CN109919397A - 平原河网地区排涝容量校验优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平原河网地区排涝容量校验优化方法，S1、采集河网地区排涝容量校验优化模型所需的基础数据；S2、建立所述河网地区设计暴雨洪涝水过程与外江水位遭遇点的识别方法；S3、建立排涝工程布局和排涝调度方案；S4、建立并存储河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型；S5、求解河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型；S6，生成并输出河网地区的排涝容量及排涝调度方案。本发明基于平原河网地区洪、涝、潮遭遇特性，通过对洪水、涝水、潮水的遭遇点识别，建立平原河网地区排涝容量的校验优化模型，确定平原河网地区的排涝工程布局和排涝容量优化决策策略，为实现平原河网地区的排涝工程布局和排涝容量优化提供了一种有效途径。

Description

平原河网地区排涝容量校验优化方法

技术领域

本发明涉及水利工程中的河网排涝领域，尤其是涉及平原河网地区排涝容量校验优化方法。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的持续高速发展和城镇化的持续高效推进，由极端性暴雨和台风雨等天气形成的洪涝灾害损失较为严重，合理规划设计河网排涝调度方案和优选排涝容量，对于解决河网地区洪涝灾害问题具有非常重要的意义。一方面，平原河网地区和滨海感潮地区是我国社会经济较为发达区域，城市化程度较高，城市排水管网较为完善，区域内排涝问题显得更为重要；另一方面，合理的规划排涝容量需要充分考虑河道和其他水体的调蓄能力以及河道的过流能力，这就需要进一步采用多种方法校验确定合理的排涝容量和排涝调度方案。

文献研究表明，现有的平原河网地区排涝工程规划设计通常采用水量调蓄法或者水动力学法。如学者邴建平等人将河网概化为蓄水湖泊，建立了基于闸泵联合运用的平原感潮区排涝分析计算方法，可作为平原感潮区排涝规划和排涝工程设计的参考；学者李毓湘等人对珠江三角洲河网区河道进行了概化，建立了水动力学模型，并采用实测资料对模型参数进行了率定。然而，水量调蓄法和水动力学法均存在一定的局限性：水量调蓄法将河网概化为调蓄湖泊，充分考虑了河道及其他水体的调蓄能力，排涝工程总体布局和方案切合实际，但无法考虑河道的过流能力与排涝能力的相互衔接；水动力学法将河网概化为拓扑结构，考虑了河道的实际过流能力和水流约束条件，但不能充分考虑河道和其他水体的调蓄作用，排涝容量会比实际偏大。因此，在排涝工程布局和排涝容量优选时，如何充分考虑河道和其他水体的调蓄能力以及河道的过流能力，使得排涝工程的布局和规模更切合实际，并综合考虑排涝调度运用、河道景观水位等综合作用，是本领域研究和实践中的重点和难点。

发明内容

本发明目的在于提供一种平原河网地区排涝容量校验优化方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述平原河网地区排涝容量校验优化方法，包括下述步骤：

S1、采集河网地区排涝容量校验优化模型所需的基础数据，即：河网地区的设计暴雨、河网水系、现状排涝工程规模、河道地形参数、闸门和泵站规模、外江潮水位过程数据；

S2、建立所述河网地区设计暴雨洪涝水过程与外江水位遭遇点的识别方法，即：以气象成因分析法、数理统计法、模糊数学法、图形分析法为基础，对河网地区的暴雨洪涝水和外江潮位遭遇特点进行分析，从防洪排涝挡潮安全角度考虑，识别河网地区的洪水、涝水、潮水的最不利遭遇点；

S3、建立排涝工程布局和排涝调度方案，即：基于河网拓扑结构和现状排涝工程布局，根据河网地区的洪水、涝水、潮水的所述最不利遭遇点识别结果，计算相应设计标准的洪水、涝水、潮水过程，同时结合河道排涝控制水位指标，拟定河网地区排涝工程布局和排涝调度方案；

S4、建立并存储河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：基于河网水量平衡和排涝节点水量平衡原理，结合排涝工程布置及河道过流能力，以现状排涝工程排涝能力为基础，以河网水量平衡和节点水量平衡、河道关键节点过流能力、排涝特征水位为约束，计算排涝水位和排涝容量，构建河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型；

S5、求解河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：选用排涝风险最小、节点排涝容量最小、排涝工程布局最优为评价指标，针对自排和抽排多种排涝组合的计算方案，通过分析河道调蓄能力、河道关键节点过流能力、排涝工程排水能力的相互关系，计算上述各方案的优劣排序，拟定适宜河网地区的排涝工程布局和排涝节点的排涝容量，支持河网地区排涝工程优化决策；

S6，生成并输出河网地区的排涝容量及排涝调度方案，即：以河网地区优选的排涝工程布局、排涝容量及其各节点的排涝工程调度模式，展示最优的河网地区排涝调度方案。

所述河网地区的所述河网水量调蓄及水动力学校验模型的约束条件为：

（1）河网滞蓄水量平衡约束：

；

式中：V_t-1，V_t分别为时段t-1、时段t河道的滞蓄水量（m³）；q_t-1，q_t分别为时段t-1、时段t涝水流量（m³/s）；Q_t-1，Q_t分别为时段t-1、时段t排水流量（m³/s）；T为计算时段（h）；

（2）排涝节点水量平衡约束：

河道交叉处水位处处相等，水量连续：

；

；

式中:Z₁，Z₂，……，Z_N为汇合处各河道水位（m）；Q₁ 、Q₂……，Q_N为各河道进入（取正号）或流出（取负号）汇合区流量（m³/s）；A为汇合区面积（m²）；

—节点水位变化率（m/s）；

（3）水位约束

；

；

式中，、分别代表排涝计算起始水位及排涝期末河道最高水位；、分别代表河道常水位及排涝最高控制水位；

（4）流量约束

；

；

；

式中：节点过水流量，代表节点最高水位下的过流能力；代表第i个闸门的出流流量，代表第i个闸门最高水位下的最大泄流能力；代表第i个泵站的出流流量，代表第i个泵站最高排水能力。

本发明优点是基于平原河网地区洪、涝、潮遭遇特性，通过对洪水、涝水、潮水的遭遇点识别，建立平原河网地区排涝容量的校验优化模型，采用专家经验修正法进行求解，确定平原河网地区的排涝工程布局和排涝容量优化决策策略，为实现平原河网地区的排涝工程布局和排涝容量优化提供了一种有效途径。

附图说明

图1 是本发明实施例排涝区的河道交叉节点示意图。

图2是本发明实施例用于排涝区排涝容量校验优化流程图。

图3 是本发明实施例用于排涝区的调蓄湖泊概化图。

图4 是本发明实施例用于排涝区的河网拓扑概化图。

图5 是本发明实施例用于模型优化求解计算的流程图。

图6.1是本发明实施例用于排涝容量计算结果图（自排条件）。

图6.2是本发明实施例用于排涝容量计算结果图（抽排条件）。

具体实施方式

为便于对本发明的进一步理解，现以广州番禺蕉东联围排涝区为例作进一步详细说明：

如图1-图6.2所示，本发明所述河网地区排涝容量的校验优化方法，按照下述步骤进行：

S1、采集河网地区排涝容量校验优化模型所需的基础数据，即：采集广州番禺蕉东联围排涝区的设计暴雨、河网水系、现状排涝工程规模、河道地形参数、闸门和泵站规模、外江潮水位过程数据；

S2、建立广州番禺蕉东联围排涝区设计暴雨洪涝水过程与外江水位遭遇点的识别方法，即：以气象成因分析法、数理统计法、模糊数学法、图形分析法为基础，对所述地区的暴雨洪涝水和外江潮位遭遇特点进行分析，从防洪排涝挡潮安全角度考虑，识别所述河网地区的洪水、涝水、潮水的最不利遭遇点。通过对广州番禺蕉东联围排涝区洪、涝、潮遭遇点识别，选定涝水过程和外江潮位高潮位、最高潮位过程遭遇点；

S3、建立排涝工程布局和排涝调度方案，即：根据所述地区的洪水、涝水、潮水的最不利遭遇点识别结果，计算20年一遇设计标准的涝水和外江潮位演变过程，同时结合河道排涝控制水位指标，拟定广州番禺蕉东联围排涝区排涝工程布局和洪涝水排涝调度方案；

S4、建立并存储所述地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：基于河网水量平衡、排涝节点水量平衡、水动力学原理，结合排涝工程布置及河道过流能力，以现状排涝工程排涝能力为基础，以排涝风险最小、节点排涝容量最小、排涝工程布局最优为目标，以河网水量平衡和节点水量平衡、河道关键节点过流能力、防洪排涝特征水位为约束，计算防洪排涝水位，分析排涝风险，构建所述地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型；

其中，所述地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型的主要约束条件为：

（1）河网滞蓄水量平衡约束：

式中：V_t-1，V_t分别为时段t-1、时段t河道的滞蓄水量（m³）；q_t-1，q_t分别为时段t-1、时段t涝水流量（m³/s）；Q_t-1，Q_t分别为时段t-1、时段t排水流量（m³/s）；T为计算时段（h）；

（2）排涝节点水量平衡约束：

如图1所示，河道交叉处水位处处相等，水量连续：

式中：Z₁、Z₂、……Z_N为节点处各河道水位（m）；Q₁ 、Q₂……Q_N为各河道进入（取正号）或流出（取负号）节点处流量（m³/s）；A为节点区面积（m²）；为节点水位变化率（m/s）；

（3）水位约束

式中，、分别代表排涝计算起始水位及排涝期末河道最高水位；、分别代表河道常水位及排涝最高控制水位；广州番禺蕉东联围排涝区排涝计算起始水位为-0.5m，排涝期末河道最高水位为1.0m；

（4）流量约束

式中：节点过水流量，代表节点最高水位下的过流能力；代表第i个闸门的出流流量，代表第i个闸门最高水位下的最大泄流能力；代表第i个泵站的出流流量，代表第i个泵站最高排水能力；

S5、求解所述地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：选用排涝工程布局最优、节点排涝容量最小为评价指标，针对自排和抽排等多种排涝组合的计算方案，通过分析河道调蓄能力、河道关键节点过流能力、排涝工程排水能力的相互关系，计算上述各方案的优劣排序，拟定适宜所述地区的总体排涝布局和排涝节点的排涝容量，支持河网地区排涝工程优化决策。通过求解所述地区河网水量调蓄及水动力学校验模型，提出最优的河网排涝容量，该方案的排涝容量合计为149m³/s。经专家经验修正，优选每个排涝节点的排涝容量，如东涌、官坦涌、茂丰涌的规划排涝容量分别为15m³/s、15 m³/s、17 m³/s；

S6、生成并输出河网地区的防洪排涝调度方案，即：以所述地区优选的排涝工程布局、排涝容量及其各节点的排涝工程调蓄模式，展示最优的河网地区排涝调度方案。

本实施例分析如下：

（1）洪涝潮遭遇点识别

根据广州市气象站、市桥气象站和三沙口水位站、浮标厂水位站近50年的暴雨和潮位资料分析，年最大24小时暴雨与外江潮位遭遇以随机因素占主导地位。浮标厂站超过2.00m的日高潮位与20年一遇暴雨的遭遇频率为5%，三沙口站超过1.86m的多年最高潮位与20年一遇暴雨遭遇频率为0，与年最大24小时暴雨遭遇频率接近5%。因此，蕉东联围的年最大24小时暴雨与外江日高潮位和多年最高潮位遭遇的频率不同，遭遇点以过程遭遇为主，峰值遭遇频率很小，可作为以此作为选择排涝容量的参考。

（2）设计涝水和外江设计水位计算

根据番禺市桥气象站1963年～2004年的实测年最大24小时暴雨系列资料计算，20年一遇24h设计暴雨为290mm。采用综合单位线法和推理公式法等多种方法计算，20年一遇设计洪峰流量为269m³/s，设计水量为780万m³。蕉东联围排涝区的外江水位过程，选用三善窖站为依据站，以南沙站潮型为典型潮型拟定。

（3）排涝调度方案拟定

蕉东联围排涝区排涝起调水位为0.2m，排涝最高控制水位为1.0m。排涝区20年一遇涝水过程的洪峰遭遇外江高潮位均值过程，洪峰与潮峰同时遭遇，计算自排情况下的水闸规模；排涝区20年一遇涝水过程的洪峰遭遇外江年最高潮位过程，洪峰与潮峰基本遭遇，但不完全遭遇，计算河涌的最高水位，分析是否有泵排需要，并计算排涝容量。

（4）排涝容量及调度方案优化

如图6.1、6.2所示，根据调蓄计算结果，按照蕉东联围20年一遇24小时设计暴雨1天排完的排涝标准，蕉东联围排涝容量为149m³/s。拟定节点排涝容量，以及水闸泵站联合调度方式嵌入河网水动力学模型中各节点的运算过程中。经过优化比选，以河道的过流能力和最高排涝控制水位为目标，确定每个排涝节点的排涝容量，如东涌、官坦涌、茂丰涌的规划排涝容量分别为15m³/s、15 m³/s、17 m³/s，并制定排涝区排涝调度方案。

Claims (2)

1.一种平原河网地区排涝容量校验优化方法，其特征在于：包括下述步骤：

S1、采集河网地区排涝容量校验优化模型所需的基础数据，即：河网地区的设计暴雨、河网水系、现状排涝工程规模、河道地形参数、闸门和泵站规模、外江潮水位过程数据；

S2、建立所述河网地区设计暴雨洪涝水过程与外江水位遭遇点的识别方法，即：以气象成因分析法、数理统计法、模糊数学法、图形分析法为基础，对河网地区的暴雨洪涝水和外江潮位遭遇特点进行分析，从防洪排涝挡潮安全角度考虑，识别河网地区的洪水、涝水、潮水的最不利遭遇点；

S3、建立排涝工程布局和排涝调度方案，即：基于河网拓扑结构和现状排涝工程布局，根据河网地区的洪水、涝水、潮水的所述最不利遭遇点识别结果，计算相应设计标准的洪水、涝水、潮水过程，同时结合河道排涝控制水位指标，拟定河网地区排涝工程布局和排涝调度方案；

S4、建立并存储河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：基于河网水量平衡和排涝节点水量平衡原理，结合排涝工程布置及河道过流能力，以现状排涝工程排涝能力为基础，以河网水量平衡和节点水量平衡、河道关键节点过流能力、排涝特征水位为约束，计算排涝水位和排涝容量，构建河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型；

S5、求解河网地区的河网水量调蓄及水动力学校验模型，即：选用排涝风险最小、节点排涝容量最小、排涝工程布局最优为评价指标，针对自排和抽排多种排涝组合的计算方案，通过分析河道调蓄能力、河道关键节点过流能力、排涝工程排水能力的相互关系，计算上述各方案的优劣排序，拟定适宜河网地区的排涝工程布局和排涝节点的排涝容量，支持河网地区排涝工程优化决策；

S6，生成并输出河网地区的排涝容量及排涝调度方案，即：以河网地区优选的排涝工程布局、排涝容量及其各节点的排涝工程调度模式，展示最优的河网地区排涝调度方案。

2.根据权利要求1所述平原河网地区排涝容量校验优化方法，其特征在于：所述河网地区的所述河网水量调蓄及水动力学校验模型的约束条件为：

（1）河网滞蓄水量平衡约束：

；

式中：V_t-1，V_t分别为时段t-1、时段t河道的滞蓄水量（m³）；q_t-1，q_t分别为时段t-1、时段t涝水流量（m³/s）；Q_t-1，Q_t分别为时段t-1、时段t排水流量（m³/s）；T为计算时段（h）；

（2）排涝节点水量平衡约束：

河道交叉处水位处处相等，水量连续：

；

；

式中:Z₁，Z₂，……，Z_N为汇合处各河道水位（m）；Q₁ 、Q₂……，Q_N为各河道进入（取正号）或流出（取负号）汇合区流量（m³/s）；A为汇合区面积（m²）；—节点水位变化率（m/s）；

（3）水位约束

；

；

式中，、分别代表排涝计算起始水位及排涝期末河道最高水位；、分别代表河道常水位及排涝最高控制水位；

（4）流量约束

；

；

；

式中：节点过水流量，代表节点最高水位下的过流能力；代表第i个闸门的出流流量，代表第i个闸门最高水位下的最大泄流能力；代表第i个泵站的出流流量，代表第i个泵站最高排水能力。