一种河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入风险的评估方法

摘要

本发明涉及风险评估领域，尤其涉及一种河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入风险的评估方法。本发明的有益效果是：已有的研究大多侧重于分析超标洪水带来的风险，而超标洪水发生的概率极低，对于提高人工输水渠道在运行期间供水安全的贡献较小。与现有技术相比，本发明所提供的风险评估方法聚焦河渠交叉建筑物运行期间经常遭遇的设计标准内的洪水，同时综合考虑河渠交叉建筑物运行期间的实际情况(泥沙、树枝以及枯草等杂物的淤积、工程老化以及设计洪水推算不确定性)，评估了河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入的风险，并提出了允许的最大淤积深度，能够有效提高了人工输水渠道运行期间的供水安全。

说明书

技术领域

本发明涉及风险评估领域，尤其涉及一种河渠交叉建筑物运行期间洪 水漫入风险的评估方法。

背景技术

河渠交叉建筑物是人工输水渠道为穿越与其立交的天然河流而修建水工 建筑物，是人工输水渠道的重要组成部分。天然河流的上游地形条件复杂， 多为山地、丘陵或农村居民用地，实际运行期间，发生洪水后，天然河流 两岸受暴雨冲刷以及洪水的冲击，产生泥沙、树枝以及枯草等杂物会进入 河流，随洪水一起流至河渠交叉建筑物，并淤积在入口处，严重影响其过 流能力。然而，河渠交叉建筑在初始设计阶段并未能考虑上述情况，其入口处的设计堤顶高程可能偏低，在遭遇洪水后，即使洪水量级低于设计标 准，也有可能漫入人工输水渠道(洪水漫入)，不仅污染人工输水渠道的 输水水质，也会造成渠内水位突变，影响沿线分水闸门的水量调度。因此， 函需评估河渠交叉建筑物运行期间的洪水漫入风险，以保障人工输水渠道 的供水安全。

目前，针对河渠交叉建筑物运行期间的风险研究集中于超标洪水，认 为河渠交叉建筑物失效的风险来源于超标洪水或超标洪水导致的交叉建 筑物损毁。然而，河渠交叉建筑物在运行期间，遭遇的洪水普遍在设计标 准下，更应当关注设计标准内的洪水对河渠交叉建筑物的影响。运行期间， 影响河渠交叉建筑物安全的主要因素为：①河渠交叉建筑中天然河流上游 的地形复杂，洪水发生后，洪水往往会携带大量的泥沙、树枝以及枯草等 杂物，这些杂物在经过河渠交叉建筑时，会淤积在河渠交叉建筑物的入口 处，导致其实际过流能力低于设计值；②河渠交叉建筑物在运行期间，由 于长期受到天河河流的侵蚀以及天然河流中携带的泥沙的冲刷，工程老化 较快，工程老化后，其实际过流能力也会随之受到影响，低于设计值；③ 大部分河渠交叉建筑物在设计时缺乏实际观测资料，因此，其设计洪水的 计算往往采用经验公式，但是经验公式依赖于人工经验，具有较大的不确 定性，可能会导致其设计值偏低，造成其实际设计标准偏低。

基于这一情况，提供一种评估河渠交叉建筑物运行期间的洪水漫入风险的 方法是提高人工输水渠道供水安全的主要技术难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入风险的 评估方法，首次聚焦河渠交叉建筑物运行期间经常遭遇的设计标准内的洪 水，考虑河渠交叉建筑物堵塞、老化以及设计洪水的不确定性，评估发生 洪水漫入的风险，有效提高人工输水渠道的供水安全。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入风险的评估方法，构建用于模 拟河渠交叉建筑物的天然河流上游洪水的产生以及交叉建筑物遭遇洪水 后的过流过程的洪水漫入模型，所述模型耦合了洪水计算模型、泥沙输移 模型以及管道过流模型；

固定淤积深度，表示树枝、枯草等不易被冲刷作用带走的淤积；

采用初始淤积深表示泥沙等可以被冲刷作用带走的淤积；

采用管道糙率表示河渠交叉建筑物的老化；

采用年最大24h点雨量均值、变差系数、暴雨递减指数、平均下渗率、 汇流参数表示设计洪水推算的不确定性；

采用Regionalized Sensitivity Analysis与Sobol全局敏感性分析 方法定性评估工程老化、设计洪水计算不确定性对洪水漫入风险的影响；

采用洪水漫入持续时间以及洪水漫入水量表示洪水漫入风险。

根据上述技术方案，优选地，所述洪水计算模型如下：

(1)计算特定历时t的暴雨；

(2)计算流域产流历时以及汇流时间；

(3)根据流域产流历时以及汇流时间，确定洪峰流量；

(4)绘制洪水过程线。

根据上述技术方案，优选地，所述泥沙输移模型如下：采用郭俊克公 式计算上游洪水的挟沙能力，含沙水流进入倒虹吸管内，水流的挟沙能力 发生变化，管内水流的挟沙能力通过管道的临界不淤流速公式推算，临界 不淤流速公式采用E.J.Wasp公式。

根据上述技术方案，优选地，所述管道过流模型如下：管道过流模型 包括洪水调节与水力计算，洪水调节的基础是水量平衡公式，其计算公式 如下：

式中，QA为左岸排水倒虹吸管道入口处上游渠道的流量；QB为左岸排 水倒虹吸管道出口处下游渠道的流量；ΔV为左岸倒虹吸管道入口处上游 渠道在Δt时间内的蓄水变化量；

左岸排水倒虹吸的过流过程的计算步骤如下：

(1)假设左岸排水倒虹吸管道出口处下游渠道的水位为ZB，则出口 处的流量QB为：

式中，Ac为左岸排水倒虹吸入口处渠道的断面面积；Cc为渠道的谢才 系数；Rc为水力半径，nc为左岸排水倒虹吸入口处渠道的的糙率；

(2)计算左岸排水倒虹吸管道入口处上游渠道与出口处下游渠道的水 位差ΔZ2：

式中，ΔZ2为水位差；VA、VB分别为左岸排水倒虹吸管道入口处上游 渠道与出口处下游渠道的断面流速；g为重力加速度；hf为沿程水头损失； hj为局部水头损失，计算公式如下：

式中，Lp为左岸排水倒虹吸管道的长度；Cp为左岸排水倒虹吸管道的 谢才系数；K1，K2，K3分别为倒虹吸管道入口、出口以及管道内部的局部 损失系数；Rp为倒虹吸管道的水力半径；Vp为左岸排水倒虹吸管道的管 内水流流速，计算公式为：

式中，Hp、Wp分别为左岸排水倒虹吸管道的断面的高、宽；zp为左岸 排水倒虹吸管道的入口处泥沙淤积与漂浮物堵塞的深度，即淤积堵塞深 度；

(3)由水量平衡公式可知左岸排水倒虹吸入口处的蓄水量，然后根据 入口处的水位蓄量关系即得到对应的水位，减去ZB则可得两个断面的水 位差，比较ΔZ1与ΔZ2，若二者之差小于阈值，停止计算，否则，重复步 骤(1)-(3)，直至ΔZ1与ΔZ2二者之差小于阈值；

设置不同的固定淤积深表示树枝、枯草等杂物在河渠交叉建筑物入口 的淤积程度，评估不同淤积深度下，河渠交叉建筑物在遭遇设计洪水时是 否会发生洪水漫入的情况；

采用Regionalized Sensitivity Analysis与Sobol全局敏感性分析 方法评估设计泥沙淤积、工程老化以及水推算的不确定性对于河渠交叉建 筑物洪水漫入风险影响，确定对洪水漫入风险影响最大的因素，其中，表 示泥沙淤积的参数为初始淤积深；表示工程老化的参数为管道糙率；表示 设计洪水推算不确定性的参数包括年最大24h点雨量均值、变差系数、暴 雨递减指数、平均下渗率、汇流参数，

采用洪水漫入持续时间与洪水漫入水量评估洪水漫入风险；

综合考虑树枝、枯草等杂物以及泥沙淤积、工程老化与设计洪水计算 不确定性等因素影响，确定允许的最大淤积深度。

本发明的有益效果是：已有的研究大多侧重于分析超标洪水带来的风 险，而超标洪水发生的概率极低，对于提高人工输水渠道在运行期间供水 安全的贡献较小。与现有技术相比，本发明所提供的风险评估方法聚焦河 渠交叉建筑物运行期间经常遭遇的设计标准内的洪水，同时综合考虑河渠 交叉建筑物运行期间的实际情况(泥沙、树枝以及枯草等杂物的淤积、工 程老化以及设计洪水推算不确定性)，评估了河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入的风险，并提出了允许的最大淤积深度，能够有效提高了人工输水 渠道运行期间的供水安全。

附图说明

图1示出了本发明的实施例的河渠交叉建筑物洪水漫入模型示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面 结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图所示，本发明一种河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入风险的评估 方法，包括：

构建用于模拟河渠交叉建筑物的天然河流上游洪水的产生以及交叉 建筑物遭遇洪水后的过流过程的洪水漫入模型，该模型耦合了洪水计算模 型、泥沙输移模型以及管道过流模型，模型结构如附图1所示。洪水计算 模型用于推算天然河流的洪水过程，泥沙输移模型用于模拟天然河流以及 河渠交叉建筑物的泥沙输移过程，管道过流模型用于模拟交叉建筑物的遭 遇洪水后的过流过程。各模型计算方法如下：

洪水计算模型(采用推理公式法)：

(1)计算特定历时t的暴雨，计算公式如下：

式中，xt,p表示频率为P，历时为t的暴雨雨量；

(2)计算流域产流历时以及汇流时间。

1)流域产流历时：

式中，tc为流域产流历时；γ为暴雨递减指数；τ为流域平均入渗强 度。

2)流域汇流时间：

式中，τ为流域汇流时间；L为沿主河从出口断面至分水岭的最长距离； J为沿L的平均比降；m为汇流参数；Qm,P表示频率为P的洪峰流量。

(3)根据流域产流历时以及汇流时间，确定洪峰流量。

1)当tc≥τ时，为全面汇流，洪峰流量的计算公式下：

2)当tc＜τ时，为部分汇流，洪峰流量计算公式如下：

式中，F为流域面积；h

h

h

(4)绘制洪水过程线。

采用概化多峰三角形过程线的方式绘制洪水过程线。概化多峰三角形 过程线的基本原理是假定一段均匀降雨可以产生一个单元三角形的洪水 过程线，三角形的底长为洪水过程的总历时，等于该段降雨的产流历时加 汇流历时，三角形的顶点为该段降雨的洪峰流量，面积等于该段降雨产生 的洪量。将t小时的降雨分为n个时段，每个时段的间隔要求大于流域汇 流时间，假设各分段降雨均匀，其产流历时等于降雨历时tRi (i＝1,2,3…,n)，形成洪峰的汇流时间与形成主洪峰的汇流时间τ相等， 则该分段的形成的单元三角形的洪峰流量为：

式中，hRi为tRi时段降雨产生的径流深；Qmi为tRi时段降雨产生 的洪峰流量。

各分段降雨形成的单元洪水过程线的起点为该段降雨的起点，终点为 该段降雨停止后再经过汇流时间τ的地方。单元洪水过程的峰值出现位置 根据整个洪水过程最大流量的位置确定，如果该段降雨在形成最大流量的 主雨峰之前，则该段降雨的单元洪水过程线的峰值在降雨结束时段；如果 在在形成最大流量的主雨峰之后，则峰值在降雨开始经过汇流时间τ的位 置。将分段降雨的单元洪水过程线按照时序进行叠加，则可以得到整段降雨对应的洪水过程线。

泥沙输移模型：

采用郭俊克公式计算上游洪水的挟沙能力，公式如下：

式中，S*为质量含沙量(单位体积浑水中含有泥沙的质量)；V为断面 平均流速；g为重力加速度；R为水力半径；ω为泥沙沉降速度。其中，泥 沙沉降速度的计算公式如下：

式中，d为泥沙粒径为0.033mm；ν为水的运动粘滞系数，为1.62× 10-6m2/s；ρs与ρ分别为沙粒与水的密度，分别为2650kg/m3， 1000kg/m3。

含沙水流进入倒虹吸管内，水流的挟沙能力发生变化，管内水流的挟 沙能力通过管道的临界不淤流速公式推算，临界不淤流速公式一般采用 E.J.Wasp公式：

式中，Vc为管内流速；D为管径；Sv为体积含沙量(单位体积浑水中 含有泥沙的体积)。

管道过流模型：

管道过流模型包括洪水调节与水力计算两部分。洪水调节的基础是水 量平衡公式，其计算公式如下：

式中，QA为左岸排水倒虹吸管道入口处上游渠道的流量；QB为左岸 排水倒虹吸管道出口处下游渠道的流量；ΔV为左岸倒虹吸管道入口处上 游渠道在Δt时间内的蓄水变化量。

左岸排水倒虹吸的过流过程的计算步骤如下：

(1)假设左岸排水倒虹吸管道出口处下游渠道的水位为ZB，则出口 处的流量QB为：

式中，Ac为左岸排水倒虹吸入口处渠道的断面面积；Cc为渠道的谢 才系数；Rc为水力半径，nc为左岸排水倒虹吸入口处渠道的的糙率，为 0.035。

(2)计算左岸排水倒虹吸管道入口处上游渠道与出口处下游渠道的 水位差ΔZ2：

式中，ΔZ2为水位差；VA、VB分别为左岸排水倒虹吸管道入口处上 游渠道与出口处下游渠道的断面流速；g为重力加速度；hf为沿程水头损 失；hj为局部水头损失，计算公式如下：

式中，Lp为左岸排水倒虹吸管道的长度；Cp为左岸排水倒虹吸管道 的谢才系数；K1，K2，K3分别为倒虹吸管道入口、出口以及管道内部的局 部损失系数；Rp为倒虹吸管道的水力半径；Vp为左岸排水倒虹吸管道的 管内水流流速，计算公式为：

式中，Hp、Wp分别为左岸排水倒虹吸管道的断面的高、宽；zp为左 岸排水倒虹吸管道的入口处泥沙淤积与漂浮物堵塞的深度，即淤积堵塞深 度。

(3)由式(15)可知左岸排水倒虹吸入口处的蓄水量，然后根据入口 处的水位蓄量关系即得到对应的水位，减去ZB则可得两个断面的水位差， 比较ΔZ1与ΔZ2，若二者之差小于阈值，停止计算，否则，重复步骤(1) ～(3)，直至ΔZ1与ΔZ2二者之差小于阈值。

设置不同的固定淤积深表示树枝、枯草等杂物在河渠交叉建筑物入口 的淤积程度，评估不同淤积深度下，河渠交叉建筑物在遭遇设计洪水时是 否会发生洪水漫入的情况。

采用Regionalized Sensitivity Analysis与Sobol全局敏感性分析 方法评估设计泥沙淤积、工程老化以及水推算的不确定性对于河渠交叉建 筑物洪水漫入风险影响，确定对洪水漫入风险影响最大的因素。其中，表 示泥沙淤积的参数为初始淤积深；表示工程老化的参数为管道糙率；表示 设计洪水推算不确定性的参数包括年最大24h点雨量均值、变差系数、暴 雨递减指数、平均下渗率、汇流参数。

采用洪水漫入持续时间与洪水漫入水量评估洪水漫入风险。

综合考虑树枝、枯草等杂物以及泥沙淤积、工程老化与设计洪水计算 不确定性等因素影响，确定允许的最大淤积深度。

本发明的有益效果是：已有的研究大多侧重于分析超标洪水带来的风 险，而超标洪水发生的概率极低，对于提高人工输水渠道在运行期间供水 安全的贡献较小。与现有技术相比，本发明所提供的风险评估方法聚焦河 渠交叉建筑物运行期间经常遭遇的设计标准内的洪水，同时综合考虑河渠 交叉建筑物运行期间的实际情况(泥沙、树枝以及枯草等杂物的淤积、工 程老化以及设计洪水推算不确定性)，评估了河渠交叉建筑物运行期间洪水漫入的风险，并提出了允许的最大淤积深度，能够有效提高了人工输水 渠道运行期间的供水安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。