（水利工程专业论文）里下河地区除涝排水优化规划研究.pdf

x j l 一日 j 吾水资源作为一种对人类非常重要的自然资源，其开发、利用、治理、节约、保护的活动过程不仅是实现水资源可持续开发利用的必然途径，同时也是经济社会发展的要求。水资源的治理是水资源的开发、利用的保障，也是水资源节约、保护的基本前提。兴建除涝排水工程主要是为了排除地表涝水，对于存在渍害和盐碱害的地区，排除地表水是防渍、改良盐碱的前提。排水和灌溉都是发展农业生产的基础条件，但世界上许多国家并没有把除涝排水像对待灌溉一样的重视。因而世界排水技术无论在科学理论、工程技术、综合技术及管理技术等方面都不如灌溉那么精细、完整、成熟，只是近几十年来认识才有较大的扭转，发展比较迅速。我国目前许多灌区也存在只注重灌溉不注重排水的现象，致使出现了土地渍化、盐碱化，使许多的良田变得不能耕种，使本来人均耕地就少的我国，情况更加的恶化。据统计，目前世界灌溉面积约有34 6 亿亩，排水面积有15 亿亩。涝灾是一种地域性广泛的自然灾害，影响各个行业。防洪除涝工程是保障社会经济安全和稳定发展的重要基础设施。因此大力发展防洪除涝除渍对我国经济尤其是农业生产的发展具有十分重要的意义。里下河地区包括里下河平原、滨海平原以及长江三角洲平原的一部分，气候处于亚热带向温暖带过渡地带，具有明显的季风气候特征，汛期降雨量集中，降雨量年际变化也较大。6 月左右的梅雨和7 、8 、9 月问的台风形成的暴雨是该地区洪涝灾害形成的主要原因。加上该地区四周高，中间低，呈碟型( 俗称“锅底洼”)的特殊地形及海潮高潮位的顶托，该地区的洪涝灾害十分严重。里下河地区地势平坦，是江苏省的重要的棉粮产地、主要的商品棉生产基地和新兴的水产养殖基地，随着江苏省开发京杭运河经济带和沿海经济带进程，该区工业产值上升较快，并带动国内生产总值的增长与三次产业结构的调整，城乡人民生活水平得以显著提高。经济社会的高速发展对防洪除涝提出了更高的要求，历来以保护农田为主的防洪除涝工程体系已经不适应国民经济的全面发展要求。经济越发展就越经不起洪涝淹没，该地区迫切需要提高防洪除涝标准。除涝排渍工程的好坏，不仅关系到里下河地区的水资源利用、开发、治理，更关系到里下河地区的区域可持续发展。因此，必须加强研究和实践，对里下河地区的涝溃问题进行研究势在必行。本文就是针对里下河地区具体情况，采用动态规划的方法建立除涝排水优化规划的数学模型，以期在涝溃治理时给该地区的决策者以参考。摘要在各种自然灾害中，洪、涝、渍害是主要灾害之一，受害面积广，出现频率高。里下河地区因其特殊的地理位置和地形条件经常发生涝渍灾害。涝渍灾害已成为影响该地区社会经济发展的重要外部因素之一。里下河地区同时也是江苏省的重要的棉粮产地、主要的商品棉生产基地及新兴的水产养殖基地，在江苏省经济建设和社会发展中占有重要的地位。里下河地区要实现可持续发展，其基本条件是要进一步提高进行洪、涝、渍灾害的治理标准。因此，本文针对里下河地区涝灾问题进行优化规划研究，以期给决策者以参考，促进该地区抗涝灾能力的提高。本论文论述了我国涝渍中存在问题，对系统分析方法在国内外除涝排水中的应用情况进行了研究，剖析了涝渍灾害的危害、成因；对涝渍规划的原则、标准和计算方法、除涝排水的水文条件及除涝排水系统的各项组成如排涝闸站、湖泊、河网的水力特性进行系统分析；在此基础上建立了在充分蓄涝的条件下一次性投资最小的除涝排水优化规划治理的数学模型，并且将该模型应用于里下河地区，对该地区的涝渍灾害进行优化规划研究。模型的优化规划结果表明：里下河地区现状的工程能够满足该地区五年一遇的排涝标准；大部分地区对于十年一遇的情况也能满足要求，但要加强薄弱环节的圩堤的防汛抢险工作；对于二十年一遇和五十年遇的涝水标准，则要增加湖泊河网的水面率以及增加抽排动力才能满足要求。模型计算结果具有较强的实用性，对该地区的除涝、降渍规划及工程设计具有较好的指导意义。论文最后对全文的工作进行了总结和展望，提出了模型的不足之处及今后的研究要点。关键词：涝渍灾害；涝水规划；动态规划；联合治理a b s t r a c ta m o n gv a r i o u sn a t u r a ld i s a s t e r s ，t h eff o o da n dw a t e r l o g g i n gi st h ep r i m a r yd i s a s t e r ，b e c a u s ei t sg r e a tr e g i o n sw e r es u f f e r e da n do c c u r r e df r e q u e n t l y w a t e r l o go c c u r sf r e q u e n t l yi nt h er e g i o no fl i x i ah eb e c a u s eo fi t ss p e c i a lt e r r a i n w a t e r l o gh a sb e c a m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yo ft h i sr e g i o n a l s ot h er e g i o no fl i x i ah ei st h ei m p o r t a n tp r o d u c i n ga r e ao ff o o da n dc o t t o na n dn e wb a s e o fa q u i c u l t u r e ，w h i t c ht a k e sag r e a tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yo fj i a n g s up r o v i n c e t h ef u n d a m e n t a lq u a l i f i c a t i o no fr e a l i z i n gc o n t i n u a ld e v e l o p m e n ti nt h er e g i o ni st od ow i t ht h ef l o o da n dw a t e r l o g g i n go fi t a i ma tt h i sr e a s o n ，p l a n n i n ga n do p t i m i z i n qo fw a t e r l o gi nt h i sr e g i o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r ，i ti se x p e c t e dt og i v er e f e r e n c et ot h ed e c i s i o n m a k e ra n di m p r o v et h ea b i l i t yo ff i g h t i n gw i t hf l o o da n dw a t e r l o gi nt h i sr e g i o n p r o b l e m so fw a t e r l o g g i n ge x i s t i n gi no u rc o u n t r ya n d t h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h es y s t e mi na n do u ta r es t u d ie d ；t h ee n d a n g e ra n dc a u s eo ff l o o da n dw a t e r l o g g i n ga r ea n a t o m i z e d ；t h ec r i t e r i o na n dc a u s a t i o n a lm e t h o d so fd e s i g n i n go fw a t e r l o g g i n g ，w a t e rc o n d i t i o no fw a t e r l o g g i n ge x c e p t i o na n dd r a i n a g ea n dh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co fe a c hc o n s t i t u t eo ft h es y s t e ms u c ha sb r a k e ，p u m p i n gs t a t i o n ，l a k ea n dr i v e rn e ta r ea n a l y z e dt o g e t h e r ；o nt h eb a s i so ft h e s ea n a l y s e sa n ds t u d i e s ，n u m e r i c a lm o d e lo fd o i n gw i t hw a t e r l o g g i n ge x c e p t i o na n dd r a i n a g et o g e t h e ri sf o u n d e d a l s ot h em o d e li sa p p l y e dt ot h ep l a n n i n ga n ds t u d yo fw a t e r l o g g i n ga n dd r a i n a g ei nt h el i x i ah ea r e a t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h ee x i s t i n gp r o j e c t si nt h i sr e g i o nc a nr e s i s tt h ef l o o do c c u r r e de v e r yf i v ey e a r s ；m o s to ft h er e g i o na l s oc a nr e s i s tt h ef l o o do c c u r r e de v e r yt e ny e a r s ，b u ti t i sn e e d e dt os t r e n g t h e ns o m ew e a kd i k e s jf o rt h ef l o o do c c u r r e de v e r yt w e n t yy e a r s ，i ti sn o ts a t i s f i e du n t i lt oa d dt h es u r f a c er a t eo fl a k e sa n dr i v e r so ri n c r e a s et h ep o w e ro fp u m p i n gs t a t i o n ；t h em o d e li sr e a s o n a b l ea n dt h er e s u l ti sp r a c t i c a l i tc a ng i v er e f e r e n c et ot h ep l a n n i n go fw a t e r l o g g i n ga n d t h ed e s i g n i n go fp r o j e c t si nt h i sr e g i o n f i n a l l y ，s o m ec o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rw e r em a d e a n ds o m ep r o b l e m so ft h em o d e la r ep o i n t e do u tf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c hk e yw o r d s ：w a t e r l o g ；p l a n n i n go fw a t e r l o g ；d y n a m i cp r o g r a m i n gc o m b i n i n gf a r t h e r i n g 第一章绪沦第一章绪论1 1 涝渍灾害及其成因分析当今世界所面f f 缶的人口、资源和环境三大课题中，水已成为关键的问题，已经被提高到人类社会生存能力的高度来认识，它是支撑社会经济系统和自然生态系统不可替代的重要资源和关键性因素。水多、永少、水脏等水的问题与一个地区、一个流域和国家社会经济持续发展有着直接的联系。治水，是人类改造自然、利用自然、除害兴利的一种活动。由于自然界的降水具有时空分布不均、年际变幅很大的特点，大旱大涝、连旱连涝的自然灾害一旦发生，不仅对人类生命财产的安全及社会经济稳定地发展构成严重的危害，而且对于仅能适应气候环境一定变幅的生态系统，亦会带来灾难性的影响。因此，当我们为经济社会的快速发展而欣喜的同时，也在为水灾害加剧、水资源短缺、水质污染以及生态环境的恶化丽焦虑。在各种自然灾害中，洪、涝、渍害是主要灾害之一，受害面积广，出现频率高。我国大部分处在季风气候控制下，加上东西台阶式地形，决定了我国洪涝旱频繁发生的必然性，也决定了治水是中国可持续发展的战略重点。据不完全统计，从公元前2 0 6 年到1 9 4 9 年的2 1 5 5 年期间，我国发生较大的水灾1 0 9 2 次，也就是几乎每两年都有一次较大的水灾。其中，尤以黄淮海平原和长江中下游最为严重。据资料统计，我国洪、涝、渍害造成的受害面积一般年份约1 1 0 0 0 万公顷，成灾面积6 5 0 0 万公顷，而且随着国民经济的发展，洪、涝、渍害造成的经济损失将愈来愈严重。对于我国大部分地区来说发生涝渍的机率要比发生洪水的机率多得多，地域也更加的广泛。尤其是经济快速发展的今天，不单农村会经常因一场暴雨而发生涝渍现象，城市因为发展太快基础设施没有跟上也经常发生涝渍现象。由于涝渍灾害的受灾程度小于洪灾确切地说是涝渍造成的灾害有滞后性、隐蔽性，人们往往只看到洪水带来的瞬时的危害而忽视了涝渍灾害，因此在排水历史上历来都侧重于防洪排水，直到近几十年来认识才有所扭转。排除地下水和土壤水等科学技术在近几十年发展比较快，对涝渍灾害的研究也渐渐地多了起来。如国内外很多的专家学者对涝渍对作物如棉花、小麦、水稻、大豆等等的危害对做了很多的研究。人们开始认识到消除涝渍灾害的重要性。一塑查查塑圭堂垡望茎一社会经挤比较发达的江苏也是涝水灾害频繁易发之地，其洪涝灾害之深重史书不绝。据1 9 4 9 2 0 0 0 五十二年灾情统计资料，江苏全省洪涝受灾后成灾面积超过1 0 0 0 万亩的有1 7 年，5 0 0 一1 0 0 0 万亩的有9 年，合计洪涝渍成灾面积超过5 0 0万亩的有2 6 年，洪涝受灾面积多年平均约1 2 7 2 万亩。从空间分布来看5 5 5 集中在淮河下游地区，( 尤其是里下河地区灾情最频繁最严重) 。从不同时期的受灾面积趋势来分析，五十年代洪涝渍灾害受灾面积相对大一些，六七十年代受灾面积减少，八九十年代受灾面积又有反弹。8 0 年代末，特男日是9 0 年代洪涝年份频繁连续发生，受灾面积增加。随着国民经济快速发展和生活质量的不断提高，农田的高产高效、小城镇和乡镇企业的普遍发展，对减灾的要求越来越高，对防洪除涝渍保障提出来的要求也更高了。1 9 4 9 2 0 0 0 年江苏省洪涝受灾面积比较表如下表1 1 所示：表1 ，11 9 4 9 2 0 0 0 年江苏省洪涝受灾面积比较分水系江苏省沂沭泗淮河下游太湖流域长江土地面积( 万亩)l s 3 9 03 8 2 55 8 9 52 9 1 02 7 6 0占全省土地面积比重( )i 捌93 8 31 8 91 7 9多年平均1 2 7 22 3 97 0 5i 0 12 2 7占全省受灾面积的比重1 0 0i 8 85 5 57 81 7 8受灾1 9 4 9 1 9 6 01 5 2 53 1 28 5 31 0 22 5 7面积1 9 6 1 1 9 7 01 0 2 11 6 96 6 73 71 4 8年代( 万亩)1 9 7 1 1 9 b q9 1 91 4 25 2 95 11 9 6平均i 9 8 1 一1 9 9 01 2 8 92 4 37 4 68 52 1 41 9 9 1 2 0 0 01 5 5 73 1 27 0 22 3 03 1 4历史最面积( 万亩)3 9 9 97 1 51 8 5 s6 9 39 1 7大受灾年份i 9 9 i1 9 s 72 9 9 i1 9 9 12 9 9 l面积与多年平均的倍数3 1 42 9 92 6 36 8 64 0 4受灾程度相对比较( 受灾面积比1 o0 7 51 50 4 2o 9 4重地面积比重)第一章绪论里下河地区位于江苏省受灾最严重的淮河下游，其特殊的地理地形( 四周高，中间低，呈碟型俗称“锅底洼”) 更是加剧了该地区的洪涝灾情。据统计，历史上平均二、三年出现一次水旱灾害。新中国成立后的5 0 年中( 1 9 5 0 1 9 9 9 年) ，曾出现水旱灾害2 2 次。其中： 9 5 4 、1 9 6 2 、1 9 65 、1 9 9 1 年出现大洪大涝。总体上看，里下河地区由于地势低洼，洪涝渍害的损失和影响都比较大。例如，特大梅雨导致的1 9 9 1 年洪涝灾害，据里下河地区的1 2 个县区统计，共破圩1 0 2 4 个，受涝面积1 3 2 7 万商，损失粮食1 9 9 亿斤，各市( 县) 城镇普遍受淹，直接经济损失6 8 亿元。里下河地区是江苏省重要的商品粮基地、商品棉生产基地、新兴的水产养殖基地，随着江苏省开发京杭运河经济带和沿海经济带的进程，该区工业产值上升较快，并带动国内生产总值的增长与三次产业结构的调整，城乡人民生滔水平得以显著提高。经济社会的高速发展对防洪除涝提出了更高的要求，历来以保护农田为主的防洪除涝工程体系已经再不适应国民经济的全面发展要求。经济越发展就越经不起洪涝淹没，该地区迫切需要提高防洪除涝标准。洪、涝、渍害是一种地域性广泛的自然灾害，影响各个行业。防洪除涝工程是保障社会经济安全和稳定发展的重要基础设施。因此大力发展防洪除涝除渍对我国经济尤其是农业生产的发展具有十分重要的意义。对涝渍进行治理的前提是要了解涝渍的特点及其形成条件。形成涝渍的原因与其自然环境、农田抗灾能力、管理水平以及人类社会经济活动等都有密切的关系。涝渍灾害一般主要由当地的降雨或以地表径流的形式流入本地区的外来水形成的，当降雨或以地表径流的形式流人本地区的外来水所形成的地表径流模数超过农田排水模数，田闻的积水时间和水层深度超过农作物的耐涝能力便造成农田受淹，使农作物减产而形成灾害。简单地讲，所谓“涝”即由于降雨过多使旱田地块积水、稻田淹水过深造成农业欠收的现象。所谓“渍”即由于地下水位过高或土壤上层滞水，土壤过湿影响作物生长发育，导致农作物减产或失收的现象。排水区的涝渍成因主要有两个方面：一是来水过多，二是排水不良。过多的来水有以下几部分：( 1 ) 当地暴雨形成的地面径流；( 2 ) 以地面径流的形式流入本地区的外来水，例如从临近高地流人的地面径流，由承泄区( 江、河、湖、海) 倒灌入侵的来水；f 3 ) 地下径流形式流人本地区的外来水，例如来自地区河海大学硕士学位论文周边的渗透水和承压地下水等。这些不同形式、不同数量的涝渍水源，都可导致不同性质和不同程度的涝渍灾害； 4 ) 灌区灌溉多余水量以及盐碱土水冲洗水量等。排水不良的原因有以下几个方面：( 1 ) 属于承泄区和排水出口的问题。承泄区水位( 外水位) 高于排水区内的渍涝水位( 内水位) ；承泄区水位虽低于内水位但水位差较小；排水出口断面狭窄或堵塞；排水闸宽度和排水泵站装机容量不足等。( 2 ) 属于排水区内部原因。排水地区的地形过于平坦或比较复杂；土壤透水性差；排水系统不配套或排水沟排水能力不足或工程老化；有些地区由于利用排水沟道蓄水灌溉，造成沟道阻塞，以致降低和失去了排水作用；田间排水沟的沟深间距没有达到规定的标准；地区内部缺乏必要的滞涝河湖容积等。( 3 ) 管理方面的问题。排水管理体制不合理，排水系统管理不善等，都在不同程度上限制了排水工程作用的发挥，引起地区排水不良的后果。1 2 我国除涝排水治理中存在的问题( 1 ) 水利设施老化、工程不配套、标准偏低我国灌溉排水设施大多建于5 0 6 0 年代，且建设标准较低，经过四五十年的运行，工程普遍老化，失修严重。机电设备长期带病运行，处于低能高耗状态，排水沟道排水不畅，泵站达不到预定流量。据统计灌区已有1 0 的工程丧失了功能，6 0的工程设施受到不同程度的损坏。世界上许多灌溉排水工程从开始运行到第一次出现大规模的盐碱溃涝问题其时间间隔从小于1 0 年到5 0 年不等，这主要取决于运行时的管理和渠道的渗漏情况。我国的这些工程多数已经达到并超过了这个年限。不少圩区不仅骨干工程尚未达到设计标准而且骨干工程与田问工程不配套，渠系与建筑物不配套的现象也普遍存在。绝大部分中小河道的排涝标准亟待提高。面对新世纪的可持续发展，我国除涝保障能力跟不上社会经济快速发展的要求，同时也存在着经济社会发展忽视防洪涝渍灾害的安全条件、甚至削弱防洪除涝渍功能的状况。像江苏这样一个社会经济比较发达的省市其流域防洪除涝能力要加上全力抗险才能对付2 0 年到5 0 年一遇的洪涝灾害，对照当前社会经济发展水平，标准明显偏太低。区域防洪除涝能力则相对更低了，更难适应今后的发展要求。第一章绪论( 2 ) 已建的除涝系统达不到原设计预期的除涝排渍标准建国以来我国对涝渍治理做了很多工作，建了很多除涝系统工程，但很多工程达不到预期的标准，其原因有以下几点： 1 ) 排水沟网和二级泵站的大量兴建改变了地区水文条件，使原来的湖河型河道的自然汇流变成以小型电排站为产水单元的人工河网汇流，汇流速度大大加快，洪水总量和洪峰流量都大大增加。( 2 ) 对于具有联合运用功能的大型水资源系统缺乏科学的调度运用规划和操作规划，遇到稀遇情况难以及时地做出科学决策，使现有工程达不到预期的抗灾能力。( 3 ) 众多的湖泊面积锐减调蓄功能减弱，部分滞蓄区、调蓄区被占用，加大了涝渍灾害机遇和程度。例如里下河地区湖荡面积196 5 年为1 0 7 3 2 b 2 ，现滞涝面积6 9 4 枷2 ( 其中直接滞涝面积2 1 6 胁2 ，滞涝圩面积4 7 8k t n 2 ) ，现存水面面积仅5 8 5 o n 2 。河湖水域的大幅减少，不仅极大的削弱了抗洪除涝能力，而且破坏了资源环境。从历史经验来看，我国在对防洪除涝渍治理上往往都是一场大的灾害过后，或者是一个地区受到了严重的洪涝灾害损失后，防洪除涝建设才引起重视，缺乏一种稳定发展、适度超前的建设机制。我国在今后的一个时期要全面地实现小康、基本实现现代化，防洪除涝作为安全稳定的基本保障和快速发展的基本支撑，面临的压力将会越来越大。城市化的进程加速，工业区和开发区的兴起，能源、交通等基础设旌的大规模建设，都需要依托流域区域防洪除涝来提供基本的条件，这对防洪除涝提出了更高的要求。另一方面，一些基础设施的建设( 如上已经提到了) 往往围占湖荡滩地，填废河湖水面，兴建阻水码头桥涵，危害水土保持等，这就削弱了本来就不高的防洪除涝能力，这样就使防洪除涝能力与社会经济发展不相适应的距离进一步扩大。( 3 ) 水环境恶化加剧涝渍灾害发生随着工业和城市的发展，目前我国水资源受到污染的状况越来越严重。全国七大江河水系中，近一半的河段严重受到污染。城市、集镇附近河道水质污染严重，据江苏的盐城和东台的实测资料表明：监测断面氨氮含量汛期为6 2 劣于类，河海大学硕士学位i 仑文非汛期7 6 3 劣于类；c o d 汛期3 6 4 劣于类，非汛期2 7 3 ，劣于类。由于地表径流的不足及水质的恶化，地下水的利用成为其有效的补给形式，这在工农业经济发展较快的地区尤为突出。超量开采地下水不仅导致机泵捧空、机井报废，而且也引发地面裂沉和海水入侵等一系列问题。据江苏省水资源公报统计，盐城、东台等城镇取用深层地下水，降落漏斗面积达8 4 0 k i n 。地面持续沉降加剧了洪涝灾害的形成。( 4 ) 缺乏科学、合理、有效的管理，经济运行较脆弱长期以来，我国水利工程“重建轻管”现象严重。从系统运行来看，一部分现代运行系统和大量的楹放型运行系统并存，严重缺水和大量浪费并存，水量短缺和水质污染并存，无偿或低偿使用普遍。一方面不断新建工程，另一方面水工程功能非自然衰减加速，效益呈现不应有的下降幅度。潮荡无序围垦，沿海港道淤积，内部河网淤浅束窄，河道断面淤积减少，河底淤高，导致输排水不畅。近年来我国在加强防洪除涝渍的依法管理上取得的成果是显著的，但按照“有法可依、有法必依、执法必严、违法必究”的社会主义法制建设要求，差距还较大。现在存在的问题一方面是政策法规体系尚不够健全，一方面依法管理尚缺乏更为强有力的手段和措施。执法力量不足，群众监督、社会监督更薄弱，有的地方和部门从局部利益出发，还存在很多的地方保护主义和部门保护主义现象。像河胡清障，近几年来加大了力度但仍然存在边清边设现象；湖荡围垦，岸线、滩地、水域盲目无序占用，部门越权等现象仍未能得到全面有效的抑制。滞洪区管理包括控制人口、调整生产布局、合理布设基础设施等，有的虽有规财，基本上还没有落实的措施。防洪除涝渍建设的资金一直缺乏稳定的投入渠道。早期防洪除涝渍建设主要依靠农村劳动积累完成的，目前的渠道主要是防洪保安资金及中央政府的投人和省内各级政府的投入。防洪除涝溃属于公益事业，受益范围广泛，难以进入市场运作，以政府财政支出为主。由于各级财力限制财政投入意向不同，用于防洪除涝渍建设的资金与防洪除涝建设的需要差距较大。由于长期以来没有建立起公益性消耗补偿机制，管理维护运行经费普遍不足，很多工程得不到正常维护，设施完好率差，带病运行大量存在。有些基层单位，连保证职工工资和正常开支都有困难，工程破坏现象尤为严重。防洪除涝工程在运行服务方面也存在着过分注重第一章绪论作用的发挥，不注重经济运行的状况，缺乏投人产出关系的基本经济平价目标考核，抗洪除涝消耗费用大，运行成本高。为此在深化改革进一步转变政府职能的同时、管理单位的内部运行机制也有待进一步完善。1 3 系统分析在除涝排水系统中的应用系统分析方法和传统的分析方法是一脉相承的，但它有创新的一面。不论是学科内容、逻辑思维还是计算工具都和传统方法有所不同。除涝排水工程系统如灌区内部的排水系统、南方水网圩区的除涝系统、北方平原地区的旱涝碱综合治理系统，都可看成是水资源系统。而把系统分析引进水资源系统的规划、设计和运行管理的工作之中是上世纪五十年代的事。在这五十年中，国内外取得了很大的进展。1 3 。1 国外除涝排水工程系统分析研究动态关于国外的排水事业，在公元前5 世纪中叶，希腊历史学家希罗多德曾记载了尼罗谷的排水工程。荷兰的农田排水历史悠久，在世界上享有盛名。英国的排水始于1 3 世纪。美国于1 8 4 9 1 8 5 0 年建立了沼泽地法案，广泛地开展了农田排水。但把系统分析应用于灌排工程是2 0 世纪5 0 年代末开始的。1 9 5 5 年美国哈佛大学开始制订了一个水资源大纲从而使系统工程不但具有基本的工程学性质，而且具有经济学和社会学的色彩。从1 9 5 9 年开始美国科罗拉多州的几所大学每年召开年会，讨论水资源开发和利用问题。1 9 6 2 年m a a s s 等人的著作 d e s i g no f w a t e rr e s o u r c es y s t e m 出版后系统工程和系统分析方法在灌溉排水工程中应用日益广泛，诸如1 9 6 8 年竣工的美国马什兰工程( t h em o r t hr u nw a t e r - 一s h e dp r o j e c t ) 、加州中央河谷的部分工程都把系统工程分析的方法用于灌溉供水、排除涝水。日本利用系统分析方法对其湖区的除涝排水进行了可行性研究；以色列应用系统分析的方法对地下排水管道的布置进行优化。1 9 7 7 年y y h a i m e s 等人把大系统分析方法应用于水资源系统，这标志着系统分析方法在水资源方面的应用发展到了一个新的阶段。之后1 9 8 4 年a d i g u z e l ，r j 等发表t ad e s c r i p t i v e d e c i s i o n p r o c e s sm o d e lf o rh i e r a r c h i c a lm a n a g e m e n to fi n t e r c o n n e c t e dr e s e r v o i rs y s t e m s 使非线性大系统模型的梯度法广泛的得以应用。1 9 9 4 年国际土壤改良回垦机构( i l r i ) 发动的由各个大学的研究机构的科学家、工程师和排水专家一起在纽西河海大学硕士学位论文兰出版了d r a i n a g ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n s ，书中详细地介绍了世界各国先进的排水方法、成功的排水工程及排水工程对环境的影响。1 9 9 9 年e r i kr i s t e n p a r t 应用系统分析的方法建立了城市排水模型，这个模型以可持续发展为理念，除了考虑尽快地排除涝水之外同时考虑如何回收处理利用这些涝水，在水资源短缺的今天，这个模型在西方很多国家得以应用，效益也是十分显著的。2 0 0 2年sb o u a r f a 等人对摩洛哥的g h a r d 平原的排水系统采用系统分析的方法进行设计，最后采用了地面排水和浅地表排水两种方式。可以说到现在，系统分析在灌排系统的规划设计和管理运行方面以及灌排区的水土资源开发利用和环境保护等各个领域都有广泛的研究和应用。一些技术先进的国家如日本、美国还将系统分析与自动控制结合起来，进行灌排系统优化供水、配水和排水的自动化。国外对系统分析在城市排水管网和农田田问排水沟( 管) 网优化设计方面研究比较多，如s k a g g sr w 在1 9 8 2 年对排水系统最优化规划设计进行了论述。对于除涝排渍标准的研究也有许多创新，如r o j a s 和w i l l a r d s o n 以作物受淹历时加表层土壤通气率达1 0 的时间作为总排水时间建立作物减产关系，将农田的除涝与排渍统一起来进行排水工程规划设计。1 3 2 国内除涝排水工程系统分析研究动态我国古代就运用系统工程思想来解决排水工程规划设计或管理运行的问题。相传在夏商时期黄河流域就已出现了“沟洫”，即古代兼作灌溉排水的渠道。而利用系统分析的方法解决灌区的排水工程、平原圩区的除涝规划、设计和管理运行问题在我国还是近3 0 年发展起来的。系统工程在我国水利水电工程中得到比较广泛的研究和应用是在7 0 年代。虽然起步较晚，但近几年的发展速度并不慢，无论是应用研究的广度和深度、理论方法的进展和创新以及给生产实践带来的效益等方面，都取得了显著的成果。许多的专家学者都致力于将系统分析方法应用于除涝排水方面：如1 9 8 2 年管声明发表了用线性规划方法推算平原湖区最优猎方案；1 9 8 3 年郭元裕、白宪台、钱绪来在武汉水利电力学院学报上发表了确定南方平原湖区最优水面率的线性规划模型及其求解方法；同年丁孟春从总体最优着眼寻求一个效益相同工程总投资最小的排涝最优规划方案，建立了动态规划模型并把该模型应用于洞庭湖区圩垸的排涝规划中；1 9 8 4 年自宪台等建立了平原第一章绪论圩区除涝系统最优规划的非线性模型；1 9 8 6 年郭元裕、邹时民等在水利学报发表了大系统多目标优化理论在洞庭湖区圩垸排涝规划中的应用；陈晓平、郭元裕等在1 9 8 8 年发表了大通湖垸除涝系统汛期优化调度的研究o 在非线性大系统模型中应用比较广泛的拉格朗日乘子法和梯形法只能适用于目标函数和约束条件能构成函数表达并且可以求导的情况，对于通常不能用函数表达的除涝模型它是无能为力的，郭元裕等用线性逐时段协调的方法，首先以一种具有实际意义的物理量即除涝排水中可供调配的时段水量作为协调变量，以各个子系统蓄排单位水量所需的费用作为下一层子系统向上一层反馈，然后逐层优化反复协调，确定时段内涝渍在各个子系统间的最优分配。这一方法巧妙的解决了除涝系统数学模型不可导的递阶协调问题，取得了满意的结果。从而使大系统这种系统方法在除涝排水这方面有了很快的发展。除了线性规划法、非线性规划法、动态规划法、大系统分解协调和多目标规划法等各种常规的系统分析方法应用于除涝排水系统，模拟技术、神经网络技术等各种单独的或相互结合的优化模型和技术都在这个领域有了很好的发展：白宪台、关清滔等建立了平原湖区除涝系统优化调度的大系统模拟模型，1 9 9 0 年白宪台、龙子泉等对平原湖区除涝优化调度的随机方法进行了研究，1 9 9 8 年王士武等将神经网络方法应用于湖区的除涝排水系统的实时调度。同时对各种方法都建立了比较真、比较通用的数学模型和电算程序，在结合生产、解决实际问题上发挥了重要作用。目前系统分析法在除涝排水方面的应用有：( 1 ) 除涝排水系统的最优规划、最优扩建及改建规划的研究和应用。除涝排水工程布局和规模的最优化，通过优化计算同时确定除涝排水系统中各组成部分的最优布局和主要工程规模；某些重要技术指标的最优化，如最优水面率、干沟最优水位控制等。近几十年以来主要是针对南方平原地区如浙江滨海围区、湖北江汉平原四湖地区、湖南洞庭湖地区、安徽巢湖地区、广州珠江三角洲等，分别研究了湖区最优水面率的问题，排水干河水位优化设计问题，泵站装机优选问题，应用大系统多目标优化理论进行大面积圩区和多片圩联合运行的除涝系统最优规划问题，海涂垦区除涝排水系统最优规划及挡潮排水闸的合理布局分析问题，暗管排水系统最优规划问题，此外还有利用整数规划法优选排水工程设计标准等。( 2 ) 除涝排水系统最优调度运行。通过对已建系统进行优化调度，使之在一定河簿太学硕士学位论文效益下的能源消耗、防汛费用、受涝损失等项费用和损失最小，并在满足除涝要求下充分发挥综合效益。在这方面已分别采用确定性和随机型数学模型以及模糊规划法研究系统的优化调度规则、优化调度方案以及优化调度方法等。如抽水量最优空问分配模型研究，随机动态规划模型研究，应用确定型和随机型大系统分解聚合方法进行平原湖区河闸站系统联合调度和调蓄水域的综合利用研究。f3 ) 除涝经济分析与除涝标准的优选及水土资源综合开发利用最优规划。包括湖泊等调蓄水域的综合开发利用；除涝系统在灌溉、航运、改善生态环境等方面的综合利用。应该指出系统分析方法在灌溉排水工程的应用已取得了很大的进展。目前，国内大片的平原的除涝排水系统工程都有了一定的基础，但问题还是存在的。正如前面所说我国还有不少地区尚未达到基本的设计标准( 5 一1 0 年一遇) ，有些地区除涝系统中各项工程的规模和布局不够合理以至没能充分发挥工程的效益，部分地区大面积的水质污染严重地影响排水区内居民的生活和生产用水，对不少已建除涝排水工程的调度运行加强管理也是当务之急。里下河地区是个多灾之地，而且每次灾害发生之后都要进行一次大的治理，现已形成了湖泊、河网、抽排站、排水闸配套基本上满足“上抽、中滞、下排”的排水系统整体。但1 9 9 1 年的严重涝渍灾害表明该系统还存在着一些问题。本文就是基于里下河地区的一些情况建立涝渍灾害联合治理的数学模型以期给决策者对该地区的涝渍治理提供依据。1 4 论文的研究内容对于我国大部分地区来说发生涝渍水的机率要比发生洪水的机率大，地域也更加的广泛。尤其是经济快速发展的今天，不单农村会经常因一场暴雨而发生涝渍现象，城市因为发展太快基础设施没有跟上也经常发生涝渍现象。由于涝溃灾害的受灾程度小于洪灾确切的说是涝渍造成的灾害有滞后性、隐蔽性，人们往往只看到洪水带来的瞬时的危害而忽视了涝渍灾害，因此在排水历史上历来都侧重于防洪排水。直到近几十年来认识才有所扭转，排除地下水和土壤水等科学技术在近几十年发展比较快，对涝渍灾害的研究也渐渐的多了起来。如国内外很多的专家学者对涝渍对作物的危害，如对棉花、小麦、水稻、大豆等等做了很多的研究。人们开始认识到消除涝渍灾害的重要性。第一章结论我国经济呈现出周期性波动的特征，而影响周期性波动的重要原因是农业波动，农业波动的重要因素是自然灾害，这样就形成了自然灾害对经济影响的环链。里下河地区系江淮平原，由长江、淮河及黄河泥沙长期堆积而成，四周高，中间低，呈碟型，俗称“锅底洼”，是涝渍灾害高发区。因此涝渍灾害就成为影响该地方社会经济发展的重要外部因素之一。里下河地区还是江苏省重要的棉粮产地，该地区经济以农业经济为主，因此其经济也符合上述的影响环链。该地区是江苏省的商品粮基地、主要的商品棉生产基地和新兴的水产养殖基地，要建好这些基地的基本条件是要进行洪、涝、渍、旱灾害的治理。本文针对里下河地区涝渍优化规划问题进行研究，给决策者以参考，以促进该地区抗涝渍能力的提高。论文的研究内容主要包括：1 、绪论。介绍涝渍灾害的危害成因、我国在涝渍灾害治理中存在的问题及除涝排渍工程的国内外的研究。洪，涝、渍害是一种地域性广泛的自然灾害，涉及各个行政区域，影响各个行业。防洪除涝工程是保障社会经济安全和稳定发展的重要基础设施。因此大力发展防洪除涝除渍对我国经济尤其是农业生产的发展具有十分重要的意义。2 、涝渍规划设计的原则、标准和方法。主要介绍了除涝降渍规划的原则及涝渍流量的计算方法。这是涝渍治理的依据。涝渍规划设计措施必须从实际出发，从调查研究人手，收集和分析有关资料，根据各地的具体条件来具体解决。但基本的涝渍规划设计原则、标准和方法是相同的。3 、建立除涝排水优化规划模型。涝水优化规划模型包括线性的、非线性的、随机模型等等。除涝排水工程规模( 尺寸) 与投资之间常常为非线性关系，有些甚至是隐性的关系，某些除涝措施的排( 蓄) 水量和尺寸之间也为非线性关系，而且比较复杂，动态规划模型对于解决例如资源分配问题、投资分配问题、最优路线问题等比较方便有效，因此采用动态规划模型来解决较为适宜。本章研究了涝渍排水联合治理优化数学模型的建立及求解方法。4 、实例分析。介绍了里下河地区的概况，应用动态规划模型来解决里下河地区的涝渍灾害。从分析的结果看现状工程的除涝能力能满足十年一遇的涝渍灾害，但不能满足更高的除涝标准。鉴于水利工程在减灾中存在的不足，提出了相应的河海大学硕士学位论文管理措施，如运行调度管理等。5 、结论与展望。对模型的不足以及今后的改进加以论述。第二章陈涝排水觇划垃1 1 的原则标准和方法第二章除涝排水规划设计原则、标准和方法涝渍的成因有很多，各个地方的自然条件如气候、地形等不相同，各地现有的水利工程、管理水平及抗涝渍的要求等也都会存在差异，因此涝渍规划设计措施必须从实际出发，从调查研究人手，收集和分析有关资料，根据各地的具体条件来具体解决。但基本的涝渍规划设计原则、标准和方法是相同的。2 1 除涝排水系统的组成特点除涝排水系统一般包括排水区内的排水沟系、蓄水设施、出口的排水枢纽、防止高地洪水入侵的撇洪沟及排水区外的容泄区等。根据各类工程的功能，系统组成可概括为图2 1 的模式。田问排水系统：由农沟及农沟以下田间工程组成，主要用于排涝和防渍输水、蓄水工程出口枢纽工程撇洪沟或截流沟：容泄区：干、支、斗沟：起输水和调蓄作用滞涝湖泊：包括常年蓄水的湖，大水年才用的备蓄湖以及鱼池、莲花池等，主要起调蓄作用内排站( 二级站) ：将低洼农田涝水提排入骨干河道或内湖排水闸或挡潮排水闸：将排水区内涝水自排人外河外排站( 一级站) ：将排水区内涝水提排人外河拦截高地暴雨径流直接排入外河容纳并排泄由排水区排出水量，一般是河流、湖泊或海洋翻2 1 除涝排水系统组成模式除涝排水系统的特点按其所在位置的地形、水系等条件，可以分为三类：南方平原圩区( 湖) 区。主要指长江中下游沿江和滨湖一带的圩( 湖) 区。该地区雨量充沛，土壤肥沃，河网纵横，湖泊星罗棋布，是重要的农副业基地。但地势低洼，周围以提防与外江( 湖) 相隔，汛期外江水位常常高于圩内田面高程，自排困难，多数情况要利用圩内湖泊、河网滞蓄和泵站抽排。( 2 ) 滨海圩区与海涂垦区。该区河网密布，雨量极其丰沛，4 6 月份为梅雨期，除涝排水河海大学硕士学位论文7 1 0 月份为台风期。地面高程大多在当地高低潮位之间，靠堤防与外河、外海相隔，干河出口处挡潮排水闸。低潮时开闸排水，高潮时关闸挡潮拒咸。( 3 ) 北方平原低洼易涝地区。主要指黄淮海平原、松辽平原和三江平原等。这类地区大都属于平原坡水区，有一定自排条件，但外河水位顶托严重，排水不畅，目前主要依靠自排。部分地区土质粘重，土壤水分不易排出，造成土壤过湿。不少地区存在盐渍化问题，三江平原等地还有沼泽化问题。一般圩区平面布置图可概括成图2 2 。匡z ；幺一一城镇重至虽一水田渠道三水面叵盈早作农田q 抽排站忑蛩排水闸一一内河图2 2圩区平面示意圩区内部的水运动，是指某圩区范围内各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。圩区内部的水循环亦服从质量守恒定律，整个循环过程保持着连续性。从圩区范围来讲，该循环过程可设想从水面蒸发开始；蒸发的水汽升人空中，并被气流输送至圩区内各处，一部分留在水面上空，一部分深入地面，在适当条件下，这些水汽凝结降水。其中水面上的降水直接回归水体，降落到陆地表面的雨雪，除重新蒸发升入空中的水汽外，一部分被植物吸收，一部分成为地面径流第二章除涝排水规划设计的原则标准和方法补给江河、湖泊，另一部分渗入岩土层中，转化为壤中流与地下径流，最后亦流入圩区内的蓄水体，构成圩区统一、连续有序的动态系统。圩区内部的水循环可概化如图2 3 所示。3si )图2 3 圩区内部水运动概化2 2 除涝排水规划原则我国是一个农业大国，数千年来我们的祖先在发展农业的同时一直和水旱灾害进行着不懈的斗争，创造和积累了许多宝贵的治水经验，在除涝排水方面的原则有：( 1 ) 分片排涝，等高截流。等高截流、分片排涝、高水高排、低水低排是除涝排渍规划的一项重要原则。不然，高地的水流人低地，再统一排除必然会增加低地排涝的负担和排涝能耗。( 2 ) 留湖蓄涝，排蓄结合。平原湖区在外江水位高于圩区地面高程时，排水系统及排水闸不能自流外排，此时应充分利用圩区原有的湖泊洼地滞蓄闭闸期间的全部暴雨涝水或部分涝水，以降低抽排流量，这是圩区行之有效的重要除涝措施。河诲大学硕士学位论文但是随着人口的增加、工农业生产的发展，许多地方政府、群众利用荡区作为其增加收人的来源，湖泊被圈允许发展，调蓄面积锐减。像里下河地区1 9 6 5 年有湖荡面积1 0 7 3 l b ，1 2 ，19 9 7 年只剩下3 8 4 h 2 。在这种地方，一方面要适当的退田还湖，留足蓄涝面积，或设置预备湖进行滞涝垦殖；另一方面也可开挖排水河网，以分散的河