淮北平原除澇水文計算研究及應用

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 概況

淮北平原是淮河流域最大的平原區，位于淮河北岸、黃河以南，京廣鐵路以東、洪澤湖以上，總面積8.14 萬km2，區內主要河流有洪汝河、沙潁河、西淝河、渦河、包澮河、奎濉河、新汴河等，淮北平原為沖積平原和黃泛平原，地勢平坦，流域及河道坡降大多在1/6000～1/10000 之間。

1970年原水電部淮河規劃組提出的《淮北除澇水文計算方法》（適用于500～5000km2）（下簡稱“70年北京對口成果”），1981年安徽省水利勘測設計院提出《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》（適用于50～500km2），研究了流域自排模數計算方法和小面積（50km2以下）自排、抽排模數計算方法。2007年至2014年，中水淮河規劃設計研究有限公司對淮北平原除澇水文計算再次進行了研究。

2 排模公式改進研究

“70年北京對口成果”采用的排模經驗公式為M=KRmFn，（K 為峰量關系系數，取0.026；R 為凈雨深；F 為流域面積；指數m 取1，n 取-0.25）。公式考慮了形成最大流量的兩個主要因素：凈雨深和流域面積。將很多因素的影響都綜合在峰量關系系數值中，此次嘗試從峰量關系系數K 中分離出其他流域特征因子，分析排澇模數與多個因子之間的關系，對排模公式進行比較分析。

2.1 淮北平原流域特征提取

采用基于ArcGIS 開發的Arc Hydro 軟件來提取淮北平原的水系特征。選擇澮河黃口集閘、惠濟河大王廟、沱河永城閘、澮河臨渙集、泉河沈丘、惠濟河磚橋閘、通惠渠睢縣7 個流域進行流域特征的提取。選擇不受下游河、溝水位影響，能夠暢排的場次洪水資料。

2.2 排模公式參數優選

主要考慮的流域特征有流域面積、流域長度、形狀系數、河網密度、主河道長度和主河道坡度，其中凈雨深和流域面積是兩個必要因子，然后依次考慮與其他流域特征的組合。

根據所選的7 個典型流域，挑選出符合要求的41 場場次洪水資料，通過對影響排模的各種因子優化組合可知，隨著因子數的增加，公式精度有所改善，但不是特別明顯，而且一些參數與物理意義不符。實際工作中，凈雨深和流域面積比較容易獲得，有一定的精度。綜合考慮公式的精度、實用性及參數的合理性，僅利用凈雨深R 和流域面積F 來構建排模公式是基本合適的。

2.3 排模參數地區分布

根據7 個流域不同場次洪水資料，考慮不同流域峰量關系系數K、凈雨深和流域面積指數三個參數的變化。

流域面積指數變化范圍為-0.237～-0.252，凈雨深指數變化范圍為0.993～1.029，峰量關系系數的變化范圍為0.0256～0.0285，指數有隨面積增大而變小的趨勢。

2.4 超標準洪水的打折系數

根據雨洪同頻率的假設，挑選出10～20年一遇3d 降雨對應的洪水過程： 沈丘站：84-7-24 號洪水，10～20年一遇；84-9-6 號洪水，大于20年一遇。臨渙站：98-8-9 號洪水，10～20年一遇；82-7-21 號洪水，10～20年一遇。公橋站：56-6-6 號洪水，大于20年一遇；68-7-12 號洪水，10～20年一遇。黃口站：82-7-21 號洪水，10年一遇；98-8-9 號洪水，10年一遇。

計算上述各場洪水打折系數，除去沈丘站超標準洪水打折系數在0.56～0.61 外，臨渙、公橋和黃口集10～20年一遇洪水打折系數為0.78～0.93，與原《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》中超標準洪水10年一遇排模打九折，20年一遇排模打八五折相比，基本符合。

3 分布式除澇水文模型研究及應用

3.1 分布式模型框架

分布式流域水文模型的主要思路是：將流域劃分成若干網格，對每個網格分別輸入不同的降雨，根據各網格內植被、土壤和高程等情勢，對每個網格采用不同的產流計算參數分別計算產流量；通過比較相鄰網格的高程確定各網格的流向，根據各網格的坡度、糙率和土壤等情況確定參數，將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流過程。模型的參數由地形、地貌數據結合實測歷史洪水資料率定得到。基于GIS 的分布式模型框架如圖1。

考慮到代表性及基礎資料的獲取，選擇汾泉河流域、澮河流域、西淝河流域、閭河流域和谷河流域5 個流域作為模型系統開發研究的試驗流域。

3.2 流域數字化處理

流域數字特征的提取，需要完整地勾畫出流域河網、流域邊界以及子流域邊界。在流域數字高程模型（DEM）的基礎上通過數字地形分析技術實現。基于流域DEM（1 ∶25 萬），利用ARCGIS 軟件處理流域數字高程資料，將整個流域在平面上劃分成2km×2km 網格，垂直方向上根據產流機理之差別將土壤-植被-大氣系統分層。運用ARC／INFO 的GRID 模塊，對流域進行水文分析，主要包括DEM 預處理、河網的提取、水流方向的產生、流域界線的劃定、流域三維顯示等。

3.3 產匯流計算

在GIS 劃分產水單元的基礎上，對每一產水單元進行產流計算，再根據水力聯系進行匯流計算，產生流域出口斷面的流量過程，計算方案如圖2。

3.3.1 產水模型

圖1 基于GIS 的分布式模型框架圖

單元產流計算采用概念性模型。20世紀80年代，淮委規劃設計研究院與河海大學合作，以汾泉河流域為試點，采用流域水文模型模擬技術的途徑，以日降水量為計算時段，研究提出了綜合模擬地表水、地下水全年過程的汾泉河平原水文綜合模型，并在淮北平原地區多個流域作了運用研究，獲得了較好的模擬效果。

對原汾泉河模型做以下兩點改進：

①計算時段為一小時，獲取真實峰現時間和洪峰量值。②坡面匯流計算采用Nash 瞬時單位線，其模型參數通過流域坡度、流域下墊面等地理因子獲取。流域模型結構見圖3。

3.3.2 匯流模型

坡面匯流計算采用納希（J.E.Nash）單位線計算，地下水匯流采用線性滯時加線性水庫演算模型，河網匯流采用連續馬斯京根法演算。

汾泉河產流模型、坡面匯流模型以及河網匯流模型參數如表1。

3.4 模型參數調試

經過分析比較，挑選受閘壩工程影響較小的洪水資料，根據汾泉河等5 個流域共計82 場洪水資料，進行模型調參和驗證。合格率見表2。

汾泉河、澮河、閭河和谷河流域的調參合格率均大于85%，達到《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）甲級標準。西淝河流域的合格率為83.3%大于70%，達到《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）乙級標準。

圖 2 流域產水計算方案圖

圖3 汾泉河流域水文綜合模型流程圖

表1 產匯流計算模型參數物理意義表

表2 試驗流域調參合格率表

3.5 閘壩影響分析

選取沈丘站1980-2（洪水編號，下同）、1982-1、1998-1 共3 場典型場次洪水用于分析閘壩對匯流的影響。調蓄系數：未考慮水閘影響為0.99，考慮水閘影響0.985。滯時：未考慮水閘影響4h。考慮水閘影響5h。

由此說明：（1）水閘對暢泄且不漫灘洪水，模型參數考慮水閘影響和不考慮水閘影響模擬計算場次洪水，對洪量影響甚微，可以不考慮。（2）水閘對暢泄且不漫灘洪水，模型參數考慮水閘影響和不考慮水閘影響模擬計算場次洪水，對場次洪水的洪峰有一定影響，使洪峰量值削減約15%。對峰現時間也有滯后1～2h 的影響。

3.6 超標準洪水分析

對于超標洪水現行處理采用修峰系數：10年一遇洪水修峰系數為0.9，20年一遇修峰系數為0.85，50年一遇洪水修峰系數為0.8。收集5 個試驗流域，共6 場超標洪水模擬，分別為沈丘站CF1984-1（洪水編號，下同）、CF1984-2；臨渙集站CK1998-1；公橋站GQ1973-1；王市集站WSJ1972-1；包信站BX1968-1。計算結果超標準洪水，24 小時平均洪峰流量削峰系數為0.78～0.90。

表3 沈丘、臨渙的排模公式計算自排模數表

表4 分布式除澇水文模型計算成果表

3.7 設計排模計算結果比較

根據《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》計算出不同頻率對應下的沈丘、臨渙的自排模數，見表3，分布式除澇水文模型的計算結果見表4。

由表3和表4可知，在不考慮閘壩工程影響條件下，模型計算結果與排模經驗公式計算結果相差-10.7%～15.5%；考慮閘壩工程影響后，模型計算結果與排模經驗公式打折計算結果相差-15.3%～2.2%。兩種計算工況條件下，計算誤差均在20%以內，說明經驗排模計算公式還是有一定精度的。

4 結論與建議

（1）根據現有水文資料，模型計算超標準洪水只能選取到較少場次洪水資料。今后隨著水文資料的積累，可增加合適的場次洪水進一步驗證。（2）在今后淮北平原排澇規劃、各支流治理及確定閘站規模時，建議年最大24 小時暴雨設計Pa 值3～5年一遇用50mm，10～20年一遇用65mm。（3）研究表明經驗排模公式及超標洪水打折標準仍可采用原成果■