一种提升平原防洪排涝能力的方法

摘要

本发明公开了一种提升平原防洪排涝能力的方法，该方法包括以下步骤：步骤S101，根据平原河网水文水动力特性，将所述平原河网按水利工程影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区；步骤S102，按平原河网空间置换时间原则、水域占补平衡原则和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大水域容积率，同时在所述惯性波区调整相应水域容积，提升平原总体防洪排涝能力。

说明书

技术领域

本发明涉及平原防洪排涝领域，尤其涉及一种提升平原防洪排涝能力的方法。

背景技术

提升滨海平原防洪排涝能力一般通过提升洪涝水外排能力(排水)和增加平原蓄洪能力(蓄水)二种途径。

提升外排能力主要有拓宽行洪排涝通道和修建强排泵站等措施。平原防洪排涝由于河床比降接近于零，平原内部河网洪涝水汇流至排涝闸(或泵)前时间长，往往出现平原河网内部水位持续高水位，而排涝闸和强排泵站前水位低，过水断面面积小，虽流速大，但排涝流量偏小；同时，排涝闸的可排时间受下边界潮水位涨落影响，当外潮水位高于平原内河水位时，需关闸挡潮，使一潮可排时间受限(一般为4-8小时左右)，从而使一潮排水总量问题受限，很难达到一潮内设计暴雨(12小时左右)产生的洪涝水在有限的4-8小时左右的可排时间内及时排出，从而需沿线大量拓宽河道水域，但由于用地指标紧张约束，往往受限，故平原常受洪涝灾害影响。如果修建大型强排泵站，因河网水流是明渠非恒定流而非有压管流，30-40公里左右河道需修建三个以上的大型强排串联泵站，但往往数十年才需要使用上一次，使用和经济效率低下，且同样出现远离排涝闸(泵)平原内部区域的洪涝水汇流不过来、平原内部受淹时间长和河道冲刷等问题。第二种提升平原蓄滞洪能力的主要措施是增加水域容积，但由于土地指标约束，拓宽水域面积需占用一定的用地指标而受限；在水域拓深上，由于平原河床主要是细沙等冲积物组成，深掏河道往往对堤防结构安全稳定产生不利，因此，扩大水域面积和深掏往往受到一定条件限制。

综上，现存在(1)平原河网河床比降接近于零，河网洪涝水汇流时间长，内部河网洪涝水往往不能及时汇流至排涝闸(或强排泵站)前，致使平原洪涝水不能及时排出；(2)土地指标紧张，扩大水域面积受限；(3)修建强排泵站，需多级串联，容易引起河床冲刷，泵站使用效率低，且远处洪涝水汇流不过来等问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种提升平原防洪排涝能力的方法，以解决相关技术中存在的平原内部洪涝水不能及时汇流出来、扩大水域面积受限于土地指标条件限制、深掏往往导致河堤不稳、强排泵站引起河床冲刷和河网原有高程系统重朔代价大且使用效益低下的问题。

根据本发明实施例，提供一种提升平原防洪排涝能力的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，根据平原河网水文水动力特性，将所述平原河网按水利工程运行影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区；

步骤S102，按平原河网空间置换时间原则、水域占补平衡原则和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大水域容积率，可同时在所述惯性波区调整相应水域容积，提升平原的总体防洪排涝能力。

进一步地，所述平原河网水文水动力特性如下：

1)河道水面比降小，河道河床底比降i

i

2)河网水流运动形成水面附加比降i

其中，Δz为水利工程运行引起的某河道两断面之间水面高差；

ΔL为顺水流方向两河道断面之间距离；

3)下游潮水边界h(t)变化：

其中，t为时间，H

4)整个平原河网区域有水力联系且平原内部洪涝水汇流至排涝闸或泵站时间τ大于下游回水或潮水边界变化形成的可排时间T。

进一步地，将所述平原河网按水利工程运行影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区，具体如下：

当所述平原河网的水体受到水利工程运行影响时，将排涝水利工程附近一定范围内河道水位变幅或水面附加比降相对较大的预定平原河道区域初步划为扩散波区，将其他平原河道区域划分为惯性波区，其中所述预定区域内的水位比降变化超过设定阈值；

根据初步划分的结果，采用水动力模型，计算平原河网主要行洪排涝河道水面曲线，根据所述水面曲线的比降变化临界点，计算和划分分区的临界边界，根据所述临界边界，最终将所述平原河网划分为扩散波区和惯性波区。

进一步地，所述水利工程运行影响为排涝闸或泵站运行对主要行洪排涝河道水面比降的影响。

进一步地，按平原河网空间置换时间原则、水域占补平衡和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大有效水域容积率，在所述惯性波区调整相应水域容积，具体如下：

根据所述平原河网空间置换时间的原则，在划分的扩散波区范围内，以不增加整个平原河网水域面积的前提下，在所述扩散波区设置一定规模的蓄滞洪区或加大水域容积，而在所述惯性波区，加强水体流动性的河网整治和调整相应水域面积或水域容积；

根据所述平原河网水域占补平衡原则，在所述整个平原河网区域内，在不减少整个平原河网水域面积的前提下，在所述扩散波区设置一定规模的蓄滞洪区或加大水域防洪容积率，而在所述惯性波区相应调小水域面积，使全部平原区域的水域在面积上不减少，在水域容积上不减少；

根据所述平原河网能量输入最小原则，在所述扩散波区和惯性波区均无需另外输入能量或如修建串联强排泵站，利用洪涝水自有的机械能，自流排出，不会引起整个平原河道高程系统的重朔或更新迭代。

进一步地，在扩散波区设置一定规模的蓄滞洪区或加大水域容积率，包括：

1)、首先在收集平原河网暴雨洪水与相应水位涨水过程、河道断面、水位槽蓄量曲线和下游回水或潮水位资料的基础上，采用水文学计算方法，先进行产流计算或扣损计算得到相应现状防洪或排涝能力下的净雨过程，再利用平原河网水位槽蓄量曲线和水量平衡通过还原计算或水文汇流模型进行汇流计算得到闸上平原区域代表水位站涨水水位过程或洪水流量过程，最后采用水动力模型，计算平原河网的现状防洪排涝能力下的一潮内或可排时间内的排涝水总量W

2)计算整个平原河网集水区的规划或设计标准下的净雨量H

W

3)、把平原河网区域划分为扩散波区和惯性波区后，在考虑土地指标、河道防冲刷，改善河网连通性条件要求下，在扩散波区选择靠近排涝水利工程附近区域，布置加大水域容积的方案，与此同时如果按水域占平衡原则，则在平原河网惯性波区，加强水体流通性的河网整治，调整相应水域；

其中所述加大水域容积的方案包括以下二种方案中的一种或二种的组合；

A、在大小上：设计扩大容量为1.1倍以下理论容量W

B、在大小上：设计扩大容量在理论容量W

根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果如下：

根据平原河网水文水动力特性，将所述平原河网按水利工程影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区，从而从把平原河网里的洪涝水划分为可快速排出洪水量和慢速流动洪涝水量，也同样把平原河网设计暴雨产生的洪涝水量划分为不致灾的洪水量和不可快速排出的致灾洪涝水量，并且控制平原河网防洪排涝标准高低的关键在提升扩散波区河道的排涝能力；排涝水闸或泵站运行引起水面变化较大的距离越远，扩散波区越宽，水域面积越大，容纳的洪涝水越多，则一定可排时间内通过这一区域排入大海或下游的洪涝水量越多，排洪涝水能力越强，这个区域的排涝能力决定了整个平原的防洪排涝能力。按平原河网空间置换时间原则和水域占补平衡原则和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大水域容积率可同时在所述惯性波区调整相应水域容积，提高整个平原河网的及时排涝水量和总体防洪排涝能力；其中的河网空间置换时间原则，即提前把惯性波区的致灾洪涝水量置换至扩散波区，而扩散波洪涝水量能在可排时间内快速排水，则使一定排涝时间里或一潮可自排时间内的排涝水量增加，从而减少了平原的致灾洪涝水量，同时也使远处汇流不过来的洪涝水，在排涝闸泵停止运行时，自流到水域扩大的扩散波区蓄存起来，在坦化洪水的基础上，也能在开启泵闸站时在可排时间内快速排出，从而也增加了相应的不致灾洪水量；其中的水域占补平衡原则，扩散波区扩大水域面积或有效水域容积，可在所述惯性波区调整相应水域面积或水域容积，做到平原水域面积和容积上占补平衡，同时，解决了区块用地紧张问题；其中的平原河网能量输入最小原则，通过利用洪涝水原有的机械能和能量平衡系统，避免平原系统引入新建大型泵站新增能量引起新的河床冲刷，尽量自流排出。本发明适用于在所述平原河网区域水域面积率不变，区块用地紧张、平原河网内部洪涝不能及时汇流出来、修建强排泵站效果不理想的情况，通过对平原河网总体格局总体整治和重塑，及时排出平原内部洪涝水，大幅提升整个平原河网的总体防洪排涝能力和标准。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种提升平原防洪排涝能力的方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的某滨海平原河网扩散波区与惯性波区划分示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的各方案蓄滞洪区位置。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种提升平原防洪排涝能力的方法的流程图；参考图1，本发明实施例提供一种提升平原防洪排涝能力的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，根据平原河网的水文水动力特性，将所述平原河网按水利工程影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区；

步骤S102，按平原河网空间置换时间原则、水域占补平衡原则和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大水域容积率，同时在所述惯性波区调整相应水域容积，从而提升平原河网总体防洪排涝能力。

本发明实施例的方法适用于平原河网区域水域面积率不变，区域用地紧张、平原河网内部洪涝不能及时汇流出来、修建强排泵站效果不理想的情况，通过对一定水域面积率条件下的扩散波区扩大水域容积率，在所述惯性波区减少水域容积率，在空间置换时间原则、水域占补平衡原则和能量输入最小原则，进行平原河网总体格局的重塑，及时排出平原内部洪涝水，大幅提升整个平原河网总体防洪排涝能力和标准。从而解决相关技术中存在的平原内部洪涝水不能及时汇流出来、扩大水域面积受限于土地指标条件限制、深掏往往导致河堤不稳、强排泵站引起河床冲刷且使用效益低下等问题。

上述步骤S101中，所述平原河网的水文水动力特性如下：

1)河道水面比降小，河道河床比降i

i

2)河网水流运动产生水面附加比降Δi：

其中，Δz为水利工程运行引起的某河道两断面之间水面高差；ΔL为顺水流方向两河道断面之间距离；

3)下游潮水边界h(t)变化：

其中，t为时间，H

4)整个平原河网区域有水力联系且平原内部洪涝水汇流至排涝闸或排涝泵站时间τ大于下游回水或潮水边界变化形成的可排时间T。

平原河网地区的河网一般网状结构河流特征，地势相对平坦、河网纵横、网状河流相互通连，但水动力不足，且水流流向不定，洪水波传播规律和水动力变化复杂。假设一个有水力联系的平原水位分级区计算分区(或圩区)，设其面积为F，河网相对均匀，且水域水面率一般在6-8％以上，河网河床比降小接近于零；其次，平原河网多为感潮河段，排涝多受下边界潮水涨落或变动回水影响。

平原河网的以上四个特征就决定了平原河网泄水流速度缓慢，汇流时间长，并受阻于潮水涨落(变动回水)。

上述步骤S101中，将所述平原河网按水利工程影响和洪水波传播形式，划分为扩散波区和惯性波区，具体如下：

(1)当所述平原河网的水体受到水利工程运行影响时，将水利工程附近的预定范围内河道水位变幅或水面附加比降相对较大的预定平原河道区域初步划为扩散波区，将其他平原河道区域划分为惯性波区，其中所述预定区域内的水位比降变化超过设定阈值；

具体地，圣维南方程组准确的描述了平原河网水动运动状况。它由连续性方程和动力方程组成。

1)连续方程

2)动力方程

式中，Q为断面流量(m

其中，平原河网中的动力方程反映了洪水波运动过程中各种作用力的动平衡。洪水按动力方程中各项作用力的对比关系，把洪水波分成四类：运动波、扩散波、惯性波、动力波，详见表1。

表1洪水波分类表

注：“√”表示所考虑的作用力，“×”表示可以忽略的作用力。

根据下游回水变化情况、可排时间和经验观察数据等情况，设定平原河网区域主行洪排涝河道某水位比降值为阈值，然后根据其水面比降大于设定阈值的区域为扩散波区，小于设定阈值的区域为惯性波区。在惯性波区，洪水运动主要以惯性波的形式传递，洪水以波速运动，该分区的水面比降非常小，重力分力不是洪水波运动的主要作用力，靠“惯性力”作用，水流流速小，主要只有中泓水质点在移动。在扩散波区，洪水运动主要以扩散波的形式运动，水流主要克服河道沿程阻力而运动，洪涝水受水体重力分力作用，其表现在是形成的水面较大附加比降，水流流速相对较大。

(2)根据初步划分的结果，采用水动力模型，计算区域平原河网行洪排涝河道水面曲线，根据所述水面曲线的比降变化和临界点，计算和划分分区的临界边界，根据所述临界边界，最终将所述平原河网划分为扩散波区和惯性波区。

具体地，根据下游变动回水或潮水、可排时间和经验观测数据初步划分的结果，确定主要行洪排涝河道条、水动力模型建模范围；然后再采用水动力模型，计算平原主要行洪排涝河道水面曲线，根据所述水面比降突变区间，确定临界点，再连结临界点形成分区边界和范围，流速大的为扩散波区，其余区域皆为惯性波区。

进一步地，所述水利工程影响为排涝闸或泵站运行的影响。暨平原水利工程中，那些可以调节、控制的水利工程的运行时引起洪涝水面比降变化；主要是指边界排涝闸或强排泵站运行。平原河网区，在没有降水的情况下，不受排涝闸或泵站运行的影响时，水面一般是一个水平面，水面比降为零；当排涝闸或泵站的开始运行时，平原河网的水主行洪河道的水面比降将发生改变，可按一定范围内水面比降改变不同，将平原河网洪水波传播形式划分为二种主要形式，一种是接近排涝闸(泵)站附近区域河网，水面跌落和变化较快，比降较大(约万分之五以上)的区域，该区是洪水溃散波相对稳定以后，水流主要以扩散波形式，其主要克服河道沿程阻力而运动，该区域流速相对较大，水深逐渐变浅，定义为平原河网扩散波区(面积为F

上述步骤S102中，按平原河网空间置换时间原则、水域占补平衡原则和能量输入最小原则，在所述扩散波区扩大水域容积率，在所述惯性波区减少水域容积，具体如下：

(1)根据所述平原河网空间置换时间的原则，在扩散波区范围(F

具体地，平原河网的扩散波区区域主要分布临近海边或下游边界的区域为主，扩散波区区域离海的距离与平原河道的过流能力有关，排涝水闸或泵站等水利工程运行时引起水面变化较大的距离越远，则扩散波区越宽，面积越大，且平原大部分洪涝水需通过这一区域排入大海或下游，因此，必须加大这个区域水闸与行洪河道的排涝能力与河网的蓄水能力，其排涝能力、蓄水能力及相邻的惯性波区的补水能力决定了整个平原的防洪排涝能力。空间置换时间的原则，主要利用扩散波区水体流速快且在可排时间内可及时排出而不成灾的特点，扩大扩散波区水域容积率，但在平原整治时，一般需遵循水域占补平衡条件，也可能需适当减少惯性波区或其他区域的水域面积，而在扩散波区才能设置同样面积大的蓄滞洪区或加大水域容积量空间，这样通过在扩散波区扩大洪涝水的安置空间，置换了远离排涝闸的惯性波区水量流到至排涝闸的时间，从而提升了平原总体防洪排涝能力。

进一步地，在扩散波区设置一定规模的蓄滞洪区或加大水域容积率，包括：

1)、首先在收集平原河网暴雨洪水与相应水位涨水过程、河道断面、水位槽蓄量曲线和下游回水或潮水位资料的基础上，采用水文学计算方法，先进行产流计算或扣损计算得到相应现状防洪或排涝能力下的净雨过程，再利用平原河网水位槽蓄量曲线和水量平衡通过还原计算或水文汇流模型进行汇流计算得到闸上平原区域代表水位站涨水水位过程或洪水流量过程，最后采用水动力模型，计算平原河网的现状防洪排涝能力下的一潮内或可排时间内的排涝水总量W

2)计算整个平原河网集水区的规划或设计标准下的净雨量H

W

3)、把平原河网区域划分为扩散波区和惯性波区后，在考虑土地指标、河道防冲刷，改善河网连通性条件要求下，在扩散波区选择靠近排涝水利工程附近区域，布置加大水域容积的方案，与此同时如果按水域占平衡原则，则在平原河网惯性波区以加强的水体流动性的河网整治，调整相应水域；

其中所述加大水域容积的方案包括以下二种方案中的一种或二种的组合；

A、在大小上：设计扩大容量为1.1倍以下理论容量W

B、在大小上：设计扩大容量在理论容量W

(2)根据所述平原河网水域占补平衡原则，在所述整个平原河网区域内，在不减少整个平原河网水域面积或水域容积的前提下，在所述扩散波区设置一定规模的蓄滞洪区或加大水域面积或水域容积率，而在所述惯性波区相应调小水域面积或水域容积量，使区域水域面积上不减少，在水域容积上不减少。

(3)根据所述平原河网能量输入最小原则，在所述扩散波区和惯性波区均无需另外输入能量，采用洪涝水原有的机械能，自流排出。具体地，就是在提升防洪排涝能力时，不需另外输入能量(如通过泵站提高洪涝水体势能)，利用洪涝水原有的势能和动能，自流排出。

实例：

以在扩散波区调整或设置一定规模水域暨增加蓄滞洪区为例。某平原河网研究区面积400km

通过查看一维二维水动模型计算结果，当发生防洪排涝标准洪水时，四种建设蓄滞洪方案中，方案四和方案一相对较优，在满足土地资源制约条件下，优先选取分散格局布置方案。

上述实施例结合附图对本发明进行了描述，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。