CN110096670B - 调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法，采用本发明动态计算方法，可以得到渠道沿程断面的水位、流量、断面积的过程；各渠段汇入流量过程、承纳水体的水位过程；蓄水容积、蓄水增量的过程；调蓄池内外水位、削峰流量、库存水量的过程，以及降低被保护区域水位的情况，为最终确定渠道、进水溢流堰和调蓄池的规模提供了依据。本发明动态计算方法，不仅可以动态计算在渠道或管道设置雨水、污水调蓄池的运行效果，而且也可以动态计算在河道设置蓄洪区的运行效果。
Description
技术领域
本申请涉及防空减灾科学技术领域，尤其涉及调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法。
背景技术
我国是一个洪涝灾害频繁发生的国家，为了避免暴雨带来的洪涝灾害和利用暴雨水资源，设置调蓄池或分洪区是一个良好的解决方案，也是建设海绵城市的重要措施。削减峰值流量的调蓄池主要由调蓄池、渠道、进水溢流堰和排水闸(或泵站)组成。进水溢流堰位于调蓄池范围渠道的上游段，任务是将渠道的超额流量分洪到调蓄池，使渠道的流量控制在安全流量范围内。排水闸位于调蓄池范围渠道的下游段，任务是在洪水来临之前预留调蓄池或分洪区的存水空间，如果渠道下游段水位比调蓄池的水位低，则开闸放掉调蓄池的存水；如果渠道下游段水位比调蓄池的水位高，则开启泵站强排调蓄池的存水。
现行技术要求进入调蓄池的流量是高峰流量，没有说明进入调蓄池的流量必须是超额流量，致使高峰流量中非超额的流量也进入调蓄池，增加了调蓄池的负担，难免调蓄池发生对渠道或管道溢流排水，呈现水库“上吞下吐”的调洪模式(以下简称水库模式)，水库模式削减的峰值流量为入池峰值流量减出池峰值流量。而调蓄池只是储存超额流量的调洪模式(以下简称调蓄池模式)，削减的峰值流量则为入池峰值流量。因此，水库模式比调蓄池模式削减的峰值流量少了出池峰值流量，可以说，水库模式没有充分发挥调蓄池或分洪区的作用。
现行技术将进水溢流堰的堰顶高程规定为截流量雨天水位，有可能让非超额的流量也进入了调蓄池或分洪区，没有明确要求以降低被保护区域的水位为服务目标，不能清楚地反映降低被保护区域水位的情况，因而造成调蓄池对防治洪涝灾害的贡献模糊不清。例如，渠道或管道在受到下游承纳水体顶托的影响条件下，由于渠道或管道的安全流量相应减少、超额流量相应增加、渠道或管道的水位或测压管水头就会相应上升，因而按调蓄池容积公式计算得出的容积必然偏小，造成调蓄池的使用效果不佳。
尽管用数学模型计算调蓄池的方法很多，但并不是说都能很好地动态计算调蓄池只是储存来水流量中超额流量的效果。
发明内容
本发明提供了调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法，其特点是：以降低被保护区域水位为服务目标，以调蓄池或分洪区储存超额流量的过程结束、调蓄池或分洪区也基本达到设计水位为约束条件，并增加了数学模型《用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法》区间入流量、出流量影响的功能。通过数学模型计算，可以得到渠道或管道沿程断面水位、流量、断面积、蓄水增量的过程和调蓄池或分洪区的水位、削峰流量、库存水量的过程，以及降低被保护区域水位的情况，从而科学合理地确定进水溢流堰的堰顶高程和调蓄池或分洪区的容积。
其具体的技术方案如下：
调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法，所述方法包括：
基于圣维南基本微分方程组1.1以及1.2在Δt时段简化为水量平衡方程式1.3、动力方程式1.4和动力方程式1.5后求解得到水位；
增加区间入流量、出流量的方程式如下：基本原理是基于圣维南基本微分方程组1.1、1.2，通过在Δt时段简化为水量平衡方程式1.3、动力方程式1.4和动力方程式1.5后求解
其中，以上各式中：dL为渠段长；Δt为时段；Z为水位；Q为流量，q为区间入流流向，R为区间分流流量；W为渠段容积，渠段蓄水增量ΔW＝(W2-W1)；ΔZ为渠段，
为渠段平均流量；/>
为渠段平均流量模数；各量脚注1、2分别为时段初s-1、时段末s的时刻；g为水位重力加速度；v为流速；渠段蓄水增量ΔW1是在时段Δt内渠段总入流量与总出流量的差值，即由入流过程Q上1～Q上2与出流过程Q下1～Q下2所包围的水体；渠段蓄水增量ΔW2是在时刻t1的渠段水面线Z上1～Z下1和时刻t2的河段水面线Z上2～Z下2所包围的水体；
在计算断面为n时，需要有n-2个断面流量计算关系式求解方程；若以下游起始断面的编号为i＝1，依次往上游的断面编号则为i＝2、i＝3…i＝n-2、i＝n-1、i＝n；
当断面编号1＜i＜n时，若断面流量和渠段蓄水增量用二维数组表示，根据水量平衡方程式1.3，则断面i－1与断面i之间、断面i与断面i+1之间考虑渠段区间入流、出流影响时的水量平衡关系式分别为式1.6、式1.7：
(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))+
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.6)
(Q(i+1，s)+Q(i+1，s-1))-(Q(i,s)+Q(i,s-1))+
(q(i,s)+q(i,s-1))-(R(i,s)+R(i,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.7)
基于方程式1.6、方程式1.7得到方程式1.8：
2(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))-(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))+
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(q(i,s)+q(i,s-1)-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))+(R(i,s)+R(i,s-1))＝2(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt
……………………………………………………………………(式1.8)
若令：
aqujq＝[(Q(i-1,s))+Q(i-1,s-1))+(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))-
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))+(q(i,s)+q(i,s-1))+(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))-
(R(i,s)+R(i,s-1))]/2
……………………………………………………………………(式1.9)
式1.8可写成：
Q(i,s)＝(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt+aqujq-Q(i,s-1)
……………………………………………………………………(式1.10)
式中：以二维数组表达的流量Q，括号内的第一项为断面编号，第二项为时段Δt的初、末代号；以二维数组表达的蓄水增量ΔW，括号内的第一项为渠段下游断面编号，第二项为渠段上游断面编号；因此，渠道累计蓄水增量分别为方程式1.11以及方程式1.12：
式中：ΔA为过水断面积增量。
当已知条件为Q上1、Z上1、Q下1、Z下1、Q上2、q1、q2、R1、R2以及Z下2时，可依据渠段蓄水增量ΔW的关系求解Z上2和Q下2；
采用计算机编程技术，按上述关系调节Q下2值，在两种方式计算的渠段蓄水增量ΔW1和ΔW2基本相等的条件下，此时的Z上2和Q下2即为方程组的解。
动态计算的步骤如下：
步骤1：程序计算，输入渠道或管道各断面的编号和桩号、包括被保护区域在内的沿岸堤顶或路面高程、断面二维数组、糙率系数、初始水位和初始流量；输入各渠段或管段的来水设计流量过程和承纳水体的设计水位过程；输入进水溢流堰和调蓄池的计算参数，包括进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数，调蓄池的高程～容积关系、底板高程、设计水位及设计容积、初始水位和初始容积；输入程序计算步长dt、时段数s和蓄水增量1、蓄水增量2的允许误差值。程序计算结果为运用调蓄池后的渠道或管道各断面的水位、流量、断面积过程表，排水渠水量平衡过程表，调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量过程表，以及降低被保护区域水位的情况。
步骤2：如果调蓄池的最大库存水量不是略小于设计容积，则应调整进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数、或排水渠断面二维数组及其糙率系数，重复步骤1计算，直至得到调蓄池或分洪区在储存超额流量的过程结束时，调蓄池或分洪区的水位也应基本达到设计水位的结果。
步骤3：如果被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量不满足设计要求，则应考虑增加调蓄池和分洪区的设计容积，重复步骤1、2，直至被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量满足设计要求，从而最终确定调蓄池或分洪区、渠道、进水溢流堰的建设规模。
本发明所提供的方法至少具有如下技术效果：
1、不仅可以动态计算在渠道设置雨水、污水调蓄池的运行效果，也可以动态计算在河道设置蓄洪区的运行效果；
2、由于采取以调蓄池储存超额流量的过程结束、调蓄池内也基本达到设计水位为约束条件，因此，有利于安全运用调蓄池或分洪区，可以消除调蓄池或分洪区建设和管理外溢设施的费用。避免调蓄池或分洪区出现“上吞下吐”现象，最大限度地发挥调蓄池或分洪区防治洪涝灾害的作用。
3、由于进水溢流堰需要的堰顶高程较高，因此，可以将分洪区口门处的围堤改造成为进水溢流堰。与现行的临时爆破分洪方案相比，可以起到避免分洪失控风险和减少经费投入的作用；与现行的水闸分洪方案相比，可以起到自动控制分洪流量和减少经费投入的作用。
4、采用本发明方法，通过模拟调蓄池最大限度地降低被保护区域的水位，从而可以科学合理地确定调蓄池，既有利于精准防治城乡洪涝灾害，也有利于避免工程建设浪费。
附图说明
附图1为本发明实施例中渠段入流、出流示意图；
附图2为本发明实施例中程序计算框图；
附图3为本发明实施例中场景一调蓄池模式运用山塘的入、出流量过程图；
附图4为本发明实施例中场景一水库模式运用山塘的入、出流量过程图；
附图5为本发明实施例中场景一排水渠出口断面的水位、流量关系图；
附图6为本发明实施例中场景二排水暗渠出口断面水位、流量关系示意图。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征只是对本发明技术方案的说明，而不是限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征可以相互组合。
本发明实施例中调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法的程序计算框图(见附图2)该方法包括：
基于圣维南基本微分方程组1.1以及1.2在Δt时段简化为水量平衡方程式1.3、动力方程式1.4和动力方程式1.5后求解得到水位；
方程式如下：
其中，以上各式中：dL为渠段长；Δt为时段；Z为水位；Q为流量，q为区间入流流向，R为区间分流流量；W为渠段容积，渠段蓄水增量ΔW＝(W2-W1)；ΔZ为渠段，
为渠段平均流量；/>
为渠段平均流量模数；各量脚注1、2分别为时段初s-1、时段末s的时刻；g为水位重力加速度；v为流速；渠段蓄水增量ΔW1是在时段Δt内渠段总入流量与总出流量的差值，即由入流过程Q上1～Q上2与出流过程Q下1～Q下2所包围的水体；渠段蓄水增量ΔW2是在时刻t1的渠段水面线Z上1～Z下1和时刻t2的河段水面线Z上2～Z下2所包围的水体；
在计算断面为n时，需要有n-2个断面流量计算关系式求解方程；若以下游起始断面的编号为i＝1，依次往上游的断面编号则为i＝2、i＝3…i＝n-2、i＝n-1、i＝n；
考虑区间流量影响时，参考附图1渠段入流、出流示意图，当断面编号1＜i＜n时，若断面流量和渠段蓄水增量用二维数组表示，根据水量平衡方程式1.3以及附图1，则断面i－1与断面i之间、断面i与断面i+1之间考虑渠段区间入流、出流影响时的水量平衡关系式分别为式1.6、式1.7：
(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))+
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.6)(Q(i+1，s)+Q(i+1，s-1))-(Q(i,s)+Q(i,s-1))+
(q(i,s)+q(i,s-1))-(R(i,s)+R(i,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.7)
基于方程式1.6、方程式1.7得到方程式1.8：
2(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))-(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))+
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(q(i,s)+q(i,s-1)-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))+
(R(i,s)+R(i,s-1))＝2(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt
……………………………………………………………………(式1.8)
若令：
aqujq＝[(Q(i-1,s))+Q(i-1,s-1))+(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))-
(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))+(q(i,s)+q(i,s-1))+(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))-
(R(i,s)+R(i,s-1))]/2
……………………………………………………………………(式1.9)
式1.8可写成：
Q(i,s)＝(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt+aqujq-Q(i,s-1)
……………………………………………………………………(式1.10)
式中：以二维数组表达的流量Q，括号内的第一项为断面编号，第二项为时段Δt的初、末代号；以二维数组表达的蓄水增量ΔW，括号内的第一项为渠段下游断面编号，第二项为渠段上游断面编号；因此，渠道累计蓄水增量分别为方程式1.11以及方程式1.12：
式中：ΔA为过水断面积增量。
当已知条件为Q上1、Z上1、Q下1、Z下1、Q上2、q1、q2、R1、R2以及Z下2时，可依据渠段蓄水增量ΔW的关系求解Z上2和Q下2；
采用计算机编程技术，按上述关系调节Q下2值，在两种方式计算的渠段或管段蓄水增量ΔW1和ΔW2基本相等的条件下，此时的Q下2和Z上2即为方程组的解。由于计算过程复杂，因此，只有编程才能快速得出动态计算的结果。
关于计算进水溢流堰的流量，可按堰流流量公式1.13计算：
式中：
b为孔净宽，单位m；
n为孔数；
H0为包括行近流速水头的堰前水头，即H0＝H+v0 2/19.62，式中，H为堰前水头从堰顶起算的水深，单位m；
v0为行近流速，单位m/s；
m为自由溢流的流量系数，它与堰型、堰高等边界条件有关；
σs为侧收缩系数，它反映由于闸墩(包括翼墙、边墩和中墩)对堰流的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流能力的影响；
σc为淹没系数，当下游水位影响堰的泄流能力时，堰流为淹没堰流，其影响用淹没系数表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时σc＝1.0。
如果采用引渠将渠道或管道的超额流量引至进水溢流堰，则应在水力计算时考虑引渠的影响。
进一步来讲，动态计算的主要步骤如下：
步骤1：程序计算，输入渠道或管道各断面的编号和桩号、包括被保护区域在内的沿岸堤顶或路面高程、断面二维数组、糙率系数、初始水位和初始流量；输入各渠段或管段的来水设计流量过程和承纳水体的设计水位过程；输入进水溢流堰和调蓄池的计算参数，包括进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数，调蓄池的高程～容积关系、底板高程、设计水位及设计容积、初始水位和初始容积；输入程序计算步长dt、时段数s和蓄水增量1、蓄水增量2的允许误差值。程序计算结果为运用调蓄池后的渠道或管道各断面的水位、流量、断面积过程表，排水渠水量平衡过程表，调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量过程表，以及降低被保护区域水位的情况。
程序计算之前的准备工作：
确定设计标准。
量算集水区域计算参数，计算设计暴雨量。确定各渠段或管段来水设计流量过程和承纳水体的设计水位过程。
确定渠道或管道沿程断面编号、断面桩号、地面高程、断面形状数据、糙率系数n、并确定动态模拟时的初始水位和流量。
根据调查被保护区域发生洪涝灾害的情况，确定调蓄池的位置。
初步确定进水溢流堰和调蓄池的计算参数，包括进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数等；调蓄池的高程～容积关系、底板高程、设计水位等。调蓄池计算需要，确定程序计算步长dt、计算时段数s和蓄水增量1、蓄水增量2的误差值。
步骤2：如果调蓄池的最大库存水量不是略小于设计容积，则应调整进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数、或排水渠断面二维数组及其糙率系数，重复步骤1计算，直至得到调蓄池或分洪区在储存超额流量的过程结束时，调蓄池或分洪区的水位也应基本达到设计水位的结果。
步骤3：如果被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量不满足设计要求，则应考虑增加调蓄池和分洪区的设计容积，重复步骤1、2，直至被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量满足设计要求，从而最终确定调蓄池或分洪区、渠道、进水溢流堰的建设规模。
下面通过具体的应用场景来对本发明技术方案做进一步的说明：
场景一：
某小区排水渠全长1.45km，集水面积为1.21km2，其中，小区排水渠上游端连接的山塘(小水库)集水面积为0.44km2、汇入山塘的设计洪峰流量为21.491m3/s，原山塘设计水位19.718m、拦水坝高程20.219m，经检测鉴定为三类坝，存在溃坝的风险。排水渠上游端连接后山的山塘、下游端连接外海，排水渠上游端渠底高程为13.00m、下游端渠底高程为0.90m，排水渠坡降为8.35‰，山塘下游的内涝范围为排水渠桩号0km+824.1m～1km+017.7m，相应地面高程为8.02m～9.78m，经调查和模拟计算，内涝范围的最大积水深达1m左右，不发生内涝灾害时的排水渠安全流量约为17m3/s，即来水超额流量为4.491m3/s。
计算设计暴雨遭遇的外海设计水位为2.54m，汇入山塘的洪峰流量为21.491m3/s。
需要将原山塘改为多功能雨水调蓄池，目标是既要确保山塘防洪安全，又要提高削减洪峰的能力，使山塘下游不再发生内涝现象。
动态计算的准备工作简述如下：
根据暴雨设计标准，按照《广东省暴雨径流查算图表使用手册》的规定，计算得出山塘排水渠来水设计流量过程见附表1。
表1
根据外海典型的潮位过程，将外海设计水位替代潮位过程中的峰值，并对其过程线进行缩放得到外海设计水位过程，计算排水渠出口承纳水体的设计水位过程见附表1。
确定山塘范围的排水渠为钢筋混凝土矩形断面，净宽取1.60m、长112m、出口断面(桩号0km+000m)渠底高程15.00m、上游端断面(桩号0km+112m)渠底高程15.50m，断面编号数共计13。
为了确保拦水坝安全，规划要求拦水坝的高程降至18.50m，与规划山塘周边的陆域地面高程相等。取地面安全超高值为1.00m，因此，调蓄池的设计水位可定为17.50m，进水溢流堰的堰顶高程也应为17.50m，根据调蓄池的高程容积关系表得出相应的容积为6907.5m3。进水溢流堰设置在排水渠桩号0km+090m～0km+096m范围，确定溢流堰顶的宽度为5.56m。
确定程序计算步长dt＝h/3，时段数s＝72；确定排水渠蓄水增量1、2的允许误差为3m3；确定排水渠沿程断面的初始水位等于渠底高程、初始流量等于零，调蓄池的初始水位取15.00m、初始库存水量等于零。
动态计算输出排水渠沿程断面的水位、流量、断面面积过程表分别见附表2、附表3、附表4；排水渠水量平衡表见附表5；调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量表见附表6；排水渠边界条件见附表7、调蓄池的高程容积关系表见附
表8。
表2
表3
表4
表5
表6
表7
| 高程(m) | 容积(m3) |
| 15 | 0.0 |
| 15.5 | 767.5 |
| 16 | 2302.5 |
| 16.5 | 3837.5 |
| 17 | 5372.5 |
| 17.5 | 6907.5 |
| 18 | 8442.5 |
| 18.5 | 9977.5 |
| 19 | 11512.5 |
| 19.5 | 13047.5 |
| 20 | 14582.5 |
表8
分析结论：
1、确定的调蓄池调蓄池、进水溢流堰和配水渠的规模合适
拟定调蓄调蓄池的设计水位17.50m、容积6907.5m3；进水溢流堰的堰顶高程17.50m、宽5.56m；排水渠为钢筋混凝土矩形断面，净宽1.60m、长112m、下游端底面高程15.00m、上游端底面高程15.50m时，根据附图3显示，削峰流量可达4.874m3/s，满足削减来水超额流量4.491m3/s的要求；计算的削峰容积基本等于调蓄池的设计容积。
2、调蓄池模式运用山塘的效果明显优于水库模式
采用调蓄池模式运用山塘的削峰流量为4.874m3/s，削峰作用明显(见附图3)。在同等库容的条件下，采用水库模式运用山塘的削峰流量只有1.844m3/s，不满足削减来水超额流量4.491m3/s的要求(见附图4)。
究其原因，主要区别是水库的来水流量先入库再出库，若先期入库的水量使水库水位涨至溢洪道的堰顶高程，则后续入库的水量就会使水库呈现“上吞下吐”的滞洪现象，水库的实际削峰流量为入库与出库的峰值流量之差，因此，水库模式削峰的效率往往较差(见附图4)；而采用调蓄池模式运用山塘，只是让洪峰阶段的超额来水进入调蓄池，大部分属于安全流量范围的来水则经排水渠直接汇入下游排水渠，因而削峰效率相对较高(见附图3)。
值得注意的是，当渠道水位低于进水溢流堰的堰顶高程时，无超额流量进入调蓄池；当渠道水位高于进水溢流堰的堰顶高程时，有超额流量进入调蓄池，如果渠道水位达到最高水位，则进入调蓄池的流量为超额流量的峰值，调蓄池范围渠道下游相应的下泄流量则为设计的安全流量。
采用调蓄池模式运用山塘时调蓄池的设计水位为17.50m，而采用水库模式运用山塘时的设计水位将达到19.718m，说明采用调蓄池模式运用山塘降低了设计水位，起到了降低溃坝风险的作用。
水库模式运用山塘按式1.3进行调洪演算，水库溢洪道顶面高程取17.50m、溢洪道过流宽度为4.00m，调洪演算时山塘的初始水位预先降至15.00m。
3、不受被保护区域水位影响时的进水溢流堰高程
根据附表2和附表3绘制了的排水渠出口断面的水位、流量关系(见附图5)，明显呈现单一的线性关系，说明山塘下游排水渠的水位变化对山塘范围排水渠的影响可以忽略不计。由于进水溢流堰设置在山塘范围水渠桩号0km+090m～0km+096m，而内涝范围位于山塘下游排水渠桩号0km+824.1m～1km+017.7m，因此，进水溢流堰不受被保护区域水位的影响。
进水溢流堰只要能满足削减超额流量的要求，就是满足了山塘下游不再发生内涝现象的要求。进水溢流堰高程可取值为调蓄池的设计水位17.50m，根据附表5和附表6可以看到，排水渠的水位满足进水溢流堰的需要。
需要说明的是，在确定进水溢流堰高程、宽度、型式以及排水渠底标高、糙率的情况下，如果排水渠的宽度过宽，就会造成排水渠在进水溢流堰位置的水位偏低，削减的流量小于要求；如果排水渠的宽度过窄，则会造成排水渠在进水溢流堰位置的水位偏高，将会出现削减的流量大于要求。
场景二：
某路段美化绿化提升工程的排水暗渠全长2.485km，集水面积为0.545km2。排水暗渠断面为钢筋混凝土矩形断面，出口断面(桩号0km+000m)渠底高程0.00m、上游端断面(桩号2km+485m)渠底高程0.80m、渠底坡降为0.322‰，0km+000m～1km+100m暗渠净宽3m、净高2m，1km+100m～1km+578m暗渠净宽3m、净高1.5m，1km+578m～2km+485m暗渠净宽2m、净高1.5m，断面编号数共计54。
为了储存雨水浇灌路段的美化绿化提升工程，也为了缓解道路低洼段(桩号1km+750m～2km+150m)的内涝问题，拟兴建一座调蓄池，调蓄池底高程为-2.00m，调蓄池设计水位为2.00m，设计存水量为1440m3，调蓄池设置在桩号2km+100m～2km+150m范围。
需要确定进水溢流堰的堰顶高程、面宽，并模拟计算得到排水暗渠沿程断面的水位、流量、断面面积的过程，排水暗渠的水量平衡过程，调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量的过程，并分析说明拟兴建的调蓄池是否也可能起到防治内涝的作用。
按动态计算的准备工作简述如下：
根据暴雨设计标准，按照《广东省暴雨径流查算图表使用手册》的规定，计算得出排水暗渠各渠段的来水设计流量过程见附表9。
表9
根据外海典型的潮位过程，将外海设计水位替代潮位过程中的峰值，并对其过程线进行缩放得到外海设计水位过程，计算排水暗渠出口承纳水体的设计水位过程见附表9。
确定计算步长Δt＝h/3，时段数s＝72；确定排水暗渠蓄水增量1、2的允许误差为6m3；确定排水暗渠沿程断面的初始水位等于渠底高程、初始流量等于零，调蓄池的初始水位取-2.00m、初始库存水量等于零；确定进水溢流堰的堰顶高程为3.07m、堰顶宽3.40m。
动态计算输出排水暗渠沿程断面的水位、流量、断面面积过程表分别见附表10、附表11、附表12；排水暗渠水量平衡表见附表13；调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量表见附表14；排水暗渠边界条件及调蓄池削峰的效果见附表15、调蓄池高程容积关系表见附表16。
表10
表11
表12
表13
表14
表15
| 高程(m) | 容积(m3) |
| -2 | 0 |
| -1.5 | 180 |
| -1 | 360 |
| -0.5 | 540 |
| 0 | 720 |
| 0.5 | 900 |
| 1 | 1080 |
| 1.5 | 1260 |
| 2 | 1440 |
表16分析结论：
1、确定的调蓄调蓄池、进水溢流堰的规模合适
拟定的调蓄池容积1440m3、进水溢流堰的堰顶高程3.07m、宽3.40m，在设计条件下，道路低洼段(桩号1km+750m～2km+150m)的积水深度可降至0.15m以内，基本可以解决内涝问题。
2、受被保护区域水位影响时的进水溢流堰高程
根据附表10和附表11绘制的排水暗渠出口断面的水位、流量关系(见附图6)，明显属于非单一的关系，说明承纳水体的水位对排水暗渠的影响不能忽略。
由于被保护区域(即道路低洼段)位于排水暗渠桩号1km+750m～2km+150m，而调蓄池的进水溢流堰也设置在排水暗渠桩号2km+100m～2km+150m，因此，被保护区域水位对进水溢流堰的影响不能忽略。
由于排水暗渠的水位对应着多种可能出现的流量，因此，不如直接按照降低被保护区域水位的要求确定进水溢流堰的高程、宽度和型式。在此情况下，进水溢流堰的高程就不能等于调蓄调蓄池的设计水位，应比被保护区域1km+950m处的地面高程3.12m略低(见附表15)，进水溢流堰的堰顶高程取值为3.07m。
在选定进水溢流堰型式和宽度的情况下，如果进水溢流堰的堰顶高程过低，就会出现削峰流量超过要求；如果进水溢流堰的堰顶高程过高，则会出现削峰流量低于要求，甚至无水进入调蓄池。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改，包括采用特定符号、标记确定顶点等变更方式。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (1)
1.调蓄池削减峰值流量的一种动态计算方法，其特征在于，所述方法包括：
基于圣维南基本微分方程组1.1以及1.2在Δt时段简化为水量平衡方程式1.3、动力方程式1.4和动力方程式1.5后求解得到水位；
增加区间入流量、出流量的方程式如下：
其中，以上各式中：dL为渠段长；Δt为时段；Z为水位；Q为流量，q为区间入流流向，R为区间分流流量；W为渠段容积，渠段蓄水增量ΔW＝(W2-W1)；ΔZ为渠段，
为渠段平均流量；
为渠段平均流量模数；g为水位重力加速度；v为流速；渠段蓄水增量ΔW1是在时段Δt内渠段总入流量与总出流量的差值，即由入流过程Q上1～Q上2与出流过程Q下1～Q下2所包围的水体；渠段蓄水增量ΔW2是在时刻t1的渠段水面线Z上1～Z下1和时刻t2的河段水面线Z上2～Z下2所包围的水体；
在计算断面为n时，需要有n-2个断面流量计算关系式求解方程；若以下游起始断面的编号为i＝1，依次往上游的断面编号则为i＝2、i＝3…i＝n-2、i＝n-1、i＝n；
当断面编号1＜i＜n时，若断面流量和渠段蓄水增量用二维数组表示，根据水量平衡方程式1.3，则断面i－1与断面i之间、断面i与断面i+1之间考虑渠段区间入流、出流影响时的水量平衡关系式分别为式1.6、式1.7：
(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))+(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.6)
(Q(i+1，s)+Q(i+1，s-1))-(Q(i,s)+Q(i,s-1))+(q(i,s)+q(i,s-1))-(R(i,s)+R(i,s-1))＝2ΔW(i-1,i)/Δt
……………………………………………………………………(式1.7)
基于方程式1.6、方程式1.7得到方程式1.8：
2(Q(i，s)+Q(i，s-1))-(Q(i-1,s)+Q(i-1,s-1))-(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))+(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))-(q(i,s)+q(i,s-1)-(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))+(R(i,s)+R(i,s-1))＝2(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt
……………………………………………………………………(式1.8)
若令：
aqujq＝[(Q(i-1,s))+Q(i-1,s-1))+(Q(i+1,s)+Q(i+1,S-1))-(q(i-1,s)+q(i-1,s-1))+(q(i,s)+q(i,s-1))+(R(i-1,s)+R(i-1,s-1))-(R(i,s)+R(i,s-1))]/2
……………………………………………………………………(式1.9)
式1.8写成：
Q(i,s)＝(ΔW(i-1,i)-ΔW(i,i+1))/Δt+aqujq-Q(i,s-1)
……………………………………………………………………(式1.10)
式中：以二维数组表达的流量Q，括号内的第一项为断面编号，第二项为时段Δt的初、末代号；以二维数组表达的蓄水增量ΔW，括号内的第一项为渠段下游断面编号，第二项为渠段上游断面编号；因此，渠道累计蓄水增量分别为方程式1.11以及方程式1.12：
式中：ΔA为过水断面积增量;
当已知条件为Q上1、Z上1、Q下1、Z下1、Q上2、q1、q2、R1、R2以及Z下2时，依据渠段蓄水增量ΔW的关系求解Z上2和Q下2；
采用计算机编程技术，按上述关系调节Q下2值，在两种方式计算的渠段蓄水增量ΔW1和ΔW2相等的条件下，此时的Q下2和Z上2即为方程组的解；
其中，Q上1为入流过程时段初渠段所包围的水体，Q上2为入流过程时段末渠段所包围的水体，Q下1为出流过程时段初渠段所包围的水体，Q下2为出流过程时段末渠段所包围的水体，q1和q2分别为时段初和时段末之间的入流流向，R1和R2分别为时段初和时段末之间的分流流量，W1和W2分别为时段初和时段末之间的渠段容积，ΔZ1为时段初的渠段内水位差值，ΔZ2为时段末的渠段内水位差值，
为时段初渠段平均流量模数，/>
为时段末渠段平均流量模数，Q1为时段初渠段内流量，Q2为时段末渠段内流量；
动态计算的步骤如下：
步骤1：程序计算，输入渠道或管道各断面的编号和桩号、包括被保护区域在内的沿岸堤顶或路面高程、断面二维数组、糙率系数、初始水位和初始流量；输入各渠段或管段的来水设计流量过程和承纳水体的设计水位过程；输入进水溢流堰和调蓄池的计算参数，包括进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数，调蓄池的高程～容积关系、底板高程、设计水位及设计容积、初始水位和初始容积；输入程序计算步长dt、时段数s和蓄水增量1、蓄水增量2的允许误差值。程序计算结果为运用调蓄池后的渠道或管道各断面的水位、流量、断面积过程表，排水渠水量平衡过程表，调蓄池的内外水位、削峰流量、库存水量过程表，以及降低被保护区域水位的情况；
步骤2：当调蓄池的最大库存水量不是略小于设计容积时，则调整进水溢流堰的堰顶高程、宽度、流量系数、或排水渠断面二维数组及其糙率系数，重复步骤1计算，直至得到调蓄池或分洪区在储存超额流量的过程结束时，调蓄池或分洪区的水位也达到设计水位的结果；
步骤3：当被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量不满足设计要求时，则增加调蓄池和分洪区的设计容积，重复步骤1、2，直至被保护区域沿岸的堤顶安全超高或调蓄池的削峰流量满足设计要求，从而最终确定调蓄池或分洪区、渠道、进水溢流堰的建设规模。
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