一种提升平原防洪排涝能力的方法转让专利
申请号 : CN202110162922.2
文献号 : CN112906316B
文献日 : 2022-02-01
发明人 : 余文公
申请人 : 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)
摘要 :
权利要求 :
1.一种提升平原防洪排涝能力的方法,其特征在于,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,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;
其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,同时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率,而在所述惯性波区加强联通性整治和调整相应水域面积;
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容积率,而在所述惯性波区相应调整水域,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;
其中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现状;
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净雨.规划,再乘上集水面积F,然后与现状河网情况一潮内或可排时间内的排涝水总量W现状的差值,作为加大水域容积的理论容量W理论;
W理论=H净雨.规划F‑W现状 (4)
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;
A、在大小上:设计扩大容量为1.1倍以下理论容量W理论,在形式上:采用集中布置蓄滞洪区;
B、在大小上:设计扩大容量在理论容量W理论以下,在形式上:采用分散布置形式拓宽局部冲刷的河段形式或加强连通性扩大相应水域容积形式。
2.根据权利要求1所述的一种提升平原防洪排涝能力的方法,其特征在于,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河床接近于零: (1)
2)河网水流运动形成水面附加比降 : (2)其中, 为水利工程运行引起的某河道两断面之间水面高差;
∆L为顺水流方向两河道断面之间距离;
3)下游潮水边界 变化:
(3)
其中,为时间, 为平均海平面,为分潮序号数,为节点因子, 为分潮角速度;
为分潮初相,其中 为初始相位,为相位校正因子; 、 均为分潮调和常数,其中, 为分潮振幅, 为迟角;
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。
3.根据权利要求1所述的一种提升平原防洪排涝能力的方法,其特征在于,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,其中所述预定平原河道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。
4.根据权利要求3所述的一种提升平原防洪排涝能力的方法,其特征在于,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。
说明书 :
一种提升平原防洪排涝能力的方法
技术领域
背景技术
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。
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
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。
的总体防洪排涝能力。
Hk为分潮振幅,gk为迟角;
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;
界,最终将所述平原河网划分为扩散波区和惯性波区。
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;
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;
道高程系统的重朔或更新迭代。
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现状;
积的理论容量W理论;
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;
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
具体实施方式
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。
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。
原河网总体防洪排涝能力。
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。
Hk为分潮振幅,gk为迟角;
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。
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;
波,详见表1。
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。
边界,最终将所述平原河网划分为扩散波区和惯性波区。
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。
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扩散波区)(图2)。另一种远离排涝闸(泵)站的区域河网,水面基本上接近水平,
比降较小(约万分之一)的区域,洪水波主要以惯性波形式运动,这个区域的水流特征是只
有中泓水质点的移动,河道断面平均流速小,水深基本维持不变,这个区域定义为平原河网
惯性波区(面积为F扩散波区)(图2)。
容积率,而在所述惯性波区相应调小水域面积。
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。
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现状;
积的理论容量W理论;
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;
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。
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。
面积400km ,在满足蓄滞洪区设置规范前提情况下,根据研究区水动力分区结果见图2,将
蓄滞洪区选址方案分为四种情况:蓄滞洪区在扩散波区内、在两区交界处和在惯性波区内,
并另加一种分散在扩散波的布置方式,研究如何布设蓄滞洪区使其提升平原防洪排涝能力
效果最好。其中,方案一蓄滞洪区位于滨海侧和二个主要排涝闸之间,口门与行洪排涝通道
相连;方案二蓄滞洪区位于扩散波区与惯性波区分界边界的扩散区内,口门与主要行洪排
涝通道相连;方案三蓄滞洪区位于惯性波区内;方案四将蓄滞洪区分为四块,分散布置于扩
散波区域内。其中,方案一、二、三是集中设置蓄滞洪区的方案,方案四是分散布置的情况。
各方案选址位置见图3。
置方案。
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。