排澇模數(shù)計(jì)算方法分析評價(jià)

王鳳瑞 王慧

摘要：排澇模數(shù)的確定對于確定排澇工程布局和規(guī)模具有重要的指導(dǎo)意義。以黑龍江省東部的三江平原寶清撓力河澇區(qū)和穆棱河澇區(qū)為例，根據(jù)澇區(qū)下墊面條件進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，分別采用排模公式法和平均排除法計(jì)算不同排澇標(biāo)準(zhǔn)下的排澇模數(shù)，并分析比較兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：隨著重現(xiàn)期的變長，排水流量和排澇模數(shù)越來越大。對于旱田，兩種方法計(jì)算結(jié)果相差較小，而且面積越小，排澇模數(shù)相差越小，平均排除法的計(jì)算結(jié)果總體大于排模公式法的；對于水田，兩種方法計(jì)算結(jié)果差別較大，且面積越小，相差越大。

關(guān)鍵詞：排澇模數(shù)；排澇標(biāo)準(zhǔn)；排模公式法；平均排除法

中圖分類號：TV131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.034

澇災(zāi)是一種地域性廣泛的自然災(zāi)害，影響巨大，尤其給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失。排澇工程可有效保障社會經(jīng)濟(jì)安全，計(jì)算排澇模數(shù)是確定排澇工程布局和規(guī)模的重要環(huán)節(jié)川。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對排澇計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究，并取得一些成果。如意大利、希臘、法國和西班牙等國家廣泛使用連續(xù)法、運(yùn)動法和綜合流量過程法，我國主要易澇平原區(qū)自排采用的方法有平均排除法[2-3]、排模公式法[4-5]、單位線法[6]、總?cè)肆鞑坌罘ā⑺科胶夥╗7-8]、推理公式法[9]等。水網(wǎng)地區(qū)面積較大的排水區(qū)一般采用水量平衡法和水力學(xué)模型法。

排澇模數(shù)大小受當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒌匦螚l件、河流水系及其排水方式、排澇標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法和參數(shù)及湖泊、水面調(diào)蓄能力等因素影響，各省之間、省內(nèi)不同地區(qū)之間差異很大。自排計(jì)算方法中排模公式法在淮河以北平原地區(qū)廣泛使用，平均排除法一般用于面積較小的排水區(qū)，水量平衡法和模型法一般在水網(wǎng)地區(qū)和有調(diào)蓄湖泊的排澇圩區(qū)使用，有些省、市使用綜合單位線法或推理公式法計(jì)算排澇模數(shù)。抽排中使用比較多的方法為平均排除法和水量平衡法，但平均排除法中降水時(shí)段、排出時(shí)間等參數(shù)各省差別較大。

1 研究方法

農(nóng)區(qū)自排排澇模數(shù)計(jì)算方法主要分4類：排模公式法、單位線法、平均排除法和水量平衡法，本文采用排模公式法和平均排除法進(jìn)行排澇模數(shù)的推求。排模公式法主要用于淮河以北地區(qū)[10]，不分地類。平均排除法用于農(nóng)區(qū)自排計(jì)算，可按區(qū)域內(nèi)河流及湖泊情況分為一般地區(qū)和水網(wǎng)、濱湖區(qū)兩類，沒有嚴(yán)格區(qū)分水田、旱地和菜地。

1.1 排模公式法

計(jì)算排澇模數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為

q=kRmAn （1）式中：q為設(shè)計(jì)排澇模數(shù)m3/（s·km2）；R為設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深，mm；A為設(shè)計(jì)控制的排水面積，km2；k為綜合系數(shù)（反映降雨歷時(shí)、流域形狀、排水溝網(wǎng)密度、溝底比降等因素）；m為峰量指數(shù)（反映洪峰與洪量關(guān)系）；n為遞減指數(shù)（反映排澇模數(shù)與面積關(guān)系）。k、m、n應(yīng)根據(jù)具體情況，經(jīng)實(shí)地測驗(yàn)確定，一般根據(jù)水文測站實(shí)測暴雨徑流資料，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析求出k、m、n，也可以從各地《水文手冊》中查找[1]。

排模公式法適用于平原坡水區(qū)或平原地區(qū)綜合地類的自排設(shè)計(jì)流量計(jì)算。各地的排模公式適用范圍差別較大，主要用于面積大于50km2的區(qū)域。排模參數(shù)差別比較大，與當(dāng)?shù)氐牡匦纹陆?、河道水力條件、雨型等有關(guān)。

目前該方法主要用于淮河流域的安徽省、河南省的淮河以北平原地區(qū)、山東省及江蘇省邳蒼邦新地區(qū)，海河流域的河北省平原區(qū)和山東魯北平原區(qū)，東北平原的遼寧省中部平原區(qū)。湖北省平原地區(qū)雖也可采用排模經(jīng)驗(yàn)公式，但湖北省湖泊眾多，大多地區(qū)是濱湖平原，地勢十分平坦，有較多的調(diào)蓄湖泊，且大多數(shù)獨(dú)立排水河道流域面積不是很大，在排澇規(guī)劃中一般不采用排模公式法，而采用平均排除法和水量平衡法。因此，排模公式法基本用于淮河流域及其以北地區(qū)的平原區(qū)。

1.2 平均排除法

平原區(qū)旱地設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為式中：M旱為旱地設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m3/（s·km2）；T為排澇歷時(shí)，d；ψη為槽蓄遲緩系數(shù)，根據(jù)以徑流深為參數(shù)的槽蓄遲緩系數(shù)與面積的關(guān)系線查圖確定。

平原區(qū)水田設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算公式為式中：M水為水田設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m3/（S·km2）；P為歷時(shí)為T的設(shè)計(jì)暴雨量，mm； h1為水田滯蓄水深，mm；E為歷時(shí)為T的水田蒸發(fā)量，mm；F為歷時(shí)為T的水田滲漏量，mm；T為排澇歷時(shí)，d，旱田一般采用1d降水2d排出，水田一般采用3d降水4d排出。

平均排除法使用地域比較廣泛，用于農(nóng)區(qū)自排時(shí)一般不分地類。采用平均排除法的地區(qū)有江蘇蘇南地區(qū)，安徽、河南境內(nèi)面積小于50km2的沿淮、淮北地區(qū)，湖南省湖區(qū)排澇涵閘地區(qū)，湖北省水面調(diào)蓄較多地區(qū)，廣東省的部分地區(qū)和黑龍江、吉林等省。由此可見，平均排除法在淮河流域、長江中下游地區(qū)、珠江三角洲平原區(qū)、松遼平原地區(qū)均有使用，使用范圍遍及我國各主要平原區(qū)。該方法一般適用于面積較小、有排澇涵閘或有較多調(diào)蓄水面的地區(qū)，且降水時(shí)間和排出時(shí)間比較接近。不同地區(qū)自排平均排除法參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

2 實(shí)例分析

典型區(qū)選擇三江平原寶清撓力河澇區(qū)和穆棱河下游澇區(qū)，位于黑龍江省東部。撓力河發(fā)源于完達(dá)山脈勃利縣境內(nèi)的七里嘎山，干流全長596km，流域面積3816km2。撓力河干流寶清鎮(zhèn)以上為淺山丘陵區(qū)，以下為平原區(qū)。上游山區(qū)灘地坡降為1/200～1/800，中游坡降為1/1600，下游平原區(qū)坡降為1/4000～1/15000。寶清撓力河澇區(qū)總面積6.13萬hm2。

穆棱河下游地區(qū)虎林鎮(zhèn)附近和區(qū)內(nèi)八五農(nóng)場所屬東北部各生產(chǎn)隊(duì)為山丘區(qū)，其他為平原區(qū)。下游地區(qū)總面積為4 585km2，其中：山區(qū)、丘陵、臺地面積占總面積的4.6%，高程為90～300m；平原區(qū)面積占總面積的89.6%，地面坡降為1/3000～1/10000；水面面積占總面積的5.8%。

該區(qū)屬于中溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季干冷而漫長。根據(jù)寶清站1955-1992年氣象資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降水量為518mm，屬于半干旱地帶，降水大部分集中在6-9月，占全年降水量的72%，尤其是7-8月雨量較為集中，約占全年降水量的44%，5-6月降水較少。因此，該區(qū)春季干旱頻繁，秋季多洪澇災(zāi)害。

2.1 設(shè)計(jì)凈雨量

2.1.1 旱田設(shè)計(jì)凈雨量

寶清撓力河澇區(qū)選取本德北和索倫崗2個(gè)雨量站進(jìn)行分析，穆棱河下游澇區(qū)采用八五零農(nóng)場、八五六農(nóng)場、慶豐農(nóng)場、八五八農(nóng)場和興凱湖農(nóng)場等5個(gè)雨量站進(jìn)行分析。選取的7個(gè)雨量站均位于平原區(qū)。采用1956-2010年同步序列最大1d面雨量及前期影響雨量，依據(jù)《黑龍江省旱田排澇模數(shù)》[11]中降雨一徑流關(guān)系查算凈雨量，結(jié)果見表2。

2.1.2 水田設(shè)計(jì)凈雨量

采用計(jì)算旱田排澇模數(shù)的各單站雨量數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為1956-2010年，水田暴雨期為6月1日至8月28日，統(tǒng)計(jì)最大3d暴雨量，采用P-Ⅲ型頻率曲線，CS/CV=3.0，得到單站設(shè)計(jì)暴雨。

設(shè)計(jì)凈雨量R計(jì)算公式為

R=P3P-（E*+D）t-h水深（4）式中：P3p為設(shè)計(jì)暴雨量，mm；h水深為水田暴雨期滯蓄水深，取25mm；（E水+D） t為蒸發(fā)和滲漏損失，取4.0mm。

凈雨量計(jì)算結(jié)果見表3。

2.2 兩種方法對比

黑龍江省沒有用過排模公式法計(jì)算排澇模數(shù)，本次借用地理、地形、氣候等條件較為相似的遼寧省東部已有參數(shù)進(jìn)行分析，其中k=0.0127，m=0.93，n=-0.176。

寶清撓力河澇區(qū)選取的2個(gè)雨量站位于青山分區(qū)，采用青山分區(qū)的實(shí)際面積進(jìn)行計(jì)算。為了分析面積變化時(shí)不同重現(xiàn)期下排水流量與排澇模數(shù)的變化情況，穆棱河下游澇區(qū)采用不同的面積進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦吻闆r、河道水力條件，排模公式法在黑龍江省平原區(qū)使用范圍為50～1000km2，以穆棱河下游澇區(qū)選取的5個(gè)雨量站中心位置為圓心，面積依次選取50、100、500、1000km2進(jìn)行計(jì)算。此區(qū)域地面坡降為115000～1/10000，故面積改變時(shí)，凈雨量幾乎不發(fā)生變化。凈雨量采用單站凈雨量的平均值，計(jì)算的旱田和水田排澇模數(shù)及排水流量對比分別見表4、表5和圖1。

從表4可以看出，隨著重現(xiàn)期的變長，排水流量和排澇模數(shù)也變大。3a一遇和5a一遇時(shí)，旱田兩種方法計(jì)算的排澇模數(shù)相差較小，相差在5.0%～27.5%之間。總體而言，面積越小，兩種方法計(jì)算的排澇模數(shù)相差越小，但變化不明顯；平均排除法計(jì)算結(jié)果總體大于排模公式法計(jì)算結(jié)果。在穆棱河下游澇區(qū)，面積越大，排水流量和排澇模數(shù)也越大。

表5中水田兩種方法計(jì)算的排澇模數(shù)差別較大，且面積越小，相差越大，主要原因是排模公式法一般是以1d（或24h）平均洪峰流量來計(jì)算的，而水田平均排除法時(shí)段長度達(dá)4d，且考慮了田間蓄水、蒸發(fā)滲漏等因素，排模公式法計(jì)算結(jié)果偏大。

重現(xiàn)期不同，排水流量和排澇模數(shù)也有差異。與旱田正好相反，重現(xiàn)期越長，水田排水流量和排澇模數(shù)越小。

圖1為兩個(gè)澇區(qū)不同方法計(jì)算的5a一遇排澇模數(shù)對比，可以看出旱田的排澇模數(shù)總體上要小于水田的排澇模數(shù)。兩種方法計(jì)算的旱田排澇模數(shù)相差較小，兩種方法計(jì)算的水田排澇模數(shù)相差較大。但隨著面積的增大，水田兩種方法計(jì)算結(jié)果的差距逐漸減小，而旱田兩種方法計(jì)算結(jié)果的差距變化不明顯。

3 結(jié)論與建議

（1）兩種方法計(jì)算的旱田排澇模數(shù)相差較小，平均排除法計(jì)算結(jié)果大于排模公式法計(jì)算結(jié)果。兩種方法計(jì)算的水田排澇模數(shù)差別相對較大，排模公式法計(jì)算結(jié)果總體大于平均排除法計(jì)算結(jié)果。

（2）在排模公式法的適用范圍內(nèi)，兩種方法都可用來計(jì)算旱田的排澇模數(shù)，但小面積排水區(qū)采用平均排除法為宜。在計(jì)算水田的排澇模數(shù)時(shí)，建議采用平均排除法。

（3）平均排除法在黑龍江省長期使用，已形成一套完善的計(jì)算辦法，且考慮了與流域面積有關(guān)的坡面、槽蓄滯緩系數(shù)，事實(shí)上是一種變相的排模公式法。

（4）從計(jì)算結(jié)果看，排模公式法與平均排除法總體有差異，水田計(jì)算結(jié)果的差異明顯。排模公式法在黑龍江省沒有采用過，之后應(yīng)深入研究其適用性，根據(jù)具體情況進(jìn)行參數(shù)率定，并且需要進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

（5）排澇模數(shù)計(jì)算方法應(yīng)根據(jù)澇區(qū)排水特點(diǎn)、排水方式、調(diào)蓄能力、主要作物類型等進(jìn)行分類歸納和規(guī)范。

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