水文学和水力学法在《水文分析计算与水资源评价》中展示成功案例

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：如图11.4所示为水文学和水力学法的一般流程和每项分析中的主要内容。表11.3地貌和淹没型式注“○”表示某种地貌所具有的淹没型式。

水文学和水力学法可以估算对应于给定洪水频率和大小的淹没面积、深度和历时。一般说来，该方法由三部分组成，即降雨分析、径流分析和洪流演进。

降雨分析是为了获得对应于给定重现期的流域雨量分布图。据此，通过径流分析可以给出河流指定点的设计流量过程线。该方法的最后一步就是对河流和洪泛区进行洪流演进分析，把分析得到的设计流量过程线作为河流的边界值。如果选用适宜的径流和洪流演进模型，就可以对洪泛区的淹没状况进行估计，以便于将来在减洪措施中拟定土地利用规划。

如图11.4所示为水文学和水力学法的一般流程和每项分析中的主要内容。

11.3.3.1　降雨分析

当所研究地区现有雨量资料可用来估算流域平均雨量时，雨量分析可按如下程序进行，即：由点雨量资料计算流域平均雨量；计算指定历时的设计雨量；绘制流域平均设计雨量图。详见第9章。

11.3.3.2　径流分析

目前已有许多种降雨径流模型，常用的有单位线、“坦克”模型（即水箱模型）、线性蓄水型模型和蓄水函数模型。主要模型应用参见第9章。

每种径流模型都有其优点和局限性，一个好的径流模型通常应具有以下3个特性：计算流量与实测流量相符合；模型是合理的，而且容易理解；模型涉及的运算简单。

对于都市化地区的径流分析需要采用线性蓄水模型，因为它能够处理因排水设施改善而引起的蓄水作用减低和径流加快问题。

径流过程的模拟程序如下。

（1）将流域分为有滞洪设施的集水区和其他的地区。

（2）应用选定的有效降雨模型计算有效降雨过程线。

（3）用选定的径流模型计算两种地区的径流流量。

（4）应用将径流流量作为滞洪设施的输入进行调洪演算的方法，计算滞洪设施的流量过程线。

（5）综合滞洪设施的流量过程线以及无滞洪设施地区的径流过程线，所得的过程线即是全流域的径流过程线。

11.3.3.3　洪流演进

洪流演进是用水文学和水力学方法估算洪泛区淹没状况的最后阶段，淹没状况主要指淹没面积、深度和持续时间，可用径流分析得出的设计洪水过程线估算。

（1）地貌特性和淹没状况。洪泛区的洪流主要受当地地貌、地形特性的影响。根据实际溃堤的经验，由于洪泛区的状况，特别是地貌地形的不同，洪流及其淹没状况相差悬殊，参见表11.3。地貌和淹没状况之间的关系是：三角洲和河漫滩沼泽的洪水属于拦蓄型或扩散型；天然堤的洪水属于沿河型；平底河谷的洪水属于直线型；冲积扇的洪水属于拦蓄型或沿河型。另外，洪泛区洪水演进路径与河道相比，也有两个明显的区别。首先，洪泛区的糙率较河道的大得多，天然河道大多形成于较久远的年代，水流在丰、枯季节虽变化较大，但其深水河槽一般不断流，河水经常贯通，因此水流所遇到的阻力较小；而洪泛区人类活动频繁，有道路、庄稼、房屋、森林等多种阻水物体，且地貌形状同天然河道相比有明显的差异，并且洪泛区只有洪水漫堤或决堤时才有水流进入，是临时性的水流。水流进入洪泛区后，受到各种阻水物体的阻碍，因而糙率值大。资料表明，洪泛区的糙率一般达0.05～0.1，而河道的一般只有0.01～0.04。其次，洪泛区水面宽广，长宽比小，天然河道皆成狭长形，长宽比很大。洪泛区地形、地貌的上述两个特点，致使洪泛区水流也形成了不同于河道水流的两个特点：一是长宽比小，横向流速也相当可观，因而在研究洪泛区水流时，对水流在横向和纵向两个方向的流速均不能忽略；二是由于洪泛区水面宽广，糙率系数较大，流速相对较小，则二维非恒定流中其对流项所占的比例也较小，对计算结果影响甚微，但可使模型的求解大为简便。

表11.3　地貌和淹没型式

注　“○”表示某种地貌所具有的淹没型式。

（2）洪流演进模型概要。洪泛区淹没是洪水二维运动的结果，在理论上，淹没状况应采用二维非恒定流模型进行模拟。但是正如淹没状况和地貌特性所述，定向淹没型可以作为一维非恒定流处理。这种处理方法的模拟已用于许多定向型的淹没，而且能达到实用的精度。目前，洪流模拟模型可分为两类：一维模型和二维模型。一维模型包括非均匀流模型、蓄水函数模型和简化非恒定流模型。二维模型包括水池模型和二维模型。蓄水函数模型的输出是每个河段（包括河道和洪泛区）指定时段的流量。从每个河段算得的流量中选择最大的流量，并且，根据河段内所有横断面的水位～流量关系计算各断面相应最大流量的最高水位，再用光滑线连接淹没区的最高水位的边界线描绘洪水风险图。水池模型是算出规定每个水池的水位和流量，在地图上描绘洪水风险图，其方法是划出等于最高水位的边界线。一、二维非恒定流模型目前已有较多的商业软件，如MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD、FLOODWORKS、HEC－Kit、SOBEK、WAQUA等。

（3）洪流模拟流程框图。洪流模拟流程框图如图11.5所示，该图指出洪泛平原洪流需要模拟的过程和洪流模拟中的减洪设施，以及从洪泛平原的坡度、地貌特点和所需计算工作量出发选择洪流模型的过程。

水文学和水力学法在《水文分析计算与水资源评价》中展示成功案例

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