浅谈关于平原区调洪演算的计算方法

杨 琼，陆佳炜，许锡东

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023；3.无锡市新吴区住房和城乡建设局，江苏 无锡 214133）

1 问题的提出

无锡市惠山区位于中国经济最发达的“长三角”腹地，南临万顷太湖，北靠万里长江，东接上海、苏州，西邻南京、常州。全区现有区域面积325.000 km2，下辖1个省级经济开发区，长安、堰桥、钱桥、前洲、玉祁5个街道和洛社、阳山2个建制镇，86个城镇社区，29个农村社区。截至2017年底，全区户籍总户数15.23万户，户籍人口48.16万人，常住人口71.12万人。全区人口自然增长率2.96‰，人口密度1 485人/km2。惠山区是无锡特大城市规划蓝图中的副中心之一，“长三角”国际制造业基地的重要板块。

太平港区域位于惠山区的东部，其北临为江阴市，东临锡山区八士镇，属于典型的苏南平原地区。太平港是区域内部的一条主要河道，也是无锡市惠山区境内的一条四级河道，该河南接锡北运河，北连八士港，全长5.46 km，河面平均宽30 ～ 50 m。太平港区域汇水面积8.242 km2，河道北侧的集水范围主要是中惠路以南、锡澄高速公路以东区域，面积约5.758 km2；河道南侧的集水范围主要是长八线以北区域，面积约2.484 km2。太平港流经惠山区长安街道（惠山经济开发区）和堰桥街道2个行政区域，河道北侧属长安街道，既是惠山经济开发区招商引资的重要区域，又是长安街道居民集中居住区域，河道南侧属堰桥街道，目前正在加强城镇化建设。

太平港沿线地面高低落差大，地面高程从2.20 m（1985国家高程基准，下同）至6.00 m不等。最低处位于锡北运河口至新长安大桥段，此区域地面为半高地，大部分工厂建于此地块。历史上因超采地下水等原因致使太平港区域地面沉降，并且太湖水危机后汛期无法直接向太湖排水导致无锡市外围河道普遍高水位，太平港区域内河道水位愈发偏高。近几年汛期，太平港沿线受淹、内涝的几率越来越大，造成的经济损失越来越大，群众反响越来越强烈。为了确保长安街道和堰桥街道的防洪安全，进一步提高防洪标准，因此实施太平港沿线防洪排涝工程。

2 区域排涝方案的选定

通过方案比选，该工程选用太平港两端控制（沿太平港区域设口门建筑物）方案进行后续的防洪演算。将整个太平港区域封闭起来形成一个大圩区，在太平港两端 — 南端入锡北运河河口及北端入八士港河口分别设立口门控制闸站进行区域防洪排涝，并且在太平港支河（万巷河、无畏河）河口设立控制闸进行防洪控制。可以通过口门建筑物挡住外围河道如八士港、锡北运河、界河等的洪水，防止倒灌进太平港区域等半高片地区，又可以通过动力抽排方式将整个圩区内的涝水抽排入外围河道，解决汛期太平港区域受淹受涝问题。该方案难点在于科学确定各口门建筑物的排涝流量规模及调洪运行方式。

3 区域排涝模数分析

根据区域情况，按照《防洪标准》[1]，本工程等别确定为Ⅳ等工程，区域设计暴雨频率采用20 a一遇（P = 5%）。按照《水利工程水力计算规范》[2]要求，由于太平港区域为典型的苏南平原地区，因此太平港工程区设计洪水流量及相关调洪演算的计算方法采用经典的瞬时单位线法。

3.1 设计暴雨

整个太平港沿线区域集水面积为8.242 km2，河道干流坡度按照经验定性为1/10 000。对于小范围的设计暴雨计算，一般采用最大1，6，24 h设计暴雨。作为苏南地区，根据无锡市惠山区的暴雨特性，一般选取Cs= 3.5Cv，根据《江苏省暴雨洪水图集》[3]《江苏省暴雨参数图集》[4]（以下简称“《图集》”）来确定该区域中心的1，6，24 h的暴雨参数，根据皮尔逊Ⅲ型曲线可以查出相应的模比系数Kp值，按公式可以依次计算各历时设计点暴雨量，通过计算得表1。

表1 太平港区域中心1，6，24 h的暴雨参数表

H1= 85.56 mm。

3.2 设计雨型

苏南平原地区圩区排涝设计暴雨采用最大1，6，24 h降雨同频率控制，根据《图集》推荐的典型概化雨型进行分配（见表2）。

表2 太平港区域20 a一遇设计24 h面暴雨过程计算表

3.3 设计净雨过程的推求

对于区域设计净雨过程，根据地块属性的不同，其净雨过程也不同。通常算法中，一般将平原区划分为规划建成区和农业生态区。规划建成区，即规划商业、住宅、工厂等地面硬化区域；农业生态区，即农田、生态保护区等区域。

（1）对于规划建成区，由于大部分为水泥、沥青地面，下渗量少，一般采用初损后损法扣除，即最大24 h净雨计算中，只扣后损，后损值取1 mm/h，即可得到规划建成区的设计净雨过程。

（2）对于农业生态区，一般采用降雨径流相关法计算区域净雨过程。

土壤前期影响雨量Pa= Imax×α = 95×0.5 = 47.50 mm

式中:Imax为流域最大初损值，根据《图集》相关资料，苏南平原区取95.00 mm，当日暴雨在250.00 mm以下时，取 α = 0.5。

以上诸多要素，各有界说，各有内涵。以实行“学校管理——教学部门管理——实验教师自我管理”三位一体的实验教学管理机制为提纲挈领，以独立设课、独立的教科书及实验室等实验条件为依托和基本保障，以实验教学内容、方法、考核的实施和管理为中心，以实验教学教师的培养和管理为内在驱动力，以实验教学质量评估、竞赛、论坛、期刊等为拓展平台。相互联系、相互依存、相互作用、相辅相成，共同建构了警察高校实验教学的基本管理体系。

通过查《图集》中苏南地区降雨径流关系曲线图可得:Cp= 15；CI= 120；K = 0.93，从而得到农业生态区的设计净雨过程。

（3）区域加权净雨过程。根据太平港区域规划分区，规划建成区面积占总面积的95.7%，农业生态区占总面积的4.3%，通过各区域所占的比重可求得加权后的区域净雨过程（见表3）。

表3 太平港区域20 a一遇净雨过程表

续表3

3.4 用瞬时单位线法计算设计洪水

本次先采用瞬时单位线法计算设计洪水过程，瞬时单位线法中有2个主要参数m1、m2，根据《图集》，江苏平原区，可计算得m1= 5.02；另外m2一般选用0.5。

通过查表仅查得苏南平原区瞬时单位线参数m1与2 h单位线关系表，为了准确求得区域洪水过程，通过牛顿插值法线性插值得出区域1 h单位线，插值的关键在于各值平滑过渡，不能出现突兀的极值。

通过1 h单位线乘以表3求得的加权净雨量可计算得出相应时段径流量，进而可得区域洪水过程线。通过推求计算结果可知，本次太平港区域20 a一遇设计洪峰流量为48.87 m3/s。

3.5 区域调洪演算

为了明确区域调洪运行方式，对洪水过程结果进行调洪演算，采用的调洪演算公式为:

式中:Δt为t1至t2的时间间隔，取1 h；S1为t1时的河道库容（m3）；q1为t1时的排涝流量（m3/s)；S2为t2时的河道库容（m3）；q2为t2时的排涝流量（m3/s)；Q1为t1时段的洪水入流量（m3/s）；Q2为t2时段的洪水入流量（m3/s）。根据调查，太平港水域总面积约为25.58万m2，各水位对应的河道库容量见表4。

表4 库容水位对应表

根据太平港区域历年受淹情况分析，初定太平港区域最高控制水位为4.10 m，即当外河水位达到4.10 m时，关闭区域沿线各控制闸，待来雨时启用泵站进行排涝，使得圩区内水位不超过4.10 m，且考虑到圩区内驳岸的安全性及稳定性，初定停泵水位为3.60 m。根据调洪演算，可得调洪演算成果见图1。

图1 太平港区域20 a一遇设计洪水过程线图

推定当太平港地区的排涝流量达到36 m3/s[即排涝模数M = 4.37（m3/（s·km2））]时，能保证太平港区域按照假定工作运行条件达到20 a一遇的抗洪能力。通过对太平港工程区设计洪水流量及调洪演算，最终得出该工程的排涝规模，并根据现场实际情况依次选定各闸站及节制闸的工程规模，确定最后的工程投资及各项指标（综合考虑技术经济指标，为节省工程投资，可以通过河网预泄加大河道调蓄深度减小工程规模）。

4 短历时雨强公式推求设计雨量

由于太平港区域内大部分为规划建成区，不透水面积比较大，以管渠系统为主要排水途径，还可以采用短历时雨强公式推求设计雨量，再根据排水区径流系数推算时段径流量及排涝模数。无锡地区短历时暴雨强总公式采用《无锡市排水（雨水）专项规划》（2013年修编）[5]中明确的最新无锡市暴雨强度公式，短历时雨量公式为:

式中:i为降雨强度（mm/min）； T为设计重现期（a），本次取20 a；t为降雨历时（min），本次取60 min。

可以得出设计小时雨量i为83.01 mm/h。

当采用该方法计算太平港区域的径流量时，其暴雨产流量为降雨强度乘径流系数乘面积，计算结果如下:

式中:Q为设计径流量（m3/s）；F为流域汇流面积（m2），太平港区域为8.254 km2；ψ为径流系数，根据区域情况取0.6；R为降雨强度（m/s）。

另外，考虑河道的调蓄能力，通过计算现状河道调蓄可折扣的径流量:

式中:Q为调蓄径流量（m3/s）；S为可调蓄水面积率，本工程中为3.06%；h为设计调蓄水深（mm），根据区域控制水位及暂定调蓄水位，本工程取500 mm；t为排水历时（h），取1 h。

最后可以得出现状河道调蓄后的径流量:

5 结 语

通过与瞬时单位线法比较，不难发现通过短历时雨强公式推求的20 a一遇设计洪峰流量明显大于瞬时单位法推出的20 a一遇设计洪峰流量。可得出瞬时单位法和短历时雨强计算法的优缺点，即对于瞬时单位法而言，可计算得出24 h洪水流量过程，由于其产流过程较为平滑，因此推求得出的洪峰流量也较为合理，符合平原圩区的实际降雨过程；对于短历时雨强公式而言，由于该计算方法偏向于计算1 h或2 h短时强降雨的降雨过程，为满足区域小时雨量流入小时雨量排出的排涝要求，因此推求得出的径流量偏大，较符合管网直排区等小型圩区的径流过程。

通过对平原区调洪演算计算方式的比较，选用合适的水文水利计算方法对于工程规模的选定尤其重要，应充分考虑区域现状特性等因素，使每一个工程都能实现经济性和功能性的完美结合。