（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 概况

淮北平原是淮河流域最大的平原区，位于淮河北岸、黄河以南，京广铁路以东、洪泽湖以上，总面积8.14 万km2，区内主要河流有洪汝河、沙颍河、西淝河、涡河、包浍河、奎濉河、新汴河等，淮北平原为冲积平原和黄泛平原，地势平坦，流域及河道坡降大多在1/6000～1/10000 之间。

1970年原水电部淮河规划组提出的《淮北除涝水文计算方法》（适用于500～5000km2）（下简称“70年北京对口成果”），1981年安徽省水利勘测设计院提出《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》（适用于50～500km2），研究了流域自排模数计算方法和小面积（50km2以下）自排、抽排模数计算方法。2007年至2014年，中水淮河规划设计研究有限公司对淮北平原除涝水文计算再次进行了研究。

2 排模公式改进研究

“70年北京对口成果”采用的排模经验公式为M=KRmFn，（K 为峰量关系系数，取0.026；R 为净雨深；F 为流域面积；指数m 取1，n 取-0.25）。公式考虑了形成最大流量的两个主要因素：净雨深和流域面积。将很多因素的影响都综合在峰量关系系数值中，此次尝试从峰量关系系数K 中分离出其他流域特征因子，分析排涝模数与多个因子之间的关系，对排模公式进行比较分析。

2.1 淮北平原流域特征提取

采用基于ArcGIS 开发的Arc Hydro 软件来提取淮北平原的水系特征。选择浍河黄口集闸、惠济河大王庙、沱河永城闸、浍河临涣集、泉河沈丘、惠济河砖桥闸、通惠渠睢县7 个流域进行流域特征的提取。选择不受下游河、沟水位影响，能够畅排的场次洪水资料。

2.2 排模公式参数优选

主要考虑的流域特征有流域面积、流域长度、形状系数、河网密度、主河道长度和主河道坡度，其中净雨深和流域面积是两个必要因子，然后依次考虑与其他流域特征的组合。

根据所选的7 个典型流域，挑选出符合要求的41 场场次洪水资料，通过对影响排模的各种因子优化组合可知，随着因子数的增加，公式精度有所改善，但不是特别明显，而且一些参数与物理意义不符。实际工作中，净雨深和流域面积比较容易获得，有一定的精度。综合考虑公式的精度、实用性及参数的合理性，仅利用净雨深R 和流域面积F 来构建排模公式是基本合适的。

2.3 排模参数地区分布

根据7 个流域不同场次洪水资料，考虑不同流域峰量关系系数K、净雨深和流域面积指数三个参数的变化。

流域面积指数变化范围为-0.237～-0.252，净雨深指数变化范围为0.993～1.029，峰量关系系数的变化范围为0.0256～0.0285，指数有随面积增大而变小的趋势。

2.4 超标准洪水的打折系数

根据雨洪同频率的假设，挑选出10～20年一遇3d 降雨对应的洪水过程： 沈丘站：84-7-24 号洪水，10～20年一遇；84-9-6 号洪水，大于20年一遇。临涣站：98-8-9 号洪水，10～20年一遇；82-7-21 号洪水，10～20年一遇。公桥站：56-6-6 号洪水，大于20年一遇；68-7-12 号洪水，10～20年一遇。黄口站：82-7-21 号洪水，10年一遇；98-8-9 号洪水，10年一遇。

计算上述各场洪水打折系数，除去沈丘站超标准洪水打折系数在0.56～0.61 外，临涣、公桥和黄口集10～20年一遇洪水打折系数为0.78～0.93，与原《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》中超标准洪水10年一遇排模打九折，20年一遇排模打八五折相比，基本符合。

3 分布式除涝水文模型研究及应用

3.1 分布式模型框架

分布式流域水文模型的主要思路是：将流域划分成若干网格，对每个网格分别输入不同的降雨，根据各网格内植被、土壤和高程等情势，对每个网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量；通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向，根据各网格的坡度、糙率和土壤等情况确定参数，将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。模型的参数由地形、地貌数据结合实测历史洪水资料率定得到。基于GIS 的分布式模型框架如图1。

考虑到代表性及基础资料的获取，选择汾泉河流域、浍河流域、西淝河流域、闾河流域和谷河流域5 个流域作为模型系统开发研究的试验流域。

3.2 流域数字化处理

流域数字特征的提取，需要完整地勾画出流域河网、流域边界以及子流域边界。在流域数字高程模型（DEM）的基础上通过数字地形分析技术实现。基于流域DEM（1 ∶25 万），利用ARCGIS 软件处理流域数字高程资料，将整个流域在平面上划分成2km×2km 网格，垂直方向上根据产流机理之差别将土壤-植被-大气系统分层。运用ARC／INFO 的GRID 模块，对流域进行水文分析，主要包括DEM 预处理、河网的提取、水流方向的产生、流域界线的划定、流域三维显示等。

3.3 产汇流计算

在GIS 划分产水单元的基础上，对每一产水单元进行产流计算，再根据水力联系进行汇流计算，产生流域出口断面的流量过程，计算方案如图2。

3.3.1 产水模型

图1 基于GIS 的分布式模型框架图

单元产流计算采用概念性模型。20世纪80年代，淮委规划设计研究院与河海大学合作，以汾泉河流域为试点，采用流域水文模型模拟技术的途径，以日降水量为计算时段，研究提出了综合模拟地表水、地下水全年过程的汾泉河平原水文综合模型，并在淮北平原地区多个流域作了运用研究，获得了较好的模拟效果。

对原汾泉河模型做以下两点改进：

①计算时段为一小时，获取真实峰现时间和洪峰量值。②坡面汇流计算采用Nash 瞬时单位线，其模型参数通过流域坡度、流域下垫面等地理因子获取。流域模型结构见图3。

3.3.2 汇流模型

坡面汇流计算采用纳希（J.E.Nash）单位线计算，地下水汇流采用线性滞时加线性水库演算模型，河网汇流采用连续马斯京根法演算。

汾泉河产流模型、坡面汇流模型以及河网汇流模型参数如表1。

3.4 模型参数调试

经过分析比较，挑选受闸坝工程影响较小的洪水资料，根据汾泉河等5 个流域共计82 场洪水资料，进行模型调参和验证。合格率见表2。

汾泉河、浍河、闾河和谷河流域的调参合格率均大于85%，达到《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）甲级标准。西淝河流域的合格率为83.3%大于70%，达到《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）乙级标准。

图 2 流域产水计算方案图

图3 汾泉河流域水文综合模型流程图

表1 产汇流计算模型参数物理意义表

表2 试验流域调参合格率表

3.5 闸坝影响分析

选取沈丘站1980-2（洪水编号，下同）、1982-1、1998-1 共3 场典型场次洪水用于分析闸坝对汇流的影响。调蓄系数：未考虑水闸影响为0.99，考虑水闸影响0.985。滞时：未考虑水闸影响4h。考虑水闸影响5h。

由此说明：（1）水闸对畅泄且不漫滩洪水，模型参数考虑水闸影响和不考虑水闸影响模拟计算场次洪水，对洪量影响甚微，可以不考虑。（2）水闸对畅泄且不漫滩洪水，模型参数考虑水闸影响和不考虑水闸影响模拟计算场次洪水，对场次洪水的洪峰有一定影响，使洪峰量值削减约15%。对峰现时间也有滞后1～2h 的影响。

3.6 超标准洪水分析

对于超标洪水现行处理采用修峰系数：10年一遇洪水修峰系数为0.9，20年一遇修峰系数为0.85，50年一遇洪水修峰系数为0.8。收集5 个试验流域，共6 场超标洪水模拟，分别为沈丘站CF1984-1（洪水编号，下同）、CF1984-2；临涣集站CK1998-1；公桥站GQ1973-1；王市集站WSJ1972-1；包信站BX1968-1。计算结果超标准洪水，24 小时平均洪峰流量削峰系数为0.78～0.90。

表3 沈丘、临涣的排模公式计算自排模数表

表4 分布式除涝水文模型计算成果表

3.7 设计排模计算结果比较

根据《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》计算出不同频率对应下的沈丘、临涣的自排模数，见表3，分布式除涝水文模型的计算结果见表4。

由表3和表4可知，在不考虑闸坝工程影响条件下，模型计算结果与排模经验公式计算结果相差-10.7%～15.5%；考虑闸坝工程影响后，模型计算结果与排模经验公式打折计算结果相差-15.3%～2.2%。两种计算工况条件下，计算误差均在20%以内，说明经验排模计算公式还是有一定精度的。

4 结论与建议

（1）根据现有水文资料，模型计算超标准洪水只能选取到较少场次洪水资料。今后随着水文资料的积累，可增加合适的场次洪水进一步验证。（2）在今后淮北平原排涝规划、各支流治理及确定闸站规模时，建议年最大24 小时暴雨设计Pa 值3～5年一遇用50mm，10～20年一遇用65mm。（3）研究表明经验排模公式及超标洪水打折标准仍可采用原成果■