遼河干流平原區(qū)典型站點(diǎn)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)及排澇潮位計(jì)算分析

胡曉松

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

對(duì)于平原區(qū)而言，排澇模數(shù)是水利工程設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，是區(qū)域排水泵站、閘壩、防洪工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1]。遼寧省平原區(qū)面積占遼寧省面積的1/3，大部分分布在遼河平原區(qū)。近些年來，隨著遼河干流綜合治理規(guī)劃項(xiàng)目的逐步開展，對(duì)于區(qū)域工程設(shè)計(jì)所需的排澇模數(shù)關(guān)注度逐步增加。遼寧省設(shè)計(jì)部門在20世紀(jì)90年代開展過遼寧省的治澇規(guī)劃，提出遼河干流不同區(qū)域的排澇模數(shù)[2]，但是至今已有20年，受區(qū)域變化環(huán)境，尤其是下墊面特征的影響，其排澇模數(shù)已發(fā)生不同程度的變化，需要結(jié)合站點(diǎn)最新的數(shù)據(jù)系列資料，對(duì)其設(shè)計(jì)排澇模數(shù)進(jìn)行分析[3]。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)排澇模數(shù)的計(jì)算方法已經(jīng)取得不少研究成果[4- 111]，這其中平均排除法由于可綜合考慮旱地和水田的綜合影響，在一些區(qū)域應(yīng)用較為成熟[12- 115]，但在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合平均排除法對(duì)其排澇模數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此外，遼河平原區(qū)入?？诘某蔽皇艿接旰楹透叱蔽还餐绊懀瑢?duì)感潮河段的洪水影響較大，為此本文結(jié)合遼河平原營口站位研究實(shí)例，對(duì)其雨潮遭遇的概率進(jìn)行分析，分析的成果對(duì)于遼河干流平原區(qū)水利工程設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 遼寧省澇區(qū)概況

遼寧省主要的排澇區(qū)域分布在遼河平原區(qū)，其總的排澇面積為2765km2，較容易發(fā)生洪澇的耕地區(qū)域的面積為1453萬畝。中部平原區(qū)易澇面積1334.14萬畝，占遼寧省易澇面積的92%；東、西部沿海諸河零星區(qū)易澇面積118.86萬畝，僅占遼寧省易澇面積的8%。易澇耕地面積占澇區(qū)總控制面積的42.6%。遼寧省平原區(qū)發(fā)生的洪澇災(zāi)害的時(shí)空分布特征主要為：

(1)時(shí)間特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980—2012年的33年間，遼寧省發(fā)生澇災(zāi)且受災(zāi)面積大于50萬畝的年份有19年，發(fā)生頻率達(dá)57.6%；1980—1989年間有4年，其中1985年受災(zāi)面積超過1000萬畝，且是遼寧省范圍內(nèi)受災(zāi)；1990—1999年間有7年，其中1994年和1995年連續(xù)兩年受災(zāi)面積均超過700萬畝；2000—2009年間有5年，其中2005年受災(zāi)面積超過700萬畝；2010—2012年間連續(xù)3年均有澇災(zāi)發(fā)生，其中2010年受災(zāi)面積接近600萬畝。從上述數(shù)據(jù)可以看出，遼寧省大體上是三年兩澇，且每隔10年左右即有較大的澇災(zāi)年發(fā)生。從年內(nèi)分布情況分析，由于季風(fēng)氣候的影響，每年6月份開始進(jìn)入雨季，春季降雨量只占全年降雨量10%～15%，澇漬災(zāi)害以立秋前后夏、秋兩季的夏澇和秋澇為主，春澇也偶有發(fā)生，但幾率很少。

(2)空間特征。遼寧省平原區(qū)尤其是遼河流域發(fā)生洪澇災(zāi)害的頻次較大。澇漬災(zāi)害在各種不同澇漬類型中的輕重程度，與暢排條件的程度和趨勢相一致，即暢排條件差的平原洼地的災(zāi)害重于暢排條件較好的平原坡地和山區(qū)谷地。

2 排澇模數(shù)的計(jì)算方法

(1)以旱地為主澇區(qū)的排澇模數(shù)的計(jì)算方程為：

(1)

式中，Mh—旱地為主澇區(qū)的排澇模數(shù)，m3/(s·km2)；R—?dú)v時(shí)為T內(nèi)的設(shè)計(jì)凈雨量，mm；T—排澇時(shí)間，s。

(2)水田為主澇區(qū)的排澇模數(shù)的計(jì)算方程為：

(2)

RS=PT′-Hs-f-ET

(3)

式中，Ms—水田為主澇區(qū)的設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m3/(s·km2)；Rs—需要排澇的水深，mm；PT′—設(shè)計(jì)暴雨量，mm；Hs—水田的凈水深，mm；f—?dú)v時(shí)為T的滲透水量，mm；ET—水田的日蒸發(fā)量，mm。

水田排澇模數(shù)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 水田排澇模數(shù)計(jì)算參數(shù)表

3 排澇模數(shù)的計(jì)算結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)前期雨量計(jì)算

以遼河干流6個(gè)典型站點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)其不同分區(qū)的設(shè)計(jì)前期雨量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 遼河干流不同分區(qū)設(shè)計(jì)前期雨量計(jì)算結(jié)果

前期影響雨量主要對(duì)場地降水產(chǎn)生的徑流和土壤入滲量發(fā)生不同程度的影響，是土壤包氣帶含沙量變化的重要指標(biāo)，一般計(jì)算前期影響雨量要求其小于流域的最大土壤蓄水容量Im值。計(jì)算前期影響雨量需要確定的參數(shù)值為n、Im和K值。土壤蓄水容量Im值時(shí)流域土壤蓄水條件的綜合指標(biāo)，與土壤包氣帶的特征、土壤特性以及區(qū)域地下水埋深具有較大的相關(guān)性,因此，各地區(qū)的Im值不同。遼寧省Im南區(qū)采用110mm，中區(qū)采用120mm，北區(qū)采用130mm，西區(qū)采用130mm。n值為區(qū)域前期影響雨量所發(fā)映的一個(gè)特征值。一般而言n值與K值的相關(guān)度較大，其范圍一般在15～30d以內(nèi)，通過對(duì)遼河平原排澇特征的分析，其排澇模數(shù)計(jì)算時(shí)采用的前期影響雨量的天數(shù)為20d，因此本文選用20d作為其設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算所設(shè)定的排澇天數(shù)。土壤水消退系數(shù)K是表征包氣帶土壤持水量的重要參數(shù)，與地下水位變化具有較大的相關(guān)性，K值的變化度主要取決于降雨產(chǎn)流前后地下水埋深的變化，是地下水與氣象要素對(duì)土壤包氣帶含水量綜合反映的一個(gè)重要參數(shù)值。通過對(duì)經(jīng)過試驗(yàn)分析遼河流域當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.5m時(shí)取K=1，地下水埋深大于3m時(shí)K取定值；地下水埋深在0.5～3.0m之間時(shí)K為變值，采用公式[16]進(jìn)行求解。經(jīng)分析遼寧省平原澇區(qū)1983—2017年汛期各分區(qū)平均地下水埋深均在0.5～3.2m之間，按照該方法計(jì)算各分區(qū)的K值如下：北區(qū)和西區(qū)為0.95，南區(qū)和中區(qū)為0.955。

3.2 設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算

結(jié)合平均排除法對(duì)遼河干流不同分區(qū)的設(shè)計(jì)排澇模數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 遼河干流不同分區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果

平均排除法主要按照排澇面積來作為其設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，一般而言，當(dāng)控制面積大于200km2一般可認(rèn)定為排澇面積較大的片區(qū)，當(dāng)控制面積在50～200km2之間則可認(rèn)定為中等面積的排澇區(qū)域，當(dāng)控制面積小于50km2，則可以認(rèn)定其排澇面積的區(qū)域較小，為小面積排澇區(qū)域，不同的排澇分區(qū)按照控制面積進(jìn)行排澇典型方式的選取，不需要對(duì)排澇區(qū)域的作物的種類以及排水的方式進(jìn)行具體劃分，因此本文對(duì)不同排澇片區(qū)的水田、旱地的不同排水方式進(jìn)行其設(shè)計(jì)排澇模數(shù)的計(jì)算，由于不同排水方式下的排澇模數(shù)計(jì)算方法、設(shè)計(jì)凈雨的計(jì)算方法均相同，因此其計(jì)算結(jié)果具有一致性，表3中只對(duì)水田和旱地的設(shè)計(jì)排澇模數(shù)進(jìn)行分析，從其設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果可分析出，同一個(gè)頻率下水田設(shè)計(jì)排澇模數(shù)一般小于旱田的設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，在水利工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于水田、旱地不同排水方式下的排澇模數(shù)應(yīng)進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。

4 排澇潮位的計(jì)算結(jié)果

4.1 設(shè)計(jì)排澇潮位計(jì)算

結(jié)合各水位站實(shí)測數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)資料見表4，對(duì)其設(shè)計(jì)排澇潮位進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5、如圖1所示。

表4 各水位站資料情況表

表5 各潮位站設(shè)計(jì)潮位成果表(85國家高程基準(zhǔn)) 單位：m

圖1 各站點(diǎn)頻率曲線分析結(jié)果

結(jié)合《海港水文規(guī)范》對(duì)于區(qū)域設(shè)計(jì)潮位采用頻率分析的方法進(jìn)行計(jì)算，其要求計(jì)算的潮位數(shù)據(jù)系列的長度不低于20年，并盡量對(duì)歷史上發(fā)生高潮位的特征值進(jìn)行調(diào)查。設(shè)計(jì)潮位的頻率計(jì)算的線性應(yīng)采用皮爾遜-Ⅲ型分布曲線進(jìn)行頻率分布的計(jì)算。結(jié)合遼寧省地區(qū)暴雨、下墊面以及作物種類對(duì)于排澇方式和模式的需求，其排澇模數(shù)設(shè)計(jì)的天數(shù)一般為3d，設(shè)計(jì)排澇潮位的計(jì)算一般采用3d潮位的最大值進(jìn)行樣本的選擇分析。我省潮位資料在20年以上的觀測站點(diǎn)為有石山子站、盤山站、三岔河站、營口站、田莊臺(tái)站。從表6中可看出，三岔河站不同頻率設(shè)計(jì)潮位最高，主要是因?yàn)槠涫侨牒？谡?，其次盤山站設(shè)計(jì)潮位較高，受到潮位影響較大，營口站也為入海站，但受海潮變化影響較小，因此其不同頻率下的設(shè)計(jì)潮位最低。從圖1中可看出，各站點(diǎn)的潮位符合皮爾遜-Ⅲ型分布曲線的變化。

4.2 營口潮位站雨潮遭遇分析

4.2.1當(dāng)以3d降水為主因的雨潮遭遇概率

以營口站位實(shí)例，對(duì)其最大的3d降水量及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)的最高潮位的均值作為營口站點(diǎn)的潮位數(shù)據(jù)，對(duì)其降水量和潮位的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 營口站最大3d雨量與營口相應(yīng)高潮位相關(guān)圖

從圖中可分析出，在1956—2017年的相關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，有3年的數(shù)據(jù)系列點(diǎn)在雨潮遭遇的概率線上，因此該數(shù)據(jù)為以降水為主因的降水和潮位相遇下的分析結(jié)果，但由于出現(xiàn)的系列年份較短，因此當(dāng)發(fā)生連續(xù)3d的降雨量較大的情況下，營口站點(diǎn)出現(xiàn)5～50年一遇的3d降水量和營口站最大潮位的結(jié)合點(diǎn)為2.72m，該數(shù)據(jù)高于營口站多年的潮位均值，但是低于頻率為5年的潮位值，因此以降水為主因下的潮水位和降水遭遇時(shí)，營口站出現(xiàn)的潮位值為2.72m。

4.2.2高潮水位為主因下的降水和潮水位遭遇分析

對(duì)營口站連續(xù)3d發(fā)生最高潮位時(shí)和連續(xù)3d出現(xiàn)降雨的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，并對(duì)設(shè)計(jì)條件下的降雨和潮位的遭遇進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 營口最高潮位與營口站相應(yīng)最大3d雨量相關(guān)圖

從圖中可看出，在1956—2017年的相關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，有3年的數(shù)據(jù)系列點(diǎn)在潮雨遭遇的概率線上，因此該數(shù)據(jù)為以高潮潮位為主因的降水和潮位相遇下的分析結(jié)果，但由于出現(xiàn)的系列較短，低于5年，當(dāng)出現(xiàn)高潮潮位的主因的條件下，營口站出現(xiàn)10～50年一遇的設(shè)計(jì)潮位和降雨發(fā)生遭遇的降水量小于5年一遇的的3d降水量值為154mm，因此當(dāng)高潮水位和流域3d降水量出現(xiàn)遭遇的情況下，采用其3d最大的降水量值為154mm。

5 結(jié)語

(1)在具體的設(shè)計(jì)工作中，在設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算時(shí)應(yīng)該按照水田及旱田的排水方式及排澇面積進(jìn)行綜合細(xì)化計(jì)算，提高設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算的精準(zhǔn)性。

(2)在設(shè)計(jì)排澇潮位計(jì)算時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)系列應(yīng)不低于20年，并應(yīng)對(duì)其歷史潮位特大值進(jìn)行調(diào)查，在潮汐河口區(qū)域，設(shè)計(jì)潮位選用P-Ⅲ型分布曲線進(jìn)行頻率計(jì)算。

(3)當(dāng)出現(xiàn)高潮潮位的主因的條件下，營口站出現(xiàn)10～50年一遇的設(shè)計(jì)潮位和降雨發(fā)生遭遇的降水量小于5年一遇的的3d降水量值為154mm。

(4)本文計(jì)算的最高頻率為20年一遇，在以后的研究中還應(yīng)對(duì)更多頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)排澇模數(shù)和排澇潮位的分析。