南四湖湖西地區省際邊界河道水文計算方法研究

陳 棟，楊晨霞，車金玲，黃金軍

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127; 2.常州市水利規劃設計院，江蘇 常州 213001)

南四湖湖西地區省際邊界河道水文計算方法研究

陳 棟1，楊晨霞1，車金玲1，黃金軍2

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127; 2.常州市水利規劃設計院，江蘇 常州 213001)

水文計算對區域的水利工程規劃與建設、水安全和有效減免洪澇災害經濟損失有著重要意義。本文根據南四湖湖西地區的洪澇成因，以省際邊界河道為實例，分析研究了由設計暴雨推求設計洪水的方法，探討了不同水文計算方法在該地區的適用性。

水文計算;防洪除澇;排水模數;南四湖

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.018

1 基本情況

江蘇省南四湖湖西地區地處蘇、魯、皖三省交界，位于南四湖、廢黃河之間，包括豐縣、沛縣全部及銅山西部的廢黃河以北地區，區域總面積3046km2。歷史上黃河奪淮穿過該區，多次決溢、泥沙淤積，地勢西南高東北低，地面高程由50.0m逐漸降至32.5m。每遇暴雨，積水順坡而下、匯入南四湖，又因南四湖湖水頂托，澇災頻繁。受災原因主要是由于南四湖高水持續時間長、區域澇水無法及時排出，因洪致澇現象嚴重;骨干河道標準偏低，常年淤積，排水不暢，省際邊界河道問題尤為突出;低洼圩區抽排動力不足。

湖西地區排水以大沙河為界，大沙河以西由復新河、姚樓河等水系排水入湖;大沙河以東由徐沛河、蘇北堤河、順堤河將該地區分為三級排水。湖西地區有省際邊界河道18條，主要包括復新河、大沙河、姚樓河、太行堤河、蘇北堤河等。

2 水文計算方法

本地區的實測流量資料較少，同時，由于人類活動的影響使徑流形成的條件發生了顯著地改變，破壞了流量資料系列的一致性。因此，湖西地區水文計算采用由設計暴雨通過產、匯流計算的方法推求設計洪水。

設計暴雨采用當地實測雨量資料計算。產流計算為凈雨量的計算，根據湖西地區不同的下墊面類型，采用相應的方法計算。匯流計算選取姚樓河、西支河、太行堤河、復新河四條典型省際邊界河道，分別采用排模公式法、瞬時單位線法和總入流槽蓄法計算河道的5年和20年一遇設計排澇流量及地區的排水模數。

3 水文計算

3.1 設計暴雨

湖西地區屬溫帶季風大陸性氣候，暴雨是造成本區域洪水的主要因素，造成暴雨的主要天氣系統為黃淮氣旋暴雨、臺風暴雨、南北切變暴雨以及暖切變暴雨。

湖西地區為平原坡水區，地勢平緩，河道比降較小，坡地匯流和河槽匯流速度慢，洪水歷時較長。根據區域洪澇災害分析及現行的水文計算方法，造成區域洪澇災害的降雨控制時段一般為三日暴雨。

根據該區雨量站點分布情況，選取宋樓、豐縣、張埝、趙莊、城子廟、五段、沛城、藺家壩站8個雨量站，采用算術平均法計算區域面平均雨量，雨量資料系列統計年為1960～2013年。分析最大三日暴雨系列，采用P-Ⅲ型曲線適線對參數進行優選，確定設計暴雨成果，5年和20年一遇最大三日暴雨為142.5mm和216.3mm。

3.2 產流計算

根據湖西地區的下墊面分布情況，計算不同下墊面的設計凈雨量。分別為。

一般區域或旱地設計凈雨，根據《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)，采用次降雨徑流相關法計算;水田和溝塘水面設計凈雨，根據《灌溉與排水設計規范》，采用扣損法計算;城區設計凈雨，根據《室外排水設計規范》(2014年版)，采用徑流系數法計算，根據城區建筑密集程度綜合確定徑流系數。

按照各下墊面的分布面積加權得流域凈雨量，湖西地區5年和20年一遇的最大三日設計凈雨量分別為68.9mm和145.1mm。設計凈雨時程分配按《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中6h時段凈雨雨型過程。

3.3 匯流計算

3.3.1 排模公式法

目前，湖西地區采用中央“關于五省一市平原邊界地區水利規劃水文對口意見”(1962年)中建議的經驗排模公式法進行匯流計算。其中，排水模數取值采用湖西萬福河以南地區水文對口成果(中央淮辦1972年會同蘇魯皖三省確定的水文對口成果)。排水模數計算公式為:

式中:M為設計排水模數(m3/s/km2)，計算成果見表1;R為三天設計暴雨產生的凈雨量(mm);F為流域面積(km2);K為反映降雨歷時、流域形狀等因素的綜合系數，取0.031;m為反映洪峰與洪量關系的峰量指數，取1.0;n為反映排澇模數與面積關系的遞減指數，取-0.25。

表1 萬福河以南地區自排模數成果 單位:m3/s/km2

3.3.2 瞬時單位線法

瞬時單位線指在無窮小歷時的瞬間，在流域上分布均勻的單位凈雨所形成的流域出流過程線，以數學方程u(0，t)表示。式中:Γ為伽瑪函數;n為相當于水庫個數或調節次數的參數;K為水庫滯時，相當于流域匯流時間的參數。

為易于使用，將n、K轉化為m1、m2，m1= nK，m2=1/n。參數m1、m2可由實測資料用數學方法優選，可采用區域綜合值，如蘇北平原區: m1=2.25F0.38，m2=1/2。

根據瞬時單位線參數 m1、m2，查《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中6h單位線，將瞬時單位線轉化成時段單位線，利用線性系統的假定，采用卷積公式計算可求得設計流量過程。

3.3.3 總入流槽蓄法

總入流槽蓄法是將凈雨入流過程作為輸入過程，再經河網槽蓄形成出口斷面的流量過程。依據水量平衡方程和線性槽蓄方程，經過適當概化和數學演算，推求出流域匯流過程線。

式中:q為河道入流流量(m3/s);Q為河道出流流量(m3/s);Δt為時段(s);K為河道槽蓄參數(s-1);S為河道槽蓄量(m3);ΔS為河道槽蓄量的變化量(m3)。

根據流域匯流參數，查《江蘇省暴雨洪水圖集》(1984年)中蘇北平原區三日凈雨100mm排水模數過程表推求設計流量過程。

3.4 計算結果及分析

根據上述3種計算方法，分別計算河道5年、10年和20年一遇的設計排澇流量及地區的排水模數，同時根據湖西地區的現狀，計算了瞬時單位線法和總入流槽蓄法按照24h平頭流量削峰的計算成果，5年、10年和20年一遇計算成果見表2和圖1-圖3。

計算結果表明。(1)排模公式法計算結果與不削峰的瞬時單位線法和總入流槽蓄法計算結果總體相近。面積小于 100km2地區，排模公式法偏小15%;面積大于100km2地區，排模公式法與另兩種方法計算結果相差較小，均在8%之內。主要因為排模公式適用范圍是面積大于100km2，當計算面積小于100km2時采用100km2的排模，會造成結果偏小。根據一般規律，地區排模隨著流域面積減小而增大，若面積越小，這種差別會越大。(2)瞬時單位線法和總入流槽蓄法計算結果基本一致。不削峰的瞬時單位線法計算結果略小于總入流槽蓄法，最大相差8%;削峰的結果略大，最大相差7%。主要因為兩種方法取用相同的設計凈雨，但匯流計算和削峰系數取值不同。從計算過程看，瞬時單位線法略為繁瑣。

表2 不同方法計算的設計成果

圖1 不同方法計算的設計排水模數比較圖(5年一遇)

圖2 不同方法計算的設計排水模數比較圖(10年一遇)

圖3 不同方法計算的設計排水模數比較圖(20年一遇)

(3)不削峰比削峰的排水模數大16～65%，計算區域面積越小，偏差越大。經驗認為一般旱作物耐淹1天，水田作物可耐淹3天。從既能保證農作物不因澇受明顯損失、河道排水規模又較經濟合理的角度出發，農區比重較大的河道自排流量計算常考慮地表短期滯水，削峰處理。采用排模公式法計算時，常根據設計標準取用相應的折減系數，類似于削峰處理。

4 結語

南四湖湖西地區現行的排模公式法簡便易行，能夠方便地推求設計洪峰，比較適用于平原坡水區，在淮河以北平原坡水區使用廣泛。瞬時單位線法和總入流槽蓄法同樣適用于湖西地區，能夠在求得設計洪峰的基礎上推求設計流量過程。湖西地區水文計算可根據需要選用不同的計算方法。

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P333.2

A

1672-2469(2016)08-0053-03

2015-12-03

陳 棟(1983年—)，男，工程師。