基于作物耐淹能力的平原圩區(qū)排澇模數(shù)研究

溫進(jìn)化,盧 成,李其峰,王賀龍

(浙江省水利河口研究院, 浙江 杭州 310020)

排澇工程是保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,而排澇模數(shù)是確定排澇工程布局和規(guī)模的重要依據(jù)。排澇標(biāo)準(zhǔn)是決定排澇模數(shù)大小的重要指標(biāo),排澇標(biāo)準(zhǔn)一般包括設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)和排澇時(shí)間。對(duì)于特定的區(qū)域,在一定的洪澇治理標(biāo)準(zhǔn)和暴雨特性條件下,設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和暴雨歷時(shí)基本是固定的,因此決定區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而影響排澇模數(shù)大小的是由作物耐淹能力確定的排澇時(shí)間。排澇時(shí)間一般根據(jù)作物習(xí)性,由作物耐淹歷時(shí)和耐淹水深確定。目前,排澇時(shí)間基本采用相關(guān)文獻(xiàn)[1]推薦的旱作物為1～3d,水稻為3～5d,排澇時(shí)間范圍較寬泛,存在一定的主觀性。因此,建立設(shè)計(jì)暴雨條件下作物耐淹能力與排澇模數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,合理評(píng)估排澇工程的設(shè)計(jì)規(guī)模,具有現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此,本文選取杭嘉湖平原的善含圩區(qū)作為研究對(duì)象,基于作物耐淹試驗(yàn)的耐淹能力,采用水量平衡法分別計(jì)算作物不同耐淹能力下的排澇模數(shù),進(jìn)而建立排澇模數(shù)與作物耐淹能力之間的關(guān)系,為平原圩區(qū)排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)所需的排澇模數(shù)計(jì)算提供參考。

1 典型作物的耐淹能力及排澇標(biāo)準(zhǔn)

1.1 典型作物的耐淹能力

作物耐淹能力是影響排澇模數(shù)大小的關(guān)鍵因素之一,平原圩區(qū)作物類(lèi)型多樣,不同的種植結(jié)構(gòu)直接影響決定區(qū)域排澇能力的大小。由于作物種植結(jié)構(gòu)的不確定性,一般可選擇代表不同耐淹能力的作物作為確定區(qū)域排澇歷時(shí)的樣本。平原圩區(qū)典型作物的選擇一般根據(jù)區(qū)域種植結(jié)構(gòu)、作物耐淹習(xí)性、作物代表性等因素確定,杭嘉湖地區(qū)一般以種植水稻、蔬菜、瓜果和苗木等作物為主,按照作物的耐淹特性,本文選擇水稻、青椒、西瓜等3種作物分別代表耐淹能力強(qiáng)、中、弱來(lái)代表區(qū)域排澇歷時(shí)。

作物的耐淹能力是直接影響農(nóng)作物生育和產(chǎn)值的基本特性,其衡量的主要標(biāo)志主要是耐淹歷時(shí)和耐淹水深。作物的耐淹能力主要通過(guò)耐淹試驗(yàn)研究分析確定,采用正交設(shè)計(jì)、方差分析等方法,測(cè)定出作物不同生育期、不同淹沒(méi)水深、不同淹沒(méi)歷時(shí)和產(chǎn)量的關(guān)系,得到作物的耐淹能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究成果,水稻、青椒、西瓜等3種典型作物在一定耐淹水深條件,耐淹歷時(shí)及其減產(chǎn)率關(guān)系見(jiàn)表1。

1.2 農(nóng)田的排澇標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)農(nóng)田排澇標(biāo)準(zhǔn)一般以排水區(qū)發(fā)生一定重現(xiàn)期的暴雨時(shí)作物不受澇為標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)田排澇標(biāo)準(zhǔn)除明確指出一定重現(xiàn)期的暴雨外,還規(guī)定在這種暴雨發(fā)生時(shí)作物不允許受澇。作物耐淹能力即淹沒(méi)深度和淹沒(méi)歷時(shí)2個(gè)指標(biāo)反映了作物的受澇程度,其概念比較明確,且能夠較全面地反映排水區(qū)的排澇能力。

表1 典型作物耐淹能力成果Tab.1 Typical crop yield of food tolerance

按照排澇標(biāo)準(zhǔn)定義,排澇標(biāo)準(zhǔn)一般包括設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)和排澇時(shí)間。設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期一般根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件確定,一般地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期采用5～10a一遇,上海、江蘇、浙江水網(wǎng)圩區(qū)等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)多采用10～20a一遇[3-5]。暴雨歷時(shí)主要根據(jù)區(qū)域暴雨特性確定,一般采用1d，3d。排澇時(shí)間主要根據(jù)作物的耐淹能力確定,即耐淹歷時(shí)和耐淹水深確定。按照本文研究思路,采用典型作物相應(yīng)耐淹水深條件的耐淹時(shí)間來(lái)確定。

2 研究方法

2.1 總體思路

以某研究區(qū)域地形條件、水域調(diào)蓄能力、水文特性、工程調(diào)度運(yùn)行等為基礎(chǔ),結(jié)合水稻、青椒、西瓜等3種典型作物耐淹能力,分析計(jì)算各典型作物對(duì)應(yīng)耐淹歷時(shí)條件下的排澇模數(shù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)作物排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)建立排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)的相關(guān)關(guān)系。

研究總體思路見(jiàn)下圖。

圖1 排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)關(guān)系研究思路Fig.1 Diagram of the relationship between drainage module and drainage duration

2.2 排澇模數(shù)計(jì)算

目前,排澇模數(shù)的計(jì)算方法比較成熟,國(guó)內(nèi)常采用平均排除法[6]、經(jīng)驗(yàn)公式法[7]、單位線法[8]、水量平衡法[9]和水力學(xué)模型法[10-13]等進(jìn)行計(jì)算。本文選擇較適用于河道調(diào)峰作用明顯的城鎮(zhèn)圩區(qū)和調(diào)蓄能力較大的水網(wǎng)區(qū)或平原湖區(qū)的排澇模數(shù)計(jì)算[14]的水量平衡法[15-16]分析區(qū)域排澇模數(shù)。

水量平衡法把研究的河網(wǎng)視為一個(gè)蓄水的湖泊,由于水閘開(kāi)閘引水或排水,僅引起河網(wǎng)水面水平升降,不存在水面比降。水量平衡法河網(wǎng)蓄滯水量計(jì)算公式為

式中:V1,V2為時(shí)段初、時(shí)段末滯蓄水量,m3;Q1,Q2為時(shí)段初、時(shí)段末澇水流量,m3/s;q1,q2為時(shí)段初、時(shí)段末排水流量,m3/s;T為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng),h。

當(dāng)河道水位大于或等于汛期起排水位時(shí),隨著降雨逐漸增大加大機(jī)排流量。如果時(shí)段產(chǎn)水量小于設(shè)計(jì)排澇能力,該時(shí)段澇水全部排出;如果時(shí)段產(chǎn)水量大于設(shè)計(jì)排澇能力,則按設(shè)計(jì)排澇能力排水,余水蓄在河道內(nèi),抬高水位,待降雨減小或結(jié)束后仍按設(shè)計(jì)排澇能力排水,直至河道水位降至汛期起排水位。

由水量平衡法計(jì)算原理可知,為計(jì)算區(qū)域排澇模數(shù),需要確定滯蓄水量、澇水流量、排水流量和計(jì)算時(shí)段等四大主要參數(shù)。

1)滯蓄水量:區(qū)域滯蓄水量主要包括河道、湖泊等水域調(diào)蓄容積和作物耐淹水深的調(diào)蓄容積,其中水域調(diào)蓄容積根據(jù)水域面積～容積相關(guān)關(guān)系分析確定,作物耐淹水深的調(diào)蓄容積根據(jù)相應(yīng)作物種植面積和耐淹水深計(jì)算得到。

2)澇水流量:通過(guò)排頻分別得到不同重現(xiàn)期(10a一遇、20a一遇)下的設(shè)計(jì)暴雨,根據(jù)典型雨型推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程,然后分水田、旱地、水面等不同下墊面產(chǎn)流計(jì)算凈雨過(guò)程。

3)排水流量:在區(qū)域設(shè)定排澇模數(shù)的條件下,根據(jù)區(qū)域滯蓄水量、澇水流量等關(guān)系確定的排水規(guī)則計(jì)算得到的排水流量。通常情況下,當(dāng)區(qū)域滯蓄水量達(dá)到河網(wǎng)防洪高水位對(duì)應(yīng)水量,且后期持續(xù)來(lái)水條件下,區(qū)域開(kāi)始排水并逐漸達(dá)到排澇模數(shù)對(duì)應(yīng)的排水流量。

4)計(jì)算時(shí)段:計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)短關(guān)系水量平衡法模擬精度,一般采用1h作為排澇的計(jì)算時(shí)段。

2.3 排澇模數(shù)與作物耐淹能力關(guān)系

按照上述研究思路和計(jì)算方法,可以計(jì)算得到某種作物不同排澇歷時(shí)條件下的排澇模數(shù)。針對(duì)多組排澇模數(shù)及對(duì)應(yīng)的排澇歷時(shí),可以利用回歸分析方法建立區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)的回歸關(guān)系:

q=f(T)。

式中:q為區(qū)域排澇模數(shù),T為作物的排澇歷時(shí)。

區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)回歸關(guān)系可以采用線性回歸或非線性回歸。

3 實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)概況

善含圩區(qū)位于湖州市南潯區(qū),圩區(qū)面積19.16km2,其中水田1 020.8hm2,旱地32.1hm2,桑地244.5hm2。善含圩區(qū)屬于杭嘉湖平原典型的圩區(qū),圩區(qū)四周臨水建有外圍圩堤27.94km;圩區(qū)內(nèi)部按照水系布局劃分為大小不一的自然圩區(qū),圩堤由沿河旱地、桑地及當(dāng)?shù)剞r(nóng)工挑筑的河堤組成。圩區(qū)內(nèi)部自然圩區(qū)主要通過(guò)泵站將區(qū)域內(nèi)澇水排至圩區(qū)四周外河,以實(shí)現(xiàn)區(qū)域排澇的目的。

表2 善含圩區(qū)基本情況Tab.2 Basic information of Shan-han polder area

圖2 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)段分布圖Fig.2 Design the distribution map of rainstorm period

3.2 排澇模數(shù)計(jì)算

1)計(jì)算方案

按照善含圩區(qū)的降雨特點(diǎn),分別選擇10a一遇、20a一遇的暴雨重現(xiàn)期,24h的暴雨歷時(shí),計(jì)算水稻、青椒、西瓜等不同作物種植條件下不同排澇歷時(shí)要求的區(qū)域排澇模數(shù)。作物排澇歷時(shí)采用前文的作物耐淹能力的研究成果,其中水稻耐淹水深為40cm,排澇歷時(shí)分別選擇24h，48h，72h和96h;青椒耐淹水深為10cm,排澇歷時(shí)分別選擇3h，6h，12h和24h;西瓜耐淹水深為5cm,排澇歷時(shí)分別選擇1h，3h，6h和12h。

2)計(jì)算結(jié)果

按照研究區(qū)水文、水域等狀況,計(jì)算得到不同種植作物及其排澇歷時(shí)條件下的區(qū)域排澇模數(shù)。重現(xiàn)期為10a一遇,種植水稻且排澇歷時(shí)為24h，48h，72h和96h的條件下,區(qū)域排澇模數(shù)分別為0.28 m3.s-1.km-2，0.18 m3.s-1.km-2，0.13 m3.s-1.km-2，0.10 m3.s-1.km-2;種植青椒且排澇歷時(shí)為3h，6h，12h和24h的條件下,區(qū)域排澇模數(shù)分別為1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2，0.70 m3.s-1.km-2;種植西瓜且排澇歷時(shí)為1h，3h，6h和12h的條件下,區(qū)域排澇模數(shù)分別為2.35 m3.s-1.km-2，1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2。20年一遇重現(xiàn)期情況下,各方案的排澇模數(shù)有一定程度的提高(見(jiàn)表3)。

表3 不同方案區(qū)域排澇模數(shù)計(jì)算成果Tab.3 Calculation results of drainage modulus in different areas

由表3可知在區(qū)域降雨大小、水域調(diào)蓄能力等基本參數(shù)一致的情況下,區(qū)域排澇能力與作物的耐淹能力直接相關(guān),作物耐淹能力越強(qiáng)區(qū)域排澇模數(shù)越小。

3.3 排澇模數(shù)與作物耐淹能力關(guān)系

為建立區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)關(guān)系,更精確的分析在特定的作物種植條件下區(qū)域排澇模數(shù),進(jìn)而合理確定區(qū)域排澇工程規(guī)模,需要建立排澇模數(shù)與作物耐淹能力的關(guān)系。由前文分析可知,區(qū)域排澇模數(shù)與作物耐淹能力關(guān)系密切,作物耐淹能力越強(qiáng),區(qū)域排澇模數(shù)越小。根據(jù)作物相應(yīng)排澇歷時(shí)下的區(qū)域排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果,采用回歸分析的方法建立區(qū)域排澇模數(shù)與作物排澇歷時(shí)的回歸方程。

10a一遇不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)回歸方程:

20a一遇不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)回歸方程:

式中:y為區(qū)域排澇模數(shù),m3·s-1·km-2;x為區(qū)域排澇歷時(shí),h。

圖3 種植水稻區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)關(guān)系Fig.3 Relationship between drainage modulus and drainage duration in rice planting area

圖4 種植青椒區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)關(guān)系Fig.4 Relation between drainage modulus and drainage duration in planting green pepper area

圖5 種植西瓜區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)關(guān)系Fig.5 The relationship between drainage modulus and drainage duration in watermelon planting area

在建立不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數(shù)與排澇歷時(shí)的回歸關(guān)系以后,區(qū)域可根據(jù)種植作物的類(lèi)型及相應(yīng)的排澇歷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到區(qū)域不同重現(xiàn)期條件下的排澇模數(shù)。上述排澇模數(shù)可作為確定區(qū)域排澇工程規(guī)模的主要依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

1)區(qū)域排澇模數(shù)與主要種植作物的耐淹能力直接相關(guān),建立區(qū)域排澇模數(shù)與代表主要種植作物耐淹能力的排澇歷時(shí)的相關(guān)關(guān)系可以較精確地確定不同作物耐淹控制條件下區(qū)域的排澇模數(shù),進(jìn)而為合理確定區(qū)域排澇工程規(guī)模提供依據(jù)。

2)區(qū)域排澇模數(shù)除了與排澇歷時(shí)直接相關(guān)外,還與區(qū)域水域調(diào)蓄能力、作物耐淹水深等其他因素有關(guān),宜可建立區(qū)域排澇模數(shù)與水域調(diào)蓄能力、作物耐淹水深等因素的回歸關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,可結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析比選增加泵站規(guī)?；蚝泳W(wǎng)調(diào)蓄能力等治澇措施,為確定區(qū)域合理的治澇工程措施提供依據(jù)。