城市防洪措施

一、介绍

城市河道防洪措施可以分为：主要防洪措施工程措施；自然方式防洪措施 非工程措施；生物工程防洪 半工程措施；地下防洪 地下工程措施。这些都将在下面谈到。我们可以在工程研究中分别考查每一个概念，但从一开始就着手于最常用的措施比较省事。先来看我们关心的洪水(一年至五百年一遇)流动的水力学决定因素。在许多情况下，百年一遇洪水可以作为高风险地区防洪的设计标准。我们可以用各种计算模型来计算美国城区洪水，其中陆军工程公司水利工程中心和EPA开发的模型应用最广泛。下面对这些模型中一些因素的影响作了比较。


二、防洪的优先原则

在选择防洪措施时，一定要考虑到下列的优先原则：

（一）首要优先原则

1.保护人们生命安全；

2.保护住宅和私人财产安全；

3.保护商业和公共财产安全；

（二）次要优先原则

1.保护鱼类和野生动物；

2.保护生态区和自然物种；

3.尽量美观；

4.增进公共和休闲娱乐设施；

5.地下吸收；

（三）防洪措施

1．主要防洪措施：工程措施

主要防洪措施是采用标准水力学工程措施，利用改善河道和上游水库调蓄来控制水位。水库需要筑坝，但在城区这种地方非常少。因此必须通过改善河道和堤防系统来防洪，另外一般还要用到河道支流入口处的泵站。在河道渠道化的条件下，这个措施从水力学角度看一般是最有效的。

2．自然方式防洪措施：非工程措施

自然措施代表非工程的措施。它提倡尽量保持河流的自然状态，或通过在河道及岸坡上种植植被来试图把河流恢复到自然状态。修建堤防和防洪建筑被认为是不适宜或不美观的。这种措施通过土地治理方式来削减洪水，这些方式有：洪区湿地，上游湿地或洞穴，保留蓄滞洪区，加大渗透能力，阻水结构。但这些措施在削减洪峰上作用有限。湿地对小而频繁大雨形成的洪水有一点效果，但暴雨和洪水越大这种效果越小。渗漏系统需要大面积的土地，在先期洪水已使土地饱和时也很难削减洪水。在一些上游有空地的地方渗漏系统很值得考虑，但要知道它对控制城市洪水效果有限。Freeman等人于1994年在美国三个中西部乡村水域进行了一项科学评测，结论是最彻底的土地整治加上阻水结构也只能削减洪峰5%到15%。实际应用这个措施要求河边地区允许被淹没，还可能进一步要求工程有溢洪的权力。

3．生物工程防洪

这是一种过渡性措施，对河道进行一些蓄洪要求的半工程改造。河岸一边加宽，另一边不动，河道材料不变，边坡是基于生物工程技术的。

4．地下防洪

在城市河道非常密集的地方，可以考虑地下措施。这主要包括隧道和地下水库以及泵站。一些城市用这种措施来控制下水道漫溢。但若要控制大洪水，此法与改善河道表面相比从费用考虑一般是不可行的。


四、防洪研究

防洪研究的主要目的是提出工程计划，比较工程前后的状况。这需要下面将讨论的一些水文学知识。

（一）防洪水文学

可以由现有流量记录根据地方的防洪标准推导出城市河道站点的洪水流量Q。如果地形允许，可以通过筑坝和水库或各种形式的蓄洪系统控制Q到一定的程度。大部分美国县市都要求新开发地区有一定的蓄洪能力，这样下泻流量就不会增加。虽然政府法规要求新开发的建筑场所具有超量的蓄洪能力，Q还是随着公共街道和设施等下部结构增多而增加。洪水从上游水域流向下游时随着纳入支流，雨水和其它流量而变大，因此Q会在水文学分析的范围内波动。

（二）防洪水力学

防洪研究的大多目标是得到一个范围内洪水流动的水面线以便设计保护方案。在水面线计算中必须建立一个控制点或起始点，通常是在河口处，这样控制点在河湖等大水体中是个可变的水位。然后就可以用水利工程中心计算程序HEC-2这样的分布解法来求得水面线，进而确定在现有和工程条件下河道站点的水位。虽然HEC-2的计算过程都是自动进行的，但有关洪水水位的一些控制变量必须经过人思考慎重选择。对于恒定流计算，控制变量在曼宁公式中如下给出：


“Q” 为某个频率洪水的流量；

“A” 为水流某断面的横断面面积；

自然条件下的“A”在断面之间变化很大，用于比较工程方案的计算。

工程条件下的“A”一般是改进后的梯形或矩形渠道(线性或非线性)的面积。

“S”表示计算中断面之间的河道底坡。在自然流动条件下，S可能变化很大从而影响渠道的水流阻力。在河道改善条件下，S值基本上比较稳定。

“R”是水力半径，等于河道面积除以湿周：R=A/P

“n”值必须依据河道，自然或工程条件来相应选择。

在HEC-2计算程序中，河道变形，障碍物和桥梁在各个地方分别处理。

（三）河道断面选择

出于防洪目的，根据地形和区域情况通常选择梯形或矩形断面。最优的梯形断面接近于一个圆心在水面的半圆。对于矩形河道，宽等于高的两倍时最优。河道尺寸通过河道流量系数来选择，用K表示并定义如下：


（四）河道阻力

河道粗糙系数n在防洪河道设计中是最重要的因素。Cowan (1956)指出这个重要的系数并提出如下方程来计算这个数：

n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4)m5

这里：n0是自然材料的直线光滑河道的基础n值;

n1用来修正不规则表面的影响;

n2是反映河道横截面尺寸形状变化的量;

n3是反映障碍物的量;

n4反映植被和流动条件;

m5是弯曲河道的修正系数;

Chow (1959)给出了用来估计上述量的一般值。

要了解洪水流动中n值的影响，考虑曼宁公式中A,R,S恒定的如下情形。下标1表示自然条件，下标2表示工程条件。

Q与1/n成正比 因此Q2/Q1与n2/n11成正比

典型的城区河道比较弯曲，流动缓慢，岸坡一带有树木：

n = 0.060 至 0.075

典型的混凝土底面加喷浆边坡的改进河道：

n = 0.025 至 0.030

Q2/Q1取值范围为 (0.060)/(0.025) = 2.4 到 (0.075)/(0.030) = 2.5

这表明一个改进后的河道提高行洪量约2.4到2.5倍，比如说从1000立米/秒增至2400立米/秒。

在Q，S不变的条件下可以进一步比较得出n对y的影响。为简单起见考虑宽浅矩形河道，R约等于y。在简单的宽浅河道中y与n5/3成正比


这说明改进后河道只需要天然河道深的0.22到0.23倍，也就是说降低了77%到78%。现在考虑一岸加宽另一岸不变(n值大)的生物工程河道，河道材料与原来相似、边坡基于生物工程。

相对于天然河道的n=0.060到0.075估计生物工程河道的n=0.045

Q2/Q1取值范围为 (0.060)/(0.045)=～1.3到(0.075)/(0.045)=～1.7

上述表明生物工程河道相比天然河道提高行洪量约1.3到1.7倍，但还是远小于采用工程措施的2.4到2.5倍。

生物工程河道与天然河道的深度比较计算如下：


这个降幅也小于采用工程措施的77% 78%。

上面结果显示了采用工程措施的河道，生物工程河道和天然河道间的比较关系，其中采用工程措施的最好。我们可以使用实际的n值，通过水面线计算来求出必须的防洪设施和相应费用。


五、工程评估

最后，工程方案要从经济角度进行评估。在选议防洪工程方案时工程效益与费用的比值(B/C)一直是标准判据。这个值从经济学角度的直接效益和费用求出。防洪研究中，效益以每项工程措施避免的洪灾损失方式得出。费用则完全是基于工程建设的。间接效益和费用通常无法以金钱形式计量，因此不被考虑在内，除非它们是工程通过与否的讨论基础。此外我们要意识到一些次要优先原则与水力学最优化有冲突。举个例子来说，岸坡不规则有植被，弯曲的自然土质河道最适合水里的鱼类和一些物种生存，但与良好改造的线型棱柱混凝土河道相比，这种河道会严重影响过水能力和防洪能力。其它的次要优先原则，象增进公共休闲设施等，与系统过水能力无关，可以把建造费直接加到工程费用中去。比如修建步行道，绿地，运动休闲区，野餐桌和其它于环境有益的设施都属于这种情况。


六、结论

这里把城市河道防洪措施分为了前述几类。其中，在分析防洪工程措施和它的效果时可以用熟知的水文学和水力学方法。这些方法一般都用曼宁公式作防洪研究的基础，它包括在比较工程前后河道时影响水位的主要系数。从前面对这些系数的影响分析可以看到，改造的河道相比典型自然河道能提高行洪能力2.5倍，河道深度也可以降低78%。生物工程河道只是一种效果欠佳的折中办法。

评估城区防洪方法时，一定要充分考虑主要优先原则，比如最大程度的保护人们生命财产安全。除此外，次要优先原则(多为环保和美观性的)也可以考虑。效益还是工程评价的最有用的经济依据。环保和美观当然是好的，但这只能在最后分析时附加考虑。