高鑫磊 劉軍梅 趙月芬

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048)

1 蓄 (滯)洪區(qū)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算的目的

蓄 (滯)洪區(qū)是指河道堤防外或河道內(nèi)洪水臨時(shí)貯存的低洼地區(qū)或湖泊等。

近年來,隨著北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,下墊面條件及暴雨洪水特性發(fā)生了很大變化。如不透水面積增加,導(dǎo)致相同量級降雨情況下,產(chǎn)流量增加,徑流系數(shù)加大,加重了城市防洪、排水的負(fù)擔(dān)。

為保障流域和城市防洪安全,市政排水設(shè)施規(guī)模應(yīng)越來越大,而河道要滿足防洪要求,也要擴(kuò)寬挖深。

而事實(shí)上,受多種客觀因素制約,市政排水管網(wǎng)擴(kuò)大規(guī)模的可能性不大;現(xiàn)有河道不可能一再擴(kuò)寬,也不宜無限制地加高堤防。

另外,由于從整個(gè)流域防洪安全角度考慮,上下游省市間還存在排水協(xié)議,北京應(yīng)盡可能維持原有排水量,多余水量在境內(nèi)自行消納解決。

為避免無限制地增加河道及市政排水設(shè)施的排洪量,同時(shí)對汛期雨洪加以控制和利用,北京城市總體規(guī)劃、新城規(guī)劃以及河道治理規(guī)劃中均提出建設(shè)蓄 (滯)洪區(qū)的措施是解決上述矛盾的有效途徑。發(fā)生大洪水時(shí)蓄 (滯)洪區(qū)可以控制洪水下泄,減輕下游地區(qū)防洪排水壓力,為流域防洪起到積極的作用。平時(shí)的中小洪水經(jīng)蓄 (滯)洪區(qū)滯蓄后可回灌地下水,改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境。

為合理確定規(guī)劃蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)模及下游河道流量,并為編制河道及蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)劃提供依據(jù),需要對蓄 (滯)洪區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

2 蓄 (滯)洪區(qū)調(diào)節(jié)計(jì)算方法

2.1 砍平頭法

該方法通常用于河道外蓄 (滯)洪區(qū)的調(diào)節(jié)計(jì)算。河道來水通過控制性工程 (閘、壩)及引水工程引入蓄 (滯)洪區(qū)。蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)模的確定與河道限泄流量有關(guān)。

砍平頭法主要是將超過河道限泄流量的上游來水過程引入蓄 (滯)洪區(qū)。即當(dāng)上游來水流量小于此流量時(shí),來水全部向下游河道排泄;當(dāng)上游來水達(dá)到河道限泄流量時(shí),開始向蓄 (滯)洪區(qū)分洪,直至蓄滿。如圖1。滯蓄洪量W、滯蓄后洪水過程計(jì)算公式如下。

通過試算,可以合理的確定蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)模與控制性工程規(guī)模關(guān)系,以保證最大程度的削減洪峰。此方法對削減洪峰流量是最為有利的,見圖1。

圖1 砍平頭法滯蓄示意圖(河道外蓄洪區(qū))

2.2 自然調(diào)蓄法

該方法通常用于河道內(nèi)蓄 (滯)洪區(qū)的調(diào)節(jié)計(jì)算。此類蓄 (滯)洪區(qū)位于河道內(nèi),多為挖砂后形成的砂石坑或低洼地,上游來水直接進(jìn)入蓄 (滯)洪區(qū),蓄滿后再向下游排泄。通過該方法的調(diào)節(jié)計(jì)算 (試算),可以判斷蓄 (滯)洪區(qū)是否能起到削減上游洪峰流量的作用、是否應(yīng)對現(xiàn)有蓄 (滯)洪區(qū)進(jìn)行改造 (擴(kuò)大或縮小)以及是否增加控制性工程等措施來削減洪峰。

此方法根據(jù)蓄 (滯)洪區(qū)大小又分為兩種情況,一種是蓄 (滯)洪區(qū)容積較小時(shí),上游來水進(jìn)入蓄 (滯)洪區(qū)后,還未達(dá)到洪峰時(shí),蓄 (滯)洪區(qū)已經(jīng)蓄滿 (見圖2),此時(shí)蓄 (滯)洪區(qū)對上游來水的洪峰流量沒有削峰作用,只能減少上游部分洪量。

圖2 自然調(diào)蓄法(河道內(nèi)蓄 (滯)洪區(qū)容積較小)

第二種情況是蓄(滯)洪區(qū)容積相對較大,上游來水滯蓄時(shí)間較長,當(dāng)蓄(滯)洪區(qū)蓄滿時(shí),來水洪峰流量已經(jīng)被蓄(滯)洪區(qū)全部消納 (見圖3)。

兩種情況下滯蓄后洪水過程為蓄 (滯)洪區(qū)蓄滿時(shí)刻以后上游來水過程,計(jì)算公式如下。

圖3 自然調(diào)蓄法 (河道內(nèi)蓄(滯)洪區(qū)容積較大)

3 利用Excel軟件進(jìn)行快速調(diào)節(jié)計(jì)算

蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)模的確定需綜合考慮各方面因素。定的太大會(huì)造成土地資源不必要的浪費(fèi),定的太小起不到削減洪峰和減小下游河道防洪壓力的作用。并且,若通過工程措施將洪水引入蓄 (滯)洪區(qū),則還需根據(jù)調(diào)節(jié)計(jì)算確定適當(dāng)?shù)目刂菩怨こ痰囊?guī)模,既節(jié)省工程投資,又能滿足河道的防洪要求。基于上述各方面因素的考慮,我們在調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)需進(jìn)行試算,先假定一個(gè)變量,然后計(jì)算其他變量,看是否滿足上述各方面的要求,直至達(dá)到最優(yōu)值為止。

試算通常采用列表的方法,用于試算是一個(gè)反復(fù)過程,因此利用Excel軟件中的IF函數(shù)創(chuàng)建條件公式,可以很快調(diào)節(jié)出最優(yōu)成果,只需給定一個(gè)變量,不斷修改此變量,其他變量自動(dòng)修改,直至達(dá)到最優(yōu)成果。

前面所述的兩種調(diào)節(jié)計(jì)算方法,在利用IF函數(shù)建立條件公式時(shí)存在下列邏輯關(guān)系。

3.1 砍平頭法

其中Q削峰為通過控制性工程引入蓄 (滯)洪區(qū)的流量,即為控制性工程的規(guī)模。

3.2 自然調(diào)蓄法

4 應(yīng)用實(shí)例

規(guī)劃對某一未達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)的河道按20年一遇進(jìn)行綜合治理,河道下游由于開發(fā)建設(shè)占用河道兩岸土地,對河道進(jìn)行疏挖擴(kuò)寬的余地不大,若使該河道達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn),保障下游的防洪及兩岸建設(shè)區(qū)的安全,擬在該段上游河道堤防外利用現(xiàn)狀低洼地規(guī)劃建設(shè)蓄 (滯)洪區(qū)。該蓄 (滯)洪區(qū)上游河道來水20年一遇洪峰流量為90m3/s,根據(jù)調(diào)節(jié)計(jì)算,確定蓄 (滯)洪區(qū)建設(shè)后下游河道的流量。

4.1 砍平頭法

將上游來水洪峰流量及洪水過程及蓄 (滯)洪區(qū)容積填入表格中的相應(yīng)位置 (見圖4),先任意假定一個(gè)變量 (削峰流量、滯蓄后下游河道流量、蓄 (滯)洪區(qū)),在 F9～F20單元格中輸入 “IF(C9-E9＜=0,0,C9-E9)”,得到蓄 (滯)洪區(qū)的流量過程;在H9～H20單元格中輸入 “IF(C9-E9＜=0,C9,E9)”,經(jīng)過蓄 (滯)洪區(qū)調(diào)蓄后的流量過程。在E5單元格中輸入 “MAX(F8:F20)”,即可得到通過蓄 (滯)洪區(qū)滯蓄后排向下游的洪峰流量,分別計(jì)算上游來水洪水總量和滯蓄后剩余的洪水總量,分別鏈接在B5和F5單元格中。改變假定的變量,直到F5=G5為止。

圖4 砍平頭法洪水調(diào)節(jié)計(jì)算界面

4.2 自然調(diào)蓄法

將上游來水洪峰流量及洪水過程及蓄 (滯)洪區(qū)容積填入表格中的相應(yīng)位置 (見圖5),可先任意假定一個(gè)變量 (削峰流量、滯蓄后下游河道流量、蓄 (滯)洪區(qū)),在F31～F42單元格中輸入“IF(SUM(＄D＄30:D31)＜=E31,"0",C31)”,得到滯蓄后的流量過程,在E27單元格中輸入 “MAX(F30:F42)”,得到滯蓄后即可得到通過蓄 (滯)洪區(qū)滯蓄后排向下游的洪峰流量,分別計(jì)算上游來水洪水總量和滯蓄后剩余的洪水總量,分別鏈接在B27和F27單元格中,改變假定的變量,直到F27=G27為止。

圖5 自然調(diào)蓄法洪水調(diào)節(jié)計(jì)算界面

以上兩種方法中,只需根據(jù)特定的目標(biāo)改變假定值,其他變量將自動(dòng)計(jì)算完成。

從以上兩種方法的結(jié)果可以看出,在蓄 (滯)洪區(qū)一定的情況下,自然調(diào)蓄法比砍平頭法的削峰作用更為顯著,在工程實(shí)際中,往往會(huì)遇到各種各樣的情況,也會(huì)給調(diào)節(jié)計(jì)算增加各種限定條件,我們在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)具體問題具體分析,做多種調(diào)節(jié)方法,考慮各方面因素后確定最優(yōu)方案。

5 結(jié)語

利用Excel軟件的特殊命令進(jìn)行蓄 (滯)洪區(qū)的調(diào)節(jié)計(jì)算,只需更改1～2個(gè)變量,即可很快得到其他變量,在蓄 (滯)洪區(qū)規(guī)劃、河道治理及防洪規(guī)劃的方案制定特別是多方案必選中起到事半功倍的效果,大大提高了工作效率。

本文介紹的方法適用于河道外蓄 (滯)洪區(qū)及河道內(nèi)砂石坑蓄 (滯)洪區(qū)調(diào)節(jié)計(jì)算,在對河道內(nèi)蓄 (滯)洪區(qū)分析時(shí),還應(yīng)綜合考慮蓄 (滯)洪區(qū)出口型式、蓄 (滯)洪區(qū)水位～庫容關(guān)系等各方面因素,采用調(diào)洪演算等更為詳細(xì)的方法進(jìn)行分析。

1 姚樂人.防洪工程.北京:中國水利水電出版社,1996

2 北京市水文手冊——洪水篇.北京:北京市水務(wù)局,2005