基于不同選樣法的除澇水文計(jì)算方法研究
——以遼寧省阜新市為例

由國武

(遼寧省阜新市水文局，遼寧 阜新 123000)

澇災(zāi)是危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和降低農(nóng)民收入的主要原因之一[1]。制定合理的農(nóng)田排水措施，可有效防御澇漬災(zāi)害促進(jìn)農(nóng)作物正常生長，改善田間耕作管理，從而促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。因此，如何制定合理的農(nóng)田排水措施成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的突出問題。明溝排水、暗管排水和豎井排水是目前使用較多的農(nóng)田排水措施[3]，而在確定不同農(nóng)田排水措施的尺寸規(guī)格時(shí)，需要確定不同地區(qū)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取設(shè)計(jì)暴雨，計(jì)算排澇模數(shù)。除澇水文計(jì)算是分析排澇流量，計(jì)算排澇模數(shù)，從而得出農(nóng)田排水設(shè)施建設(shè)規(guī)模的重要工具，目前除澇水文計(jì)算的方法主要包括平均排除法、水量平衡法、排模公式法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法[4]。不同模型的適用范圍不同，目前針對不同模型，國內(nèi)已有研究。張凱銘等[5]在江蘇省泗洪縣城區(qū)，基于河網(wǎng)水動力學(xué)模型法對城區(qū)進(jìn)行了除澇水文計(jì)算，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇暴雨，對當(dāng)?shù)禺a(chǎn)匯流進(jìn)行了計(jì)算，指出該城區(qū)河網(wǎng)滿足排澇要求；劉曾美[6]等分析了不同除澇水文計(jì)算方法在感潮地區(qū)的應(yīng)用，分析了潮水位對排澇過程的影響，并通過實(shí)例分析驗(yàn)證了結(jié)論。本文以遼寧省阜新市為研究區(qū)域，通過不同選取設(shè)計(jì)暴雨的選樣法，同時(shí)選取平均排除法、水量平衡法和排模公式法3種除澇水文計(jì)算方法，分析比較不同選樣法下不同公式的計(jì)算精度，以期找出遼寧省阜新區(qū)精度最高的除澇水文計(jì)算方法，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田排水措施規(guī)模的制定提供科學(xué)依據(jù)。

阜新市位于遼寧省西部，面積1200km2，年平均降水480mm，其人均水資源占有量不到全國平均水平的1/5，農(nóng)業(yè)水資源總量是全國平均水平的1/12，是遼寧省內(nèi)嚴(yán)重缺水的城市之一[7]。由于目前阜新市水資源總量匱乏，地下水資源開采嚴(yán)重，如何保證農(nóng)業(yè)的高效生產(chǎn)以成為當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門急需解決的問題。因此，找到合適的方法做好除澇水文計(jì)算，制定有效的農(nóng)田排水措施，對阜新市農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的增加有著極其重要的意義。本文根據(jù)阜新市實(shí)際情況，分別選擇年最大值法和多次選樣法2種方法選擇設(shè)計(jì)暴雨，選擇經(jīng)驗(yàn)公式法和平均排除法2種除澇水文計(jì)算方法，以當(dāng)?shù)貙?shí)測水文資料為基礎(chǔ)，選擇10年一遇暴雨重現(xiàn)期，計(jì)算50km2、100km2、200km2、500km2不同流域面積的排澇模數(shù)，通過結(jié)果擬作出所需排澇所需水閘凈寬和泵站流量，以此為依據(jù)比較不同選樣法不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，找出最優(yōu)方案。

1 除澇水文計(jì)算模型

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

計(jì)算平原區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

q=KRmAn

(1)

式中，q—設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；R—徑流量，mm；A—控制面積，km2；K—綜合系數(shù)；m—峰量系數(shù)；n—遞減系數(shù)。

1.2 平均排除法

平原區(qū)水田排澇模數(shù)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中，qw—平原區(qū)水田設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；p—暴雨量，mm；h1—水田滯蓄水深，mm；T—排澇歷時(shí)，h；ET—農(nóng)田蒸發(fā)量，mm；F—水田滲漏量，mm。

平原區(qū)旱地設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中，qd—平原區(qū)旱地設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；Rd—旱地設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深，mm。

平原區(qū)水流河面設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

式中，qr—平原區(qū)水流河面設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；Rr—水流河面設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深，mm。

平原區(qū)水流河面設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為：

(5)

式中，qr—平原區(qū)水流河面設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；Rr—水流河面設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深，mm。

平原區(qū)其他情況設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為：

(6)

式中，qa—平原區(qū)其他情況設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；Ra—其他情況設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深，mm。

綜上所述，平均排除法綜合排澇模數(shù)的計(jì)算公式為：

(7)

式中，qc—平原區(qū)平均排除法綜合設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m/(s·km2)；Aw、Ad、Ar、Aa—水田、旱地、水流河面、其他情況的控制面積，km2，其余參數(shù)與前文一致。

平均排除法綜合考慮了平原區(qū)水田、旱地、村莊等不同下墊面情況，通過計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)、設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度等因素，綜合計(jì)算平原地區(qū)排澇模數(shù)，具體計(jì)算過程如下。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨選擇方法

年最大值法是指每年不同歷時(shí)選擇最大暴雨，在不同年份中選擇相應(yīng)的不同最大暴雨組成一個(gè)序列，這種方法可能造成小重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨值偏小。多次選樣法是指在多年降雨資料中，每年選取6～8次最大暴雨，將不同降雨歷時(shí)按大小順序排列，選取最前面的多組數(shù)據(jù)，平均每年選取3～4組，但此方法工作量較大[8]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同方法排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果

表1為不同選樣方法不同除澇計(jì)算模型的排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表1看出，采用年最大值法抽樣選取設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，其結(jié)果普遍低于多次選樣法，這可能是由于在10年一遇的重現(xiàn)期內(nèi)，年最大值法選擇的設(shè)計(jì)暴雨小于多次選樣法，使得計(jì)算的排澇模數(shù)較低。其中，選樣采用多次選樣法，計(jì)算采用平均排除法時(shí)，不同流域面積的排澇模式差別不大，而其余方法不同面積排澇模數(shù)差距明顯較高，表明在遼寧省阜新市進(jìn)行除澇水文計(jì)算時(shí)，多次選樣法和平均排除法不宜同時(shí)使用；選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法，計(jì)算結(jié)果均普遍偏低，而選樣法采用多次選樣法、計(jì)算采用平均排除法在流域面積較小時(shí)，其排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大，而選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用平均排除法時(shí)，當(dāng)流域面積為50km2時(shí)，排澇模數(shù)與其余2種方法基本一致。綜上所述，流域面積較大時(shí)選樣法采用多次選樣法、計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法時(shí)，可保證排澇模數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，而選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用平均排除法，在4種流域面積下，計(jì)算結(jié)果均較好。

表1 不同選樣方法不同除澇計(jì)算模型排澇模數(shù) 單位：m/(s·km2)

2.2 不同方法確定的水閘泵站規(guī)模

根據(jù)計(jì)算得出的不同面積的排澇模數(shù)，假定需在當(dāng)?shù)匦藿ū谜竞退l，由泵站控制面積與排澇模數(shù)的乘積，定為泵站的流量來確定泵站的規(guī)模，根據(jù)泵站總排水量和當(dāng)?shù)乜倧搅髁?，得出水閘排水量，通過水閘單寬流量，確定水閘凈寬，以確定水閘的排水能力，更加直觀比較各方法的優(yōu)越性。

表2、表3分別為不同選樣方法不同除澇計(jì)算模型確定的泵站流量和水閘凈寬。從表2看出，采用年最大值法抽樣選取設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，其結(jié)果普遍低于多次選樣法，這與前文的結(jié)論一致。其中，選樣采用多次選樣法，計(jì)算采用平均排除法時(shí)，不同流域面積的泵站流量和水閘凈寬差別不大，而其余方法不同面積排澇模數(shù)差距明顯較高，表明在遼寧省阜新市進(jìn)行除澇水文計(jì)算時(shí)，多次選樣法和平均排除法不宜同時(shí)使用，由于這種方法在不同情況下所確定的水閘凈寬基本相同，這說明該水閘無明顯的調(diào)控和自排能力，或無法滿足要求，或水閘凈寬較大，經(jīng)濟(jì)不合理；選樣法采用多次選樣法、計(jì)算采用平均排除法在流域面積較小時(shí)，其水閘凈寬和泵站流量計(jì)算結(jié)果偏大，而選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用平均排除法時(shí)，當(dāng)流域面積為50km2時(shí)，水閘凈寬和泵站流量計(jì)算結(jié)果與其余2種方法基本一致。綜上所述，流域面積較大時(shí)宜采用的方法是：選樣法采用多次選樣法、計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法，而選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用平均排除法，在4種流域面積下，計(jì)算結(jié)果均較好，這與2.1節(jié)的結(jié)論基本一致，驗(yàn)證了前文的結(jié)論。

3 結(jié)語

本文通過綜合比較2種不同選樣方法和2種不同除澇水文計(jì)算方法，形成4種計(jì)算模式，選擇10年一遇暴雨重現(xiàn)期，分別計(jì)算了當(dāng)流域面積為50km2、100km2、200km2、500km2時(shí)4種不同模式下的排澇模數(shù)、泵站流量和水閘凈寬，通過比較不

表2 不同選樣方法不同除澇計(jì)算模型計(jì)算泵站流量 單位：m/s

同計(jì)算結(jié)果，指出年最大值計(jì)算結(jié)果普遍低于多次選樣法，為保證水閘和泵站的自排能力，應(yīng)選擇的計(jì)算模式應(yīng)在不同流域面積時(shí)的差異較大。因此，流域面積較大時(shí)選樣法采用多次選樣法、計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法時(shí)，可保證排澇模數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，而選樣法采用年最大值法、計(jì)算采用平均排除法，在4種流域面積下，計(jì)算結(jié)果均較好。綜上所述，選樣法采用年最大值法、除澇水文計(jì)算采用平均排除法的綜合計(jì)算模式是遼寧省阜新市最優(yōu)除澇水文計(jì)算模式，可為當(dāng)?shù)嘏艥炒胧┑闹付ㄌ峁┛茖W(xué)指導(dǎo)。

[1] 費(fèi)永法, 王德智, 邵善忠. 幾種除澇水文計(jì)算方法的比較與分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(01): 24- 25+62.

[2] 王少麗. 基于水環(huán)境保護(hù)的農(nóng)田排水研究新進(jìn)展[J]. 水利學(xué)報(bào), 2010, 41(06): 697- 702.

[3] 孫珍珍, 岳春芳, 侍克斌. 新疆節(jié)水灌區(qū)農(nóng)田排水措施分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2015(05): 20- 22+25.

[4] 張小潭. 平原河網(wǎng)區(qū)除澇水文計(jì)算方法研究[J]. 人民珠江, 2015(03): 45- 47.

[5] 張凱銘, 董增川, 樊孔明, 等. 平原河網(wǎng)區(qū)排澇計(jì)算研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2012(12): 157- 157.

[6] 劉曾美, 吳俊校, 肖素芬. 感潮地區(qū)排澇分析計(jì)算方法和思路研究[J]. 人民珠江, 2009(05): 8- 11+46.

[7] 孫穎, 李敬巖. 阜新市水資源現(xiàn)狀及節(jié)水抗旱農(nóng)業(yè)發(fā)展建議[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2013(03): 227.

[8] 周玉文, 翁窈瑤, 張曉昕, 等. 應(yīng)用年最大值法推求城市暴雨強(qiáng)度公式的研究[J]. 給水排水, 2011(10): 40- 44.