（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 概況

淮北平原是淮河流域最大的平原區(qū)，位于淮河北岸、黃河以南，京廣鐵路以東、洪澤湖以上，總面積8.14 萬km2，區(qū)內(nèi)主要河流有洪汝河、沙潁河、西淝河、渦河、包澮河、奎濉河、新汴河等，淮北平原為沖積平原和黃泛平原，地勢平坦，流域及河道坡降大多在1/6000～1/10000 之間。

1970年原水電部淮河規(guī)劃組提出的《淮北除澇水文計(jì)算方法》（適用于500～5000km2）（下簡稱“70年北京對口成果”），1981年安徽省水利勘測設(shè)計(jì)院提出《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算辦法》（適用于50～500km2），研究了流域自排模數(shù)計(jì)算方法和小面積（50km2以下）自排、抽排模數(shù)計(jì)算方法。2007年至2014年，中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司對淮北平原除澇水文計(jì)算再次進(jìn)行了研究。

2 排模公式改進(jìn)研究

“70年北京對口成果”采用的排模經(jīng)驗(yàn)公式為M=KRmFn，（K 為峰量關(guān)系系數(shù)，取0.026；R 為凈雨深；F 為流域面積；指數(shù)m 取1，n 取-0.25）。公式考慮了形成最大流量的兩個(gè)主要因素：凈雨深和流域面積。將很多因素的影響都綜合在峰量關(guān)系系數(shù)值中，此次嘗試從峰量關(guān)系系數(shù)K 中分離出其他流域特征因子，分析排澇模數(shù)與多個(gè)因子之間的關(guān)系，對排模公式進(jìn)行比較分析。

2.1 淮北平原流域特征提取

采用基于ArcGIS 開發(fā)的Arc Hydro 軟件來提取淮北平原的水系特征。選擇澮河黃口集閘、惠濟(jì)河大王廟、沱河永城閘、澮河臨渙集、泉河沈丘、惠濟(jì)河磚橋閘、通惠渠睢縣7 個(gè)流域進(jìn)行流域特征的提取。選擇不受下游河、溝水位影響，能夠暢排的場次洪水資料。

2.2 排模公式參數(shù)優(yōu)選

主要考慮的流域特征有流域面積、流域長度、形狀系數(shù)、河網(wǎng)密度、主河道長度和主河道坡度，其中凈雨深和流域面積是兩個(gè)必要因子，然后依次考慮與其他流域特征的組合。

根據(jù)所選的7 個(gè)典型流域，挑選出符合要求的41 場場次洪水資料，通過對影響排模的各種因子優(yōu)化組合可知，隨著因子數(shù)的增加，公式精度有所改善，但不是特別明顯，而且一些參數(shù)與物理意義不符。實(shí)際工作中，凈雨深和流域面積比較容易獲得，有一定的精度。綜合考慮公式的精度、實(shí)用性及參數(shù)的合理性，僅利用凈雨深R 和流域面積F 來構(gòu)建排模公式是基本合適的。

2.3 排模參數(shù)地區(qū)分布

根據(jù)7 個(gè)流域不同場次洪水資料，考慮不同流域峰量關(guān)系系數(shù)K、凈雨深和流域面積指數(shù)三個(gè)參數(shù)的變化。

流域面積指數(shù)變化范圍為-0.237～-0.252，凈雨深指數(shù)變化范圍為0.993～1.029，峰量關(guān)系系數(shù)的變化范圍為0.0256～0.0285，指數(shù)有隨面積增大而變小的趨勢。

2.4 超標(biāo)準(zhǔn)洪水的打折系數(shù)

根據(jù)雨洪同頻率的假設(shè)，挑選出10～20年一遇3d 降雨對應(yīng)的洪水過程： 沈丘站：84-7-24 號(hào)洪水，10～20年一遇；84-9-6 號(hào)洪水，大于20年一遇。臨渙站：98-8-9 號(hào)洪水，10～20年一遇；82-7-21 號(hào)洪水，10～20年一遇。公橋站：56-6-6 號(hào)洪水，大于20年一遇；68-7-12 號(hào)洪水，10～20年一遇。黃口站：82-7-21 號(hào)洪水，10年一遇；98-8-9 號(hào)洪水，10年一遇。

計(jì)算上述各場洪水打折系數(shù)，除去沈丘站超標(biāo)準(zhǔn)洪水打折系數(shù)在0.56～0.61 外，臨渙、公橋和黃口集10～20年一遇洪水打折系數(shù)為0.78～0.93，與原《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算辦法》中超標(biāo)準(zhǔn)洪水10年一遇排模打九折，20年一遇排模打八五折相比，基本符合。

3 分布式除澇水文模型研究及應(yīng)用

3.1 分布式模型框架

分布式流域水文模型的主要思路是：將流域劃分成若干網(wǎng)格，對每個(gè)網(wǎng)格分別輸入不同的降雨，根據(jù)各網(wǎng)格內(nèi)植被、土壤和高程等情勢，對每個(gè)網(wǎng)格采用不同的產(chǎn)流計(jì)算參數(shù)分別計(jì)算產(chǎn)流量；通過比較相鄰網(wǎng)格的高程確定各網(wǎng)格的流向，根據(jù)各網(wǎng)格的坡度、糙率和土壤等情況確定參數(shù)，將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流過程。模型的參數(shù)由地形、地貌數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測歷史洪水資料率定得到?；贕IS 的分布式模型框架如圖1。

考慮到代表性及基礎(chǔ)資料的獲取，選擇汾泉河流域、澮河流域、西淝河流域、閭河流域和谷河流域5 個(gè)流域作為模型系統(tǒng)開發(fā)研究的試驗(yàn)流域。

3.2 流域數(shù)字化處理

流域數(shù)字特征的提取，需要完整地勾畫出流域河網(wǎng)、流域邊界以及子流域邊界。在流域數(shù)字高程模型（DEM）的基礎(chǔ)上通過數(shù)字地形分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)?；诹饔駾EM（1 ∶25 萬），利用ARCGIS 軟件處理流域數(shù)字高程資料，將整個(gè)流域在平面上劃分成2km×2km 網(wǎng)格，垂直方向上根據(jù)產(chǎn)流機(jī)理之差別將土壤-植被-大氣系統(tǒng)分層。運(yùn)用ARC／INFO 的GRID 模塊，對流域進(jìn)行水文分析，主要包括DEM 預(yù)處理、河網(wǎng)的提取、水流方向的產(chǎn)生、流域界線的劃定、流域三維顯示等。

3.3 產(chǎn)匯流計(jì)算

在GIS 劃分產(chǎn)水單元的基礎(chǔ)上，對每一產(chǎn)水單元進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，再根據(jù)水力聯(lián)系進(jìn)行匯流計(jì)算，產(chǎn)生流域出口斷面的流量過程，計(jì)算方案如圖2。

3.3.1 產(chǎn)水模型

圖1 基于GIS 的分布式模型框架圖

單元產(chǎn)流計(jì)算采用概念性模型。20世紀(jì)80年代，淮委規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院與河海大學(xué)合作，以汾泉河流域?yàn)樵圏c(diǎn)，采用流域水文模型模擬技術(shù)的途徑，以日降水量為計(jì)算時(shí)段，研究提出了綜合模擬地表水、地下水全年過程的汾泉河平原水文綜合模型，并在淮北平原地區(qū)多個(gè)流域作了運(yùn)用研究，獲得了較好的模擬效果。

對原汾泉河模型做以下兩點(diǎn)改進(jìn)：

①計(jì)算時(shí)段為一小時(shí)，獲取真實(shí)峰現(xiàn)時(shí)間和洪峰量值。②坡面匯流計(jì)算采用Nash 瞬時(shí)單位線，其模型參數(shù)通過流域坡度、流域下墊面等地理因子獲取。流域模型結(jié)構(gòu)見圖3。

3.3.2 匯流模型

坡面匯流計(jì)算采用納希（J.E.Nash）單位線計(jì)算，地下水匯流采用線性滯時(shí)加線性水庫演算模型，河網(wǎng)匯流采用連續(xù)馬斯京根法演算。

汾泉河產(chǎn)流模型、坡面匯流模型以及河網(wǎng)匯流模型參數(shù)如表1。

3.4 模型參數(shù)調(diào)試

經(jīng)過分析比較，挑選受閘壩工程影響較小的洪水資料，根據(jù)汾泉河等5 個(gè)流域共計(jì)82 場洪水資料，進(jìn)行模型調(diào)參和驗(yàn)證。合格率見表2。

汾泉河、澮河、閭河和谷河流域的調(diào)參合格率均大于85%，達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）甲級標(biāo)準(zhǔn)。西淝河流域的合格率為83.3%大于70%，達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）乙級標(biāo)準(zhǔn)。

圖 2 流域產(chǎn)水計(jì)算方案圖

圖3 汾泉河流域水文綜合模型流程圖

表1 產(chǎn)匯流計(jì)算模型參數(shù)物理意義表

表2 試驗(yàn)流域調(diào)參合格率表

3.5 閘壩影響分析

選取沈丘站1980-2（洪水編號(hào)，下同）、1982-1、1998-1 共3 場典型場次洪水用于分析閘壩對匯流的影響。調(diào)蓄系數(shù)：未考慮水閘影響為0.99，考慮水閘影響0.985。滯時(shí)：未考慮水閘影響4h。考慮水閘影響5h。

由此說明：（1）水閘對暢泄且不漫灘洪水，模型參數(shù)考慮水閘影響和不考慮水閘影響模擬計(jì)算場次洪水，對洪量影響甚微，可以不考慮。（2）水閘對暢泄且不漫灘洪水，模型參數(shù)考慮水閘影響和不考慮水閘影響模擬計(jì)算場次洪水，對場次洪水的洪峰有一定影響，使洪峰量值削減約15%。對峰現(xiàn)時(shí)間也有滯后1～2h 的影響。

3.6 超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析

對于超標(biāo)洪水現(xiàn)行處理采用修峰系數(shù)：10年一遇洪水修峰系數(shù)為0.9，20年一遇修峰系數(shù)為0.85，50年一遇洪水修峰系數(shù)為0.8。收集5 個(gè)試驗(yàn)流域，共6 場超標(biāo)洪水模擬，分別為沈丘站CF1984-1（洪水編號(hào)，下同）、CF1984-2；臨渙集站CK1998-1；公橋站GQ1973-1；王市集站W(wǎng)SJ1972-1；包信站BX1968-1。計(jì)算結(jié)果超標(biāo)準(zhǔn)洪水，24 小時(shí)平均洪峰流量削峰系數(shù)為0.78～0.90。

表3 沈丘、臨渙的排模公式計(jì)算自排模數(shù)表

表4 分布式除澇水文模型計(jì)算成果表

3.7 設(shè)計(jì)排模計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算辦法》計(jì)算出不同頻率對應(yīng)下的沈丘、臨渙的自排模數(shù)，見表3，分布式除澇水文模型的計(jì)算結(jié)果見表4。

由表3和表4可知，在不考慮閘壩工程影響條件下，模型計(jì)算結(jié)果與排模經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差-10.7%～15.5%；考慮閘壩工程影響后，模型計(jì)算結(jié)果與排模經(jīng)驗(yàn)公式打折計(jì)算結(jié)果相差-15.3%～2.2%。兩種計(jì)算工況條件下，計(jì)算誤差均在20%以內(nèi)，說明經(jīng)驗(yàn)排模計(jì)算公式還是有一定精度的。

4 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)現(xiàn)有水文資料，模型計(jì)算超標(biāo)準(zhǔn)洪水只能選取到較少場次洪水資料。今后隨著水文資料的積累，可增加合適的場次洪水進(jìn)一步驗(yàn)證。（2）在今后淮北平原排澇規(guī)劃、各支流治理及確定閘站規(guī)模時(shí)，建議年最大24 小時(shí)暴雨設(shè)計(jì)Pa 值3～5年一遇用50mm，10～20年一遇用65mm。（3）研究表明經(jīng)驗(yàn)排模公式及超標(biāo)洪水打折標(biāo)準(zhǔn)仍可采用原成果■