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1、卷期年月自然灾害学报,城市防洪的一种方法纳潮李光炽王船海周晶晏河海大学水资源水文系、航海工程系,南京钓摘要本文介绍一种城市防洪的方法纳潮。即以合理的调度运行,充分利用好区的调蓄能力,降低风暴潮引起的高潮位,用以应付超标准风暴潮。通过纳潮效果与纳潮闸位置,调蓄面积,操作方式等因素的关系分析,表明纳潮是一种可行且有效的方法。本文阐述的基本规律,为工程设计、运行操作提供参考依据。主题词减灾措施洪水城市对策风暴潮纳潮中国图书分类号引言我国有漫长的海岸线,在广大的沿海地区,有许多发达的大、中城市,这些城市大多位于江、河口的平原地区,受洪水的威胁往往来 自风暴潮。由于台风的增水作用,使得江、河高潮水位超过
2、当地城市的防洪标准,必须有一套防范措施,以免潮水漫堤,危及城市的安全。一般来说,在河口地区由于潮水位变化大,为了工农业生产的需要,常有建好控制。在这些好区内,具有较大的调蓄能力。当城市的安全受潮水威胁时,能否弃卒保车,暂日巾狡弃好区,利用抒区的调蓄能力吸纳潮水,降低城市的高潮水位,减轻防洪压力,确保城市安全。年月日,上海市在防潮时,曾经进行过这种尝试。然而,这种方法是否有效,效果如何,以及如何操作才能达到最佳效果,曾众说纷云,莫衷一是。本文试图用数值分析的方法来探讨分析这些问题。基本方程及模拟方法对于城市防潮,主要关心的是潮水位和流量。为此,采用一维描述即可满足要求。描述河道一维水流运动的基本
3、方程为圣维南方程豁臀一,臀幼,”尝,”缪一好式中、为河长及时间、为断面流量及水位、为过水断面积、河宽及流量模数、为沿程均匀旁侧入流量及沿河长方向的流速为重力加速度。对方程的求解,有多种可行的数值方法,本文采用点线性隐式差分格式自然灾害学报卷万又十乙十,贯一一筑一一茎浇。粼一女,一头一奋兰击,、式中言为任一变量,为权重系数。对基本方程按格式进行数值离散,有如下差分方程一、口,一口,一价式中基本变量、表示时段末十时刻的值上标省略。系数由差分方程式计算。对于每个河段,可以建立如式的方程。对任一河道、首断面号为,末断面号为,有一组成如式的方程,即一,一。未知量有从一,十个。若以首、末断面水位令口、其中
4、系数为,、为基本未知量,一必尽今、一刀夕可利用双追赶关系求解幻。刀今,一入一,氛一,界一碳,一厂一墩梦,十产尸厂厂今,尸一产厂十八一“八一一,一,。而艺一一时孔一一一一一一,姚一一一一勺一,一一一一气一气一、一夕一,口一,一夕界一一一,一歹一一歹尸一夕一卜刀一一丁尸一一一不一一一一犷月一,一夕夕一歹刁一,歹犷一一气了一一一二万一一丁一一一一犷寸一。一夕一卜,一幼一夕刁一一,幼一一尸一期李光炽等城市防洪的一种方法纳潮,叭夕乙一,十,。而一,时凡,十叽,气,“,二,尸乙一气气,。,由上述递推关系,可以得到吼几,十凡,十 氛,气口氏,气,气气即河道首、末断面流量可表达成首、末节点水位的线性组合。对各
5、节点建立水量平衡方程,可以得到以节点水位为基本未知量的纷性代数方程组,用矩阵标识法求解节点水位方程组,回代即可求出河道的水流状态。所以,用上述的数值方法,可以对纳潮运作进行分析。纳潮效果分析为了分析纳潮对城市防洪的作用,首先定义纳潮效果为城市目标位置最高潮位的降低值。根据纳潮效果与纳潮运作的关系,分析纳潮运作的一般规律。为了更清晰表征纳潮特性,以图所示的上游概化河网,下游接一棱柱形河道至河口,长,保护的目标位置城市位于距河口处,河口处以风暴潮位为边界条件,设面积为耐的调蓄水库,用一长,宽的河道与主干河道相连接,分析调蓄水库纳潮的效果。图流域河网概化图自然灾害学报卷衷纳潮闸门运作分析纳潮效果与纳
6、潮闸的运作关系密切,为了寻找最佳纳潮时段,可以假定一系列的纳潮闸开启时间和关闭时间,分析纳潮效果的变化情况,得出最佳的纳潮时段。纳潮闸位于 目标位置下游,首先假设一系列开闸时间,一旦开闸纳潮,就不再关闸,分析纳潮效果变化如图线所示,可见对应于。最佳开闸时间,纳潮效果最好。当。确定后,变化一系列关闸时间,分析纳潮效果如图线,可见存在最佳关闸时间几。,当,。后,继续纳潮,不会增加纳潮效果。所以,最佳的纳潮时段为少。到。纳潮闸位于目标位置上游,变化规律与下游不同。首先以潮位起涨为开闸时间,变化关闸时间,。叮涂图开、关闸时间与纳潮效果关系得到关闸时间与纳潮效果的关系如图的线。可见在望。关闸,纳潮效果最
7、大,为最佳关闸时间。关闸时间确定后,变化开闸时间,得出开闸时间与纳潮效果的关系如图的线所示,在。开闸纳潮,效果最好。因此最佳的纳潮时段为,。到了,。通过不同位置纳潮闸的运作分析,开启时间和关闭时间与位置的关系如图所示。由图可见,在不 同位置上开 闸纳潮的时段长度相差不很大,开闸时间上游早于下游,关闸时间也一样上游早于下游。此外,开闸纳潮的时段与纳潮的调蓄面积有关,开闸时间与调蓄面积的关系如图所示。调蓄面积增大,开闸纳潮时间提早,这是因为蓄水面积增大,只有提早开闸,才能充分利用调蓄库容。游纳潮的效果分析纳潮的效果与位置的关系如图所示。纳潮闸的位置对效果的影响显著,在目标位置上游,相距越远效果越小
8、。在目标位置下游,有一个位置最适于纳潮,纳潮效果最好,称之为最佳纳潮位置。可见,在目标位置到最佳位置之间,纳潮效果随距离增加,而远于最佳位置,效果随距离减小,在紧靠河口处纳潮,没有效果。从图中可以看出,在目标位置上游纳潮不如在下游纳潮,这是因为在下游纳潮,具有分流作用,使得游一图开、关闸时间与位置关系一图开闸时间与调蓄面积关系通过目标位置断面流量减少,从而使得目标位置的高潮位降低。在上游纳潮,具有促流作用,一方面使上游通畅,出流加快,降低目标位置的高潮位,同时也增大了通过目标位置断面的流量。如果没有及时关闸,使得潮流上溯过强,反而产生负作用。所以在上游地区纳潮,应格外小合,及时关闸。关闸时间与
9、距离近乎线性关系。期李光炽等城市防洪的一种方法纳潮下图纳潮效果与位置关系图纳潮效果与调蓄面积关系纳潮效果不仅与纳潮闸位置有关,还与纳潮闸的过流能力,纳潮水库的调蓄面积等因素有关。纳潮效果与蓄水面积的关系如图所示,在面积较小时,效果与面积几乎成线性快速增加,随着面积的增大,效果的增加趋于变缓,褪侄一定值后,增加面积使效果增加不明显。,所以在一定范围内增加蓄水面积提高效果是可行的,超出这一范围,就显得不够经济。从图可见,平方公里时,效果,平方公里,效果,面积增加,效果增加。显然不够经济。从上述分析可见,设计纳潮闸应优先选在最佳位置附近,可取得最佳效果。选择调蓄面积应在合适的范围内,才能够经济。运行
10、操作上应特别关心上游纳潮闸的关闭时间,以免产生负面影响。实例黄浦江是长江的最后一级支流,为一湖源河网型潮汐河道,贯穿上海市区,具有扫泳、引水、通航、供水等多种功能。为了分析黄浦江的纳潮,必须对杭嘉湖河网、黄浦江、浦东河网进行模拟,模拟范围西至东若溪,北至太浦河、淀山湖,南以杭州湾为界,东到吴淞口。模拟的河网如图所示,河网概化根据等效原理阁进行,以概化河网对黄浦江潮流进行分析。年长江口曾发生一次较大的风暴潮,对上海市区的安全构成威胁。当时利用部分闸门向浦东河网纳潮,起到一定作用。据事后调查的资料,应用本模型进行验证计算,计算的边界条件是吴淞口以实测的潮位过程,淀山湖、太浦闸下以日平均水位,不考虑
11、东曹溪、表年月日黄浦江沿程最高潮位单位高高高桥港港黄浦浦建源源吴径径闸港港米市渡渡公公公公园园园园园园无无纳潮潮计计算算实实测测,仇川月 阴小里父仇川佩小饥茄期洲闪娟水仅的赘啊,计算从月日开始,浦东河网初始水位,浦东河网与黄浦江的水量交换由闸门操作来控制,闸门操作按实际调查进行。通过模拟计算,黄浦江沿程最高潮位如表从表中可见,高桥港、黄浦公园、吴径、闸港、米市渡计算与实测基本一致,建源有一定偏差,亦只有。通过黄浦公园最高潮位比较看出,本次纳潮效果为。可见纳潮具有一定的作用。可作为防潮的一种非工程措施。自然灾害学报卷结语综上分析,本文得出如下观点纳潮不失为一种城市防潮的可行方法。从黄浦江实际纳潮
12、计算表明,利用现有工程纳潮,可作为城市防潮的一种非工程措施。在目标位置下游纳潮优于上游纳潮,在目标位置到河口之间,有一最佳位置,在最佳位置建造纳潮工程设施,具有最好的纳潮效果。在目标位置上游纳潮必须十分慎重,开闸纳潮应及时关闭,不然会产生不良影响。纳潮水库面积与纳潮效果之间成非线性关系。在一定范围内,增加面积效果显著,而增加太大的面积可能是不经济的。开闸纳潮存在最佳的时段,最佳时段与纳潮闸位置、调蓄面积,过流能力等因素有关,可由数值方法分析确定。参考文献李光炽,王船海大型河网水流模拟的矩阵标识法河海大学学报,程文辉非恒定流计算河海大学水文系,李光炽,王船海内涝型流域洪灾洪水模拟成都科技大学学报,年月日收稿,以劝一幻川川,一以劝妞、劝,论怂丫以劝班以月