淺談關于平原區調洪演算的計算方法

楊 瓊，陸佳煒，許錫東

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023；3.無錫市新吳區住房和城鄉建設局，江蘇 無錫 214133）

1 問題的提出

無錫市惠山區位于中國經濟最發達的“長三角”腹地，南臨萬頃太湖，北靠萬里長江，東接上海、蘇州，西鄰南京、常州。全區現有區域面積325.000 km2，下轄1個省級經濟開發區，長安、堰橋、錢橋、前洲、玉祁5個街道和洛社、陽山2個建制鎮，86個城鎮社區，29個農村社區。截至2017年底，全區戶籍總戶數15.23萬戶，戶籍人口48.16萬人，常住人口71.12萬人。全區人口自然增長率2.96‰，人口密度1 485人/km2。惠山區是無錫特大城市規劃藍圖中的副中心之一，“長三角”國際制造業基地的重要板塊。

太平港區域位于惠山區的東部，其北臨為江陰市，東臨錫山區八士鎮，屬于典型的蘇南平原地區。太平港是區域內部的一條主要河道，也是無錫市惠山區境內的一條四級河道，該河南接錫北運河，北連八士港，全長5.46 km，河面平均寬30 ～ 50 m。太平港區域匯水面積8.242 km2，河道北側的集水范圍主要是中惠路以南、錫澄高速公路以東區域，面積約5.758 km2；河道南側的集水范圍主要是長八線以北區域，面積約2.484 km2。太平港流經惠山區長安街道（惠山經濟開發區）和堰橋街道2個行政區域，河道北側屬長安街道，既是惠山經濟開發區招商引資的重要區域，又是長安街道居民集中居住區域，河道南側屬堰橋街道，目前正在加強城鎮化建設。

太平港沿線地面高低落差大，地面高程從2.20 m（1985國家高程基準，下同）至6.00 m不等。最低處位于錫北運河口至新長安大橋段，此區域地面為半高地，大部分工廠建于此地塊。歷史上因超采地下水等原因致使太平港區域地面沉降，并且太湖水危機后汛期無法直接向太湖排水導致無錫市外圍河道普遍高水位，太平港區域內河道水位愈發偏高。近幾年汛期，太平港沿線受淹、內澇的幾率越來越大，造成的經濟損失越來越大，群眾反響越來越強烈。為了確保長安街道和堰橋街道的防洪安全，進一步提高防洪標準，因此實施太平港沿線防洪排澇工程。

2 區域排澇方案的選定

通過方案比選，該工程選用太平港兩端控制（沿太平港區域設口門建筑物）方案進行后續的防洪演算。將整個太平港區域封閉起來形成一個大圩區，在太平港兩端 — 南端入錫北運河河口及北端入八士港河口分別設立口門控制閘站進行區域防洪排澇，并且在太平港支河（萬巷河、無畏河）河口設立控制閘進行防洪控制。可以通過口門建筑物擋住外圍河道如八士港、錫北運河、界河等的洪水，防止倒灌進太平港區域等半高片地區，又可以通過動力抽排方式將整個圩區內的澇水抽排入外圍河道，解決汛期太平港區域受淹受澇問題。該方案難點在于科學確定各口門建筑物的排澇流量規模及調洪運行方式。

3 區域排澇模數分析

根據區域情況，按照《防洪標準》[1]，本工程等別確定為Ⅳ等工程，區域設計暴雨頻率采用20 a一遇（P = 5%）。按照《水利工程水力計算規范》[2]要求，由于太平港區域為典型的蘇南平原地區，因此太平港工程區設計洪水流量及相關調洪演算的計算方法采用經典的瞬時單位線法。

3.1 設計暴雨

整個太平港沿線區域集水面積為8.242 km2，河道干流坡度按照經驗定性為1/10 000。對于小范圍的設計暴雨計算，一般采用最大1，6，24 h設計暴雨。作為蘇南地區，根據無錫市惠山區的暴雨特性，一般選取Cs= 3.5Cv，根據《江蘇省暴雨洪水圖集》[3]《江蘇省暴雨參數圖集》[4]（以下簡稱“《圖集》”）來確定該區域中心的1，6，24 h的暴雨參數，根據皮爾遜Ⅲ型曲線可以查出相應的模比系數Kp值，按公式可以依次計算各歷時設計點暴雨量，通過計算得表1。

表1 太平港區域中心1，6，24 h的暴雨參數表

H1= 85.56 mm。

3.2 設計雨型

蘇南平原地區圩區排澇設計暴雨采用最大1，6，24 h降雨同頻率控制，根據《圖集》推薦的典型概化雨型進行分配（見表2）。

表2 太平港區域20 a一遇設計24 h面暴雨過程計算表

3.3 設計凈雨過程的推求

對于區域設計凈雨過程，根據地塊屬性的不同，其凈雨過程也不同。通常算法中，一般將平原區劃分為規劃建成區和農業生態區。規劃建成區，即規劃商業、住宅、工廠等地面硬化區域；農業生態區，即農田、生態保護區等區域。

（1）對于規劃建成區，由于大部分為水泥、瀝青地面，下滲量少，一般采用初損后損法扣除，即最大24 h凈雨計算中，只扣后損，后損值取1 mm/h，即可得到規劃建成區的設計凈雨過程。

（2）對于農業生態區，一般采用降雨徑流相關法計算區域凈雨過程。

土壤前期影響雨量Pa= Imax×α = 95×0.5 = 47.50 mm

式中:Imax為流域最大初損值，根據《圖集》相關資料，蘇南平原區取95.00 mm，當日暴雨在250.00 mm以下時，取 α = 0.5。

以上諸多要素，各有界說，各有內涵。以實行“學校管理——教學部門管理——實驗教師自我管理”三位一體的實驗教學管理機制為提綱挈領，以獨立設課、獨立的教科書及實驗室等實驗條件為依托和基本保障，以實驗教學內容、方法、考核的實施和管理為中心，以實驗教學教師的培養和管理為內在驅動力，以實驗教學質量評估、競賽、論壇、期刊等為拓展平臺。相互聯系、相互依存、相互作用、相輔相成，共同建構了警察高校實驗教學的基本管理體系。

通過查《圖集》中蘇南地區降雨徑流關系曲線圖可得:Cp= 15；CI= 120；K = 0.93，從而得到農業生態區的設計凈雨過程。

（3）區域加權凈雨過程。根據太平港區域規劃分區，規劃建成區面積占總面積的95.7%，農業生態區占總面積的4.3%，通過各區域所占的比重可求得加權后的區域凈雨過程（見表3）。

表3 太平港區域20 a一遇凈雨過程表

續表3

3.4 用瞬時單位線法計算設計洪水

本次先采用瞬時單位線法計算設計洪水過程，瞬時單位線法中有2個主要參數m1、m2，根據《圖集》，江蘇平原區，可計算得m1= 5.02；另外m2一般選用0.5。

通過查表僅查得蘇南平原區瞬時單位線參數m1與2 h單位線關系表，為了準確求得區域洪水過程，通過牛頓插值法線性插值得出區域1 h單位線，插值的關鍵在于各值平滑過渡，不能出現突兀的極值。

通過1 h單位線乘以表3求得的加權凈雨量可計算得出相應時段徑流量，進而可得區域洪水過程線。通過推求計算結果可知，本次太平港區域20 a一遇設計洪峰流量為48.87 m3/s。

3.5 區域調洪演算

為了明確區域調洪運行方式，對洪水過程結果進行調洪演算，采用的調洪演算公式為:

式中:Δt為t1至t2的時間間隔，取1 h；S1為t1時的河道庫容（m3）；q1為t1時的排澇流量（m3/s)；S2為t2時的河道庫容（m3）；q2為t2時的排澇流量（m3/s)；Q1為t1時段的洪水入流量（m3/s）；Q2為t2時段的洪水入流量（m3/s）。根據調查，太平港水域總面積約為25.58萬m2，各水位對應的河道庫容量見表4。

表4 庫容水位對應表

根據太平港區域歷年受淹情況分析，初定太平港區域最高控制水位為4.10 m，即當外河水位達到4.10 m時，關閉區域沿線各控制閘，待來雨時啟用泵站進行排澇，使得圩區內水位不超過4.10 m，且考慮到圩區內駁岸的安全性及穩定性，初定停泵水位為3.60 m。根據調洪演算，可得調洪演算成果見圖1。

圖1 太平港區域20 a一遇設計洪水過程線圖

推定當太平港地區的排澇流量達到36 m3/s[即排澇模數M = 4.37（m3/（s·km2））]時，能保證太平港區域按照假定工作運行條件達到20 a一遇的抗洪能力。通過對太平港工程區設計洪水流量及調洪演算，最終得出該工程的排澇規模，并根據現場實際情況依次選定各閘站及節制閘的工程規模，確定最后的工程投資及各項指標（綜合考慮技術經濟指標，為節省工程投資，可以通過河網預泄加大河道調蓄深度減小工程規模）。

4 短歷時雨強公式推求設計雨量

由于太平港區域內大部分為規劃建成區，不透水面積比較大，以管渠系統為主要排水途徑，還可以采用短歷時雨強公式推求設計雨量，再根據排水區徑流系數推算時段徑流量及排澇模數。無錫地區短歷時暴雨強總公式采用《無錫市排水（雨水）專項規劃》（2013年修編）[5]中明確的最新無錫市暴雨強度公式，短歷時雨量公式為:

式中:i為降雨強度（mm/min）； T為設計重現期（a），本次取20 a；t為降雨歷時（min），本次取60 min。

可以得出設計小時雨量i為83.01 mm/h。

當采用該方法計算太平港區域的徑流量時，其暴雨產流量為降雨強度乘徑流系數乘面積，計算結果如下:

式中:Q為設計徑流量（m3/s）；F為流域匯流面積（m2），太平港區域為8.254 km2；ψ為徑流系數，根據區域情況取0.6；R為降雨強度（m/s）。

另外，考慮河道的調蓄能力，通過計算現狀河道調蓄可折扣的徑流量:

式中:Q為調蓄徑流量（m3/s）；S為可調蓄水面積率，本工程中為3.06%；h為設計調蓄水深（mm），根據區域控制水位及暫定調蓄水位，本工程取500 mm；t為排水歷時（h），取1 h。

最后可以得出現狀河道調蓄后的徑流量:

5 結 語

通過與瞬時單位線法比較，不難發現通過短歷時雨強公式推求的20 a一遇設計洪峰流量明顯大于瞬時單位法推出的20 a一遇設計洪峰流量。可得出瞬時單位法和短歷時雨強計算法的優缺點，即對于瞬時單位法而言，可計算得出24 h洪水流量過程，由于其產流過程較為平滑，因此推求得出的洪峰流量也較為合理，符合平原圩區的實際降雨過程；對于短歷時雨強公式而言，由于該計算方法偏向于計算1 h或2 h短時強降雨的降雨過程，為滿足區域小時雨量流入小時雨量排出的排澇要求，因此推求得出的徑流量偏大，較符合管網直排區等小型圩區的徑流過程。

通過對平原區調洪演算計算方式的比較，選用合適的水文水利計算方法對于工程規模的選定尤其重要，應充分考慮區域現狀特性等因素，使每一個工程都能實現經濟性和功能性的完美結合。