排涝模数法的基本原理和适用条件.pdfVIP

第 3 3卷第 2期 2 0 1 1年 2月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 3 No 2 Fe b ， 2 0 1 1 【 水文 泥沙 】 排涝模数法的基本原理和适用条件 王国安 ， 贺顺德， 崔 鹏 ， 李荣容 ， 李超群 ， 盖永 岗 ( 黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要 ： 介绍 了排涝模数法在 中国产 生的背景、 排涝模数公式 M =K R F 的 由来和公式 中峰量指数 m、 面积指数 I, 和综 合 系数 K的确定 方法 。 对流量过程线 ， 着重介 绍 了概化过程线法 的含 意及制作 方法。 强调排 涝模 数 的特 点是充 分考虑 了 平原河流调节作用对最大流量 Q 的影响， 故它只适用于平原河流的农田排涝计算， 而不适用山丘地区的设计洪水计算 和城市 市区的排 洪计算 。 关键词：排涝模数；最大流量；河流调节作用；概化过程线；平原河流 中图分类号 ：$ 2 7 6 1 文献标识码 ： A d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 1 0 2 0 0 9 1 历史回顾 1 1中国自创 在中国权威的教科书 水文分析与计算 、 工程水文 学 】 ， 以及世界权威著作 工程水文学 j 、 排水手册 j 、 水文学手册 中， 均无排涝模数法及类似方法的介绍。有 的文献 虽有涉及 ， 但语 焉不详。 据河南 省水利厅老专家介绍 ， 此法 在 2 o世纪 5 o年代初期诞 生于淮北平原 ， 随后逐步推广到黄淮海平原及全国平原地区。 1 2 产生背景 数千年来， 黄淮海平原黄泛区基本为碟形地貌， 其余多属 沼泽地带。随着社会的发展和人口的增多， 人们在这些地方挖 沟排水 ， 晾出土地 ， 进行 耕种 ， 逐 渐形成 人工 河道 。但 是 ， 河道 因泥沙淤积而要不定期地进行疏 浚 ， 使河 道断面长 期处于人 为 干预 中， 不像 山区河 流完全是 由自然形成 的 。开挖 河道的 目的 是便于农耕 ， 而北方农作物 主要是旱作 ， 其特点 是不耐水 淹 ， 一 般淹上两三天， 就要大为减产， 故有迫切的排水要求。 淮河流域历来洪涝灾害特别严重 ， 1 9 5 0年毛主席发出号召 “ 一 定要把淮河修好 ” ， 于是 中央和地 方迅速 采取行 动 ， 对淮河 流域全面治理开展了规划设计工作， 这样用于除涝工程设计的 排涝模 数法应运而生 。 2 基本认识 2 1 山区水 系与平原水系的区别 山区水系是由天然的地形 、 地质 、 地貌决定的， 而平原水系 则是由人工开挖形成 ， 故两者的汇流形态不同。前者河道 比降 大 、 流速快 ， 洪水是 在河槽 内畅通流 动 ； 后者 河道 比降小 、 流速 慢 ， 洪水常溢出主槽 ， 淹没 两岸 农 田。 2 2 山区洪灾与平原涝灾的区别 山区洪灾是 大 洪水 溢 出河 槽 ， 淹 没 和毁 坏 两岸 土地 和 设 施 ， 常造成重大的经济损失和人员伤亡。 平原涝灾分 两种 ： 一种是平原河 流在大雨 期间 ， 水 流不畅 ， 水排不 出去 ， 淹没 两岸 土地 ， 形成 内涝 ， 一般 只有 经济损 失 ， 无 人员伤亡； 另一种是受外水顶托， 内水排不出去所形成的内涝， 这 种情况多发生在干支流交汇处的支流出口处的上游附近河段。 这里讨论的排涝模数， 主要是解决平原河流的内部排水问题。 3 排涝模数法的基本原理 3 1 基本 思 路 黄淮海平原排涝 河流是 在黄 泛 区碟形地 貌和 原生 沼泽地 带上人工开挖形成的， 河道宽浅， 常有几个能部分滞蓄洪涝的 较小洼地串联 并联。由于坡面平缓 ， 因此农作物的阻水作用 明显。影响平原河流最大流量的主要因素是河槽的排泄和调 蓄作用。这些作用对洪峰流量的影响过程极其复杂， 难以直接 用数理方法表达， 只能采用半推理半经验的方法近似地推求。 3 2 设计最大流量计算 3 2 1 最 大 流量公 式 任一雨洪河流， 一个断面的最大流量的大小与它的流域面 积 、 一次暴雨的净雨深度、 影响流域汇流速度快慢的综合系数 成正 比关 系 ： Q =K R ( 1 ) 式 中： Q 为设计 最大流量 ， m s ； F为流域面积 ， k m ； 为设 计 流域平均净雨深度 ， mm， 与降雨的时空分 布和影响产 流 的土 壤 性质、 植被情况、 地下水埋深等因素有关； 为反映流域汇流速 度快慢的综合系数( 包括排水河道的比降、 糙率、 流域形状和滞 蓄能力等因素的影响) ； 7 , 为峰量指数， 反映洪峰与洪量的关 系； , 为面积指数 ， 反映洪峰与流域面积的关系( 主要是流域调 节作用 ) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 8 1 2 作者简介 ： 王 国安 ( 1 9 3 O 一 ) ， 男， 重庆涪陵人 ， 高级 工程 师( 教授 级) ， 世界 气象 组织水文委 员会第 ll 届 P M P P M F专家， 5 0多年 来一直从 事设计 洪水领域 的生 产实践和科学研究工作。 E ma il： w a n g g a y r e c cn 2l 人 民 黄 河2 0 1 1 年第 2期 3 2 。 2排 涝模数 公式 排涝模 数是指涝 区 1 k m 排水 面积 的设 计最大排 水流量 ， 将设计排涝模数乘以排水面积即可求得设计最大流量。其计 算公式可由式( 1 ) 得 出： n M = ：K R ( 2) ， 式中 ： 为设计排涝模数 ， m ( k m 。 s ) ； nl 为 递减指 数 ； 其 余字母意义同上。 我国水利工程设计部门在对平原河流推求设计最大排水 流量时 ， 常用排涝 模 数一 词 ， 原 因是其 物理 概念 明确 、 形 象直 观 ， 让人易于理解 。 根据水利部规划设计总院 1 9 8 9年对 金堤河流域设计洪 涝水分析报告 的审查意见， 排涝模数式( 2 ) 适用于面积 F 1 0 0 k m 的地区 ； 当 F1 0 0 k m 时 ， 为避免 出现小 面积排 涝模 数显著偏大的不合理现象， 仍采用 1 0 0 k m 的排涝模数。 3 2 3 公式参数的确定方法 确定参数所用资料 的条件是洪 峰水位 基本平槽 的实 测雨 洪资料 。 在确定排涝模数经验公式的参数时， 应首先分析确定峰量 指数 m， 然后再确定 n 、 K两个参数， 常用的方法如下 。 ( 1 ) 峰量指数 m的确定。先分析单站的峰量关系， 这可消 除流域面积因素对排涝模数 的影响。单站排涝模数 与净 雨深 R的关 系为 M =Ko R ( 3) Ko=KF ( 4) 式中： K o 为峰量系数。 将若干实测的肘一 数据点在双对数纸上， 由式( 3 ) 可见， l g M与 l g R为线性关系， 故可根据实测点据优选或 目估定出关 系线( 见图 1 ) ， 则参数 m、 可求 出。 量 、 宣 骚 赶 盎 图 1 排水模数一净雨深关系示意 J 如图 1 ， m为关系线的坡度， m =cb a b 。 为R=1 时关系 线在纵轴上的截距。 根据图1 的关系直线 ， 可求出m=0 9 2 ， 则 式 ( 3 ) 可写成 ： M= R。 峰量指 数 m反映流域滞 蓄 、 河槽储 蓄、 河道 排水能力 以及 回水顶托等因素。 排水状况较好或排水状况一般但流域坡度较 大者， m值一般较大； 排水状况较差、 受回水影响的河流， m值较小。 疏浚后的河道， 排水条件有所改善， m值一般比未开挖前增大。 ( 2 )面积指数 n 、 综合系数 的确定。 在峰量指数m值确定 后， 呵进一步求n 、 K 。 对某一测站， 控制面积F为已知， 当m给定 2 2 后 ， 即可由上述方法求出相应的 值。 把当地不同测站的面积 F及相应的 值数据， 点在双对数纸上， 由式( 4 )可知， lg K o 与 lg F为线性关系， 故可根据实际点据优选或目估出关系直线， 见图 2 。 于是 1, 一 1=cb a b 。 K为F=1 时关系线在纵轴上的截距。 根据图 2的关系直线， 可求出11 , 一1=一 0 2 5 ( 即II：n 7 5 ) ， K=0 0 0 2 。 则 式( 4 ) 可写成 =0 0 3 2 F 4 - 。 根据图1 、 图2分析， 求出的参数 m：0 9 2、 n一1：一0 2 5 及 K =0 0 3 2 ， 于是可求得某地区排涝模数 经验公式 ： M =0 0 3 2 R 。 F ( 5 ) 流域 面积 F， k m 图 2峰量 系数一流域面积关系示意 流域面积增大， 降雨不均匀性和产流的不均匀性也随之增 大， 因而排水模数随面积递减 ， 面积指数 n 值就是反映这一特 性的指标。 根据一些地区的分析， 大流域 “t 值一般为0 6 5 0 8 0 ， 小 流域 , 值为 0 8 01 0 0 。 值反映了除净雨深 与流域面积 ，以外的因素。 其变化 幅度较大 ， 一般规律是暴雨 中心偏上游 、 净雨历时长 、 地面坡度 小、 流域形状系数小、 河网调节程度大时 值小， 反之则大。 根 据淮河和海河平原区资料分 析 ， 得 出以净雨历 时 、 流域形 状和 地面坡度为参数的 K值 ， 见表 1 。 表 1 华北平原地 区排水模数公式中的 K值 流域形 系数 净雨 蝇 炳皴 厂 舌 2历 翼 蹉 J 一 L H I 注 ： L为流域长度( k m) ； F为流域面积( k m ) 。 表 2是根据大量暴雨径流资料 ， 统计分析求出的我国部分 地区排水模数计算公式的参数。 3 3 设计排水流量过程线的拟定 当涝区内具有较大的蓄涝容积时， 必须考虑蓄涝容积对排 水流量的调蓄影响。这时需要先求出流量过程线， 然后通过调 蓄计算确定设计排水流量及蓄涝容积。涝区设计流量过程线 一 般采用概化过程线方法求得。 人 民 黄 河2 0 1 1年第 2期 表 2 部分地 区排水模数公式参数值 】 3 3 1 概 化过 程线 的 制作 通过对设计站多次实测流量资料的分析， 综合得出一条具 有代表 性的过 程线 ， 然后 予以概化 ( 图 3 ) ， 即将 其纵 坐标 以最 大流量的百分数表示， 即 Y 。= Q 。 O ( 6 ) 将其横坐标以流量过程线的总历时的百分数表示 ， 即 =t T ( 7 ) 式中： 为概化过程线 i时刻的纵坐标， ； 为概化过程线 i 时刻的横坐标， ； 为流量过程线的某一时刻， h ； T为流量过 程线总历时 ， h ； Q 为流量 过 程线 某一 时刻 t i 的流量 ， I n s ； Q 为流量过程线的最大流量 ， m s 。 1 o 0 零 5 0 5 O l0 0 = l， r ， 图 3 概化过程线示意 得到概化过程线以后， 再从图上摘录能反映洪水过程变化 特点的若干控制点纵横坐标值列表备用。 3 3 2 概化过程线参数的确定 由式( 6 ) 和式( 7 ) 可见， 在设计中要使用概化过程线， 必须 先要确定 Q 和 ， 而 Q 已按公式( 1 ) 求得。 洪水流量过程线的总历时 与洪峰流量Q 、 洪水总量 和 过程线的形状密切相关。 其关系为 D F T =0 2 7 8 ( 8 ) 式中： t O 为概化过程线所包围的面积( 图3 ) 。 按物理概念应称洪水胖瘦系数， 它表征洪水过程线的胖 瘦 ， 其值愈大形状愈胖。 显然 ， 当概化过程线的形状为三角形 时， t O=1 2 ； 形状为矩形时， =1 0 。 设计 t O可由式( 8 )得到 ： D F =0 2 7 8 ( 9 ) m 对 于某一 固定测 站来 说 ， 产 汇流条 件一 定 ， 在雨 型相差 不 大的情况下 ， 其流量过程线形状是相似的， 因而 山值较稳定。 这 样， 就可以利用多站资料在双对数坐标纸上点绘 与F关系， 求出其经验公式 ： ： a F ( 1 0 ) 某地区根据实际资料求出与 F的关系式为 甜 = 0 1 6 6 ( 1 1 ) 河北省黑龙港地区 与 F的关系见表 3 。 表 3黑龙港地 区洪水胖瘦 系数 m与面积 F的关 系【 将表 3中数字点绘在双对数纸上可求得经验公式 ： =0 2 7 F o。 ( 1 2) 由式( 1 1 ) 、 表 3和式( 1 2 ) 可见， 值都有随流域面积 F的 增加 而递增 的现象 ， F愈 大洪水 受河 道调 蓄 作用 的影 响愈 大 ， 洪水流量过 程形 状就愈矮胖 。 3 3 3 概 化过 程线 的具 体运 用 ( 1 )求涝区的设计净雨深 和最大设计排水流量 口 。 ( 2 )以涝区的排水面积 F由给定的 E O 与 F关系求出值。 ( 3 )由给定的概化过程线 ， 推求概化过程线的流量及时间 坐标 ： Q =Y Q ( 1 3 ) =0 2 7 8 ( 1 4 ) V m 3 3 4关于设计 求法的讨论 ( 1 ) 地区经验公式法。根据相似地区多站的实测暴雨洪水 资料分析， 按式( 9 ) 计算 出一系列的 值 ， 然后在双对数纸上 点绘 与 F关系， 求出经验公式， 供设计使用。 ( 2 ) 本流域暴雨洪水分析法。根据本流域中下游两个流域 面积相差不大的水文站实测的多次暴雨洪水资料， 按式 ( 9 ) 算 出 ， 选择其中较有代表性者， 列出其 叫值 和概化过程线的纵 横坐标( 见表4 ) ， 供设计使用。 表 4 某流域概化过程线的纵横坐标值 注 ： 扎 第 1 2 3 5列数据为 A站资料 ， 其他为 B站资料 ； 从 左至右采 用资料 时间为 1 9 7 5年 8月 、 1 9 7 0年 7月、 1 9 7 3年 7月、 1 9 6 9年 8月 、 1 9 7 2年 7月、 1 9 7 1年 7月 、 1 9 7 2年 7月。 2 3 r L 人 民 黄 河2 0 1 1年第 2期 现按上述认识对推求 的方法进行分析。 第一种方法按形如式( 1 0 )的经验公式求 ， 符合流域面积 ，愈大 愈大的物理概念( F愈大， 洪水流程愈长， 所受河道调 节作用愈大， 洪水过程线愈胖) 。 其方法简便， 有利于在相似地 区移用 。 第二种方法按经验公式( 1 5 )求 ( ， ， 式中没有 F， 只适用于 固定的测站， 不便在相似地区移用。 当然， 也可换一个角度看式 ( 1 5 ) ， 它虽未考虑 ， 但它考 虑 了 Q 并 以它 为分母 ， 这就 暗含 了 F ， 因为 F愈大， Q 也愈大。 同时， 还应该注意， 设计洪水过程线的形状具有设计概念， 即要选取最有代表性且偏于安全的典型年。对于中小河流， 一 般选一个典型年就够了。 4 适用条件 任何水文方法的运用场合要符合该方法赖以成立的那些 概化假定条件。 排涝模数法隐含的基本假定是 ： 根据平原地区实测暴雨洪 水资料建立的最大流量经验公式， 能够综合反映包括平原河流 所特有调蓄作用在 内的所有 因素对最大流量的影响 。 按照上述假 定 ， 就可得 出排 涝模数法 的适用条 件是 ： 平原 地区农 田排水 、 相 当于平槽 流量 的标准 。这 里需要 特别强调 ， 该方法主要适 用 于黄 淮海 平原地 区， 对 于其 他平 原地 区仅 供 参考。 4 1 平原地区农田排水 排涝模数是根据平原河流的实测暴雨洪水资料求得的， 自 然应该用 于平原地 区， 目的是用于农 田排水 。 但是， 最近几年在参与中小河流治理的规划设计报告审查 中 ， 却多次发现有些人把排涝模数法用 于山 匠区的防洪和城镇 地区的排洪计算， 这是不妥的。山丘地区的防洪， 宜用推理公 式法和单位线法进行设计洪水计算， 而平原城镇地区的排涝计 算 ， 则宜用河网水动力学模型0 和基于水量平衡 的“ 平湖法” 计算模型 等方法 。 4 2 相当于平槽流量的标准 基本假定 中有“ 根据平原地区实测暴雨洪水 资料建立 的最 大流量经验公式” 的表述 。可是 ， 实 测资料 的暴雨 洪水有 大有 小 ， 一般采用洪峰水位基本平槽的雨洪 资料来 分析。这种洪水 一 般相当于 3 5 a一遇 与多年来我国的排涝标准相当， 该标 准在经济上一般 比较合 理。 平原河流 的实际情况 是 ： 河道 比降平 缓 、 河 槽两岸 既是滩 地又是农 耕地 ， 故在设计 骨干排 水河道 断面 时 ， 一 般不允 许水 流溢出河槽 ， 其 目的是保护 两岸旱 作物免 受水淹 。所 以 ， 一般 要求岸边 地面要高 出治涝 水位一 定 的高度 A H。S L T 4 - 1 9 9 9 推荐 A H为0 2 0 3 m； 河南省一般取 0 30 5 m。换句话 说 ， 治涝水位是一定的 ， 是 由平 原河流 下游 出 口控制 断面决定 的。有 了它再 往上 游 作 回水计 算 ， 定 出沿程 的 除涝 水位 。显 然 ， 在水位一定的情况下 ， 要多通过流量， 就要扩大断面。扩大 断面的方法有两种 ： 一是挖深断面， 二是扩宽断面。但是平原 河道， 比降平缓 ， 受流域出口断面的控制， 上游断面挖深， 只起 形成深坑的作用( 即减缓流速) ， 并不能增大排水流量。换言 2 4 之， 河底高程也是一定的。这样， 剩下来就只有扩宽断面了。 扩宽断面就要侵占大量耕地 ， 现在这些耕地一般都是稳产、 高 产的农田， 所以除涝标准高， 不一定合理。 以往在平原河流治理中， 若按 3 a一遇排涝， 则采用 1 0 a 一 遇防洪； 若按5 a一遇排涝， 则采用 2 0 a一遇防洪。防洪工 程包括堤防、 排水闸、 提排站和涝区城镇的保护措施。为简便 计， 对大于5 a 一遇标准的最大流量 ， 也可按式 ( 1 ) 进行计算。 但对计算出的最大流量， 要打一个折扣， 用于考虑高水时河道 的滞蓄影响。表5是河南省采用的折扣系数。 表 5河南省平原河流各级 洪峰流量折扣系数 5 排涝模数与推理公式的差别 为有利 于排涝模数法和推理公式法 的正确运 用 ， 将两者 主 要差别列于表 6 。推理公式法的详细情况， 请参见文献 1 2 。 表 6 推瑾公式与排涝模 数的差别 项 目 推理公式 排涝模数 公式形式 Q =C A C = 1 一I J i n Q ：K R F M= KR = 0 2 7 8 L ( m J Q 11( 4 ) 影响 Q 的主导因素 河道比降 ， 流域调蓄作用 河道性质 天然 人 工开挖 设计暴雨历时 流域汇流时间 r 旱作物耐淹时间 2 3 d 流域产流强度 要求时空分布均匀 无要求 流域汇流速度 要求时空分布 为常数 无要求 流域 调蓄作用 不考虑 充分考虑 确 定 爵 茫 善 位 先 定 Q 后 定 水 位 先 定 排 涝 水 位 再 定 Q 适用地 区 山区丘陵 区 平原地区 适用 面积 V ， 因此 A 1 ( 1 4 ) c I 则可近似认为 ： = = ( 一 ) 一 _ 2 ( 15 ) 假设沉沙池过水 断面面积 和调 流板 面积相 等。 从式 ( 1 5 ) 可 以看出 ， 在调流板面积 和来 流平 均速 度 确定 的情况下 ， 通 过调流板时水流总的局部水 头损失 就与 调流板孔 洞总截 面积 A 。 有关 。 越大 ， 水 头损失越小 ， 这样调流板 就达 不到对来流进 行调节的 目的 ； 4 越小 ， 局部水头损失 就越大 ， 水流通过调流 板时消耗的能量就越多 ， 调流板对 水流 的调节 效果就越 好 。 但 是， 如果调流板孔洞总截面积 A 过小， 就会影响调流板的过水 能力， 造成调流板前壅水的水位过高， 这样会对调流板的材料 提出较 高要求 ， 若水 流漫过 调流板 则达不 到调节 的 目的。