置 (見圖4),先任意假定一個變量 (削峰流量、滯蓄后下游河道流量、蓄 (滯)洪區),在 F9～F20單元格中輸入 “IF(C9-E9＜=0,0,C9-E9)”,得到蓄 (滯)洪區的流量過程;在H9～H20單元格中輸入 “IF(C9-E9＜=0,C9,E9)”,經過蓄 (滯)洪區調蓄后的流量過程。在E5單元格中輸入 “MAX(F8:F20)”,即可得到通過蓄 (滯)洪區滯蓄后排向下游的洪峰流量,分別計算上游來水洪水總量和滯蓄后剩余的洪水總量,分別鏈接在B5和F5單元格中。改變假定的變量,直到F5=G5為止。

圖4 砍平頭法洪水調節計算界面

4.2 自然調蓄法

將上游來水洪峰流量及洪水過程及蓄 (滯)洪區容積填入表格中的相應位置 (見圖5),可先任意假定一個變量 (削峰流量、滯蓄后下游河道流量、蓄 (滯)洪區),在F31～F42單元格中輸入“IF(SUM(＄D＄30:D31)＜=E31,"0",C31)”,得到滯蓄后的流量過程,在E27單元格中輸入 “MAX(F30:F42)”,得到滯蓄后即可得到通過蓄 (滯)洪區滯蓄后排向下游的洪峰流量,分別計算上游來水洪水總量和滯蓄后剩余的洪水總量,分別鏈接在B27和F27單元格中,改變假定的變量,直到F27=G27為止。

圖5 自然調蓄法洪水調節計算界面

以上兩種方法中,只需根據特定的目標改變假定值,其他變量將自動計算完成。

從以上兩種方法的結果可以看出,在蓄 (滯)洪區一定的情況下,自然調蓄法比砍平頭法的削峰作用更為顯著,在工程實際中,往往會遇到各種各樣的情況,也會給調節計算增加各種限定條件,我們在實際應用中,應具體問題具體分析,做多種調節方法,考慮各方面因素后確定最優方案。

5 結語

利用Excel軟件的特殊命令進行蓄 (滯)洪區的調節計算,只需更改1～2個變量,即可很快得到其他變量,在蓄 (滯)洪區規劃、河道治理及防洪規劃的方案制定特別是多方案必選中起到事半功倍的效果,大大提高了工作效率。

本文介紹的方法適用于河道外蓄 (滯)洪區及河道內砂石坑蓄 (滯)洪區調節計算,在對河道內蓄 (滯)洪區分析時,還應綜合考慮蓄 (滯)洪區出口型式、蓄 (滯)洪區水位～庫容關系等各方面因素,采用調洪演算等更為詳細的方法進行分析。

1 姚樂人.防洪工程.北京:中國水利水電出版社,1996

2 北京市水文手冊——洪水篇.北京:北京市水務局,2005