不同排水模數(shù)計(jì)算方法在錦西灌區(qū)適用性分析

王影桃,宋長虹

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

科技成果

不同排水模數(shù)計(jì)算方法在錦西灌區(qū)適用性分析

王影桃,宋長虹

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

排水模數(shù)作為工程排水標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)，對排水工程的安全運(yùn)行具有重要意義，如何準(zhǔn)確的計(jì)算排水模數(shù)則至關(guān)重要。目前，關(guān)于排水模數(shù)的計(jì)算方法有很多種，如何正確的計(jì)算排水模數(shù)對于排水工程有具有重要意義。文章以黑龍江錦溪灌區(qū)為研究對象，基于不同的排水標(biāo)準(zhǔn)，利用經(jīng)驗(yàn)公式法和平均排除法分別計(jì)算了其排水模數(shù)，并對其結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：排水模數(shù)值以3d為閾值，當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)為3d時(shí)，兩種方法計(jì)算結(jié)果相等；當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)>3d時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式法求得的排水模數(shù)較大；當(dāng)排水天數(shù)<3d時(shí)，用平均排除法求得的排水模數(shù)較大。在工程設(shè)計(jì)過程中，出于安全考慮，應(yīng)取兩者的較大值。

排水模數(shù)；平均排除法；經(jīng)驗(yàn)公式法

0 引 言

澇災(zāi)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著巨大的影戲，有效的防治澇災(zāi)具有重大意義。排水工程作為排澇的基礎(chǔ)設(shè)施，對于保障灌區(qū)運(yùn)行安全及減輕澇災(zāi)影響具有重要意義。因此，怎樣科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算排水模數(shù)，對于有效發(fā)揮排水工程作用，保障灌區(qū)安全及減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。目前，國內(nèi)外常用于計(jì)算排水模數(shù)的方法主要為經(jīng)驗(yàn)公式法及平均排除法。其中，平均排除法所需率定參數(shù)較少，簡便易行，但公式并不能反映河道對洪峰的調(diào)節(jié)作用，應(yīng)用于城市排澇計(jì)算中，會(huì)使得計(jì)算結(jié)果偏小，故常應(yīng)用于平原區(qū)以農(nóng)田為主的排澇計(jì)算；經(jīng)驗(yàn)公式法中引入了排水面積、設(shè)計(jì)徑流深、綜合系數(shù)、峰量指數(shù)及遞減指數(shù)，可較為詳細(xì)的反映流域?qū)榉宓恼{(diào)節(jié)作用，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，在以農(nóng)田為主的平原區(qū)中應(yīng)用較廣。

通過對比上述兩種方法在以往工程中的應(yīng)用，其特點(diǎn)為：當(dāng)排水面積>50km2時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式法主要用于平原集水面積大的河道及排水溝，設(shè)計(jì)依據(jù)是最大流量，考慮了研究區(qū)流域的面積對匯流的影響，且該方法由于假設(shè)河槽通過最大流量時(shí)不發(fā)生漫槽，因此不能直接反應(yīng)淹沒時(shí)間。平均排除法則主要適用于集水面積小的平原區(qū)域和面積<10km2的田間排水溝。對于產(chǎn)匯流過程較慢和集水面積較大的平原時(shí)，在河道、低洼及其他調(diào)蓄水的區(qū)域仍滯留有澇水，必須以平均排澇流量進(jìn)行調(diào)蓄。故在計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨條件下的排澇時(shí)間時(shí)，從保證工程安全角度出發(fā)，應(yīng)對比經(jīng)驗(yàn)公式法及平均排除法計(jì)算結(jié)果，選擇最利于工程安全的結(jié)果，以確保工程能安全云運(yùn)行。綜上所述，文章以黑龍江省富錦市，錦西灌區(qū)為例，比較了經(jīng)驗(yàn)公式法及平均排除法兩者的計(jì)算結(jié)果，建立兩者之間的聯(lián)系，對指導(dǎo)研究區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作具有重要意義。

1 排水模數(shù)

排澇標(biāo)準(zhǔn)對排澇工程中排水流量的計(jì)算、排水溝渠、滯澇設(shè)施及其相應(yīng)建筑物的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。農(nóng)田排水的目的是在某特定頻率暴雨條件下，將由暴雨引起的地面積水在規(guī)定時(shí)間內(nèi)控制在規(guī)定深度以下，將去對作物生長的影響降低。目前，我國較為常用的農(nóng)田排水標(biāo)準(zhǔn)主要有以下3種形式：①在特定重現(xiàn)期的暴雨條件下，區(qū)域內(nèi)作物不受澇災(zāi)；②研究區(qū)內(nèi)所有作物的不受澇保證率；③暴雨或者澇災(zāi)典型年為標(biāo)準(zhǔn)。目前以第一種方式普遍適用，即重現(xiàn)期，第一種表達(dá)方式分別明確指出了暴雨重現(xiàn)期和暴雨條件下作物不受澇。作物受澇的指標(biāo)是淹沒深度和淹沒歷時(shí)，且這兩個(gè)指標(biāo)概念清晰明了，在計(jì)算時(shí)具有普遍的適用性，可以全面反映研究區(qū)實(shí)際的排澇情況，因此得到廣泛的應(yīng)用。

影響排澇標(biāo)準(zhǔn)的因素主要有暴雨的重現(xiàn)期和歷時(shí)以及排水天數(shù)。目前，中國在排水渠道設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期一般取為5-10a一遇，暴雨歷時(shí)時(shí)段取為1、3及7d，排水天數(shù)由作物的耐淹能力決定，不同的作物耐淹能力不同，耐淹能力有耐淹天數(shù)及耐淹水深兩個(gè)主要影響因素，工程設(shè)計(jì)中，排水天數(shù)應(yīng)該盡可能小于耐淹天數(shù)，防止?jié)碁?zāi)發(fā)生，以免造成經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，水稻作物的耐淹天數(shù)為3-5d，旱田作物的耐淹天數(shù)為1-2d[1]，相應(yīng)的排水歷時(shí)應(yīng)比耐淹天數(shù)小。結(jié)合黑龍江省實(shí)際情況及歷史研究資料，選取旱田作物1d暴雨2d排和水稻3d暴雨4d排。

2 排水模數(shù)的計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

集水面積小時(shí)，以研究區(qū)域相鄰雨量站長系列雨量資料為依據(jù)，進(jìn)行排澇模數(shù)的計(jì)算，對排澇面積大的區(qū)域，則以面雨量為依據(jù)對排澇模數(shù)進(jìn)行計(jì)算；選樣則以年最大值法位計(jì)算方法。對長系列的降雨資料，不同歷時(shí)的最大暴雨量則根據(jù)P-III 型理論進(jìn)行計(jì)算，得到設(shè)計(jì)頻率和設(shè)計(jì)歷時(shí)的暴雨量。

2.2 設(shè)計(jì)凈雨

文章中為了計(jì)算簡便，不詳細(xì)的對下墊面進(jìn)行分類，簡化的依據(jù)產(chǎn)流特點(diǎn)，按照水田、旱地(包括荒地)、水面等進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。由于錦西灌區(qū)主要以水田為主，因此只作水田產(chǎn)流討論：

水田：以稻田為主，基于暴雨扣損法計(jì)算水稻不同生育期的排澇指數(shù)(需水深度、耐淹水深、耗水系數(shù)及灌排方式)，根據(jù)水量平衡原理計(jì)算生育期內(nèi)的水量。即：

H水田=R-h田蓄αEt

(1)

式中：H水田為水田產(chǎn)流量，mm；R為降雨量，mm；h田蓄為水田滯蓄水深，mm；α為水田蒸發(fā)折算系數(shù)；E為蒸發(fā)皿水面日平均蒸發(fā)量，mm；t為排水天數(shù)，d。若R為正時(shí)，則表明產(chǎn)水，H水田為負(fù)時(shí)表示明蓄水空間(取H水田為0)。

2.3 計(jì)算方法

文章運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法和平均排除法求解排水模數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式法和平均排除法是目前國內(nèi)外較為常用的方法，且兩種方法在應(yīng)用時(shí)均受所研究區(qū)域特性的約束，所以在不同地區(qū)應(yīng)用時(shí)，都需對兩種方法進(jìn)行分析比較，選擇最為合理的方法進(jìn)行計(jì)算，以保證所設(shè)計(jì)渠道的安全運(yùn)行[2]。

1)經(jīng)驗(yàn)公式法：經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的基本思路是排水模數(shù)與設(shè)計(jì)徑流深和排水區(qū)面積有密切關(guān)系，基于上述兩者與排水模數(shù)之間的關(guān)系求解設(shè)計(jì)排水模數(shù)，求解公式如下：

Q經(jīng)=KhmAn

(2)

式中：Q經(jīng)為設(shè)計(jì)排水模數(shù)，m3/s·km2；A為排水系統(tǒng)控制的排水面積，km2；h為設(shè)計(jì)徑流深，mm；K為綜合系數(shù)；m為峰量指數(shù)；n為遞減指數(shù)。

2)平均排除法：平均排除法是在特定的時(shí)間內(nèi)將標(biāo)準(zhǔn)下的降水量進(jìn)行平均排出，其求解公式如下：

(3)

式中：Q平為設(shè)計(jì)排水模數(shù)，m3/s·km2；R為區(qū)域設(shè)計(jì)徑流深，mm；t平為排水天數(shù)d。

3 案例分析

選擇位于黑龍江省富錦市西部的錦西灌區(qū)，地理坐標(biāo)為E131°30′-132°37′，N46°48′-47°14′。錦西灌區(qū)總面積為733.3km2，地面高程在60.00-65.00m?？傮w地勢，灌區(qū)西部及北部高，灌區(qū)東部及南部底。共有干渠5條、支渠83條。干渠除總干渠外，均為灌排兩用渠道。支渠分為單灌單排及灌排兩用兩類[3]。

3.1 排水標(biāo)準(zhǔn)對排水模數(shù)的影響

3.1.1 排水標(biāo)準(zhǔn)

排水標(biāo)準(zhǔn)通常由重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)及排水天數(shù)三個(gè)要素組成。由于作物的耐淹能力與淹沒水深和淹沒歷時(shí)都有關(guān)系，三者并不相互獨(dú)立。為了計(jì)算簡便，假設(shè)三者相互獨(dú)立。文章以錦西灌區(qū)為例，確定了下墊面條件之后，按照上述2種方法計(jì)算排水模數(shù)。為比較2種方法計(jì)算結(jié)果關(guān)系，文章暫時(shí)忽略暴雨降雨特性及作物耐淹時(shí)間，人為設(shè)定重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)及排水天數(shù)三個(gè)要素的不同組合，以研究不同排水標(biāo)準(zhǔn)對排水模數(shù)的影響。其中，重現(xiàn)期取值范圍為3a、5a、10a、20a及100a；暴雨歷時(shí)取值范圍為1d及3d；排水天數(shù)取值范圍為2d及4d，共計(jì)20中不同組合方式。

3.1.2 排水模數(shù)的計(jì)算

1)設(shè)計(jì)暴雨：按照面雨量進(jìn)行排水計(jì)算，灌區(qū)現(xiàn)有雨量站降雨資料較為齊全，具有1910-2013年共104a資料，從不同頻率暴雨量中選出分析所需頻率為1%、5%、10%、20%、33.3%及100%對應(yīng)年降雨資料。

2)設(shè)計(jì)凈雨：水田：根據(jù)黑龍江省現(xiàn)狀及查閱相關(guān)資料取錦西灌區(qū)水田滯蓄水深為30mm。

3)排水模數(shù)：通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[4]，可得經(jīng)驗(yàn)公式中K、m及n3個(gè)參數(shù)取值分別為：K=0.017、m=1、n=0.238。將中K、m及n三參數(shù)值代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算不同重現(xiàn)期下1d暴雨和3d暴雨的排水模數(shù)，同時(shí)運(yùn)用平均排除法計(jì)算不同重現(xiàn)期下1d暴雨和3d暴雨排水模數(shù)，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 2種方法計(jì)算得到的排水模數(shù) m3/s·km2

由表1可知：通過橫向及縱向比較分析，相同暴雨重現(xiàn)期下，不同暴雨歷時(shí)2種方法計(jì)算結(jié)果以及相同暴雨歷時(shí)下，不同暴雨重現(xiàn)期2種方法計(jì)算結(jié)果?？傻萌缦陆Y(jié)論，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期相同時(shí)，排水模數(shù)與暴雨歷時(shí)正相關(guān)；當(dāng)暴雨歷時(shí)相同時(shí)，排水模數(shù)與暴雨重現(xiàn)期正相關(guān)。同時(shí)，按照3d暴雨4d排計(jì)算時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果較平均排除法計(jì)算結(jié)果大；按照1d暴雨2d排計(jì)算時(shí)，平均排除法計(jì)算結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)公式法大?；诖?，文章將進(jìn)一步分析2種方法的試用情況。

3.2 兩種計(jì)算公式的對應(yīng)關(guān)系

3.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式中的排水天數(shù)

由經(jīng)驗(yàn)公式中主要參數(shù)為K、m及n，通過經(jīng)驗(yàn)公式無法直觀計(jì)算出淹沒歷時(shí)及排水排水歷時(shí)，在此為了推到出經(jīng)驗(yàn)公式對應(yīng)的排水天數(shù)，便于與平均排除法求得天數(shù)進(jìn)行對比，文章假定按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的排水流量均勻排除，可得到：

(3)式中：K、m及n三個(gè)參數(shù)代入式3中，容易求得t經(jīng)=3，即可理解為，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的排水模數(shù)，其對應(yīng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)流量平均排除時(shí)，其對應(yīng)的排水天數(shù)為3d。

3.2.2 計(jì)算方法的比較

在確定了暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)及排水天數(shù)的情況下，經(jīng)驗(yàn)公式法及平均排除法計(jì)算得到的排水模數(shù)之比為：

(4)

將經(jīng)驗(yàn)公式中的有關(guān)參數(shù)代入可得：

(5)

當(dāng)t平=1、2、3、4、5 時(shí)，比例分別為0.288、0.576、1.000、1.152 和1.440，由上可知，以黑龍江地區(qū)參數(shù)值求得排水模數(shù)值以3d為閾值，排水模數(shù)值以3d為閾值，當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)為3d時(shí)，兩種方法計(jì)算結(jié)果相等；當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)>3d時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式法求得的排水模數(shù)較大；當(dāng)排水天數(shù)<3d時(shí)，用平均排除法求得的排水模數(shù)較大。在工程設(shè)計(jì)過程中，出于安全考慮，應(yīng)取兩者的較大值。

4 結(jié) 論

通過比較分析經(jīng)驗(yàn)公式法及平均排除法兩種方法排水模數(shù)計(jì)算結(jié)果可知：

1)當(dāng)暴雨重現(xiàn)期相同時(shí)，排水模數(shù)與暴雨歷時(shí)正相關(guān)；當(dāng)暴雨歷時(shí)相同時(shí)，排水模數(shù)與暴雨重現(xiàn)期正相關(guān)。

2)排水模數(shù)值以3d為閾值，當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)為3d時(shí)，兩種方法計(jì)算結(jié)果相等；當(dāng)設(shè)計(jì)排水天數(shù)>3d時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式法求得的排水模數(shù)較大；當(dāng)排水天數(shù)<3d時(shí)，用平均排除法求得的排水模數(shù)較大。在工程設(shè)計(jì)過程中，出于安全考慮，應(yīng)取兩者的較大值。

[1]溫季，王少麗，王修貴.農(nóng)業(yè)澇漬災(zāi)害防御技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000：26-31.

[2]溫季，宰松梅，郭樹龍，等.利用DRAINMOD 模型模擬不同排水管間距下的作物產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(08)：20-24.

[3]中華人民共和國水利部.GB50288-99 灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

[4]郭元裕.農(nóng)田水利學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，1997：27-48.

Suitability Analysis for Different Drainage ModulusCalculation Method in Jinxi Irrigation Area

WANG Ying-tao and SONG Chang-hong

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

As an important parameter of project drainage standard, the drainage modulus is of great significance for safe operation of drainage projects, and correct calculation for drainage modulus is vital important. At present, there are many calculation methods about drainage modulus, so how to calculate correctly the drainage modulus is very meaningful for the drainage project. Taking the Jinxi irrigation area of Heilongjiang Province as the researched object, based on different drainage standard, this paper applied experience formula method and average exclusive method to calculate separately its drainage modulus and compare and analyze the results. The results show that the drainage modulus take three days as the threshold value, the calculation results of two methods are equal when the drainage modulus designed was three days; the drainage modulus obtained through experience formula method is more when more than three days; the drainage modulus obtained through average exclusive method is more when less than three days. For safety, the maximum value of both should be used during the process of project design.

drainage modulus; average exclusion method; experience formula method

1007-7596(2017)08-0001-03

2017-07-25

黑龍江省灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)研究(201307)

王影桃(1980-)，女，黑龍江安達(dá)人，高級(jí)工程師；宋長虹(1978-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級(jí)工程師。

S2777

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