不同排水模數計算方法在錦西灌區適用性分析

王影桃,宋長虹

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院,哈爾濱 150080)

科技成果

不同排水模數計算方法在錦西灌區適用性分析

王影桃,宋長虹

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院,哈爾濱 150080)

排水模數作為工程排水標準的重要參數，對排水工程的安全運行具有重要意義，如何準確的計算排水模數則至關重要。目前，關于排水模數的計算方法有很多種，如何正確的計算排水模數對于排水工程有具有重要意義。文章以黑龍江錦溪灌區為研究對象，基于不同的排水標準，利用經驗公式法和平均排除法分別計算了其排水模數，并對其結果進行對比分析。結果表明：排水模數值以3d為閾值，當設計排水天數為3d時，兩種方法計算結果相等；當設計排水天數>3d時，用經驗公式法求得的排水模數較大；當排水天數<3d時，用平均排除法求得的排水模數較大。在工程設計過程中，出于安全考慮，應取兩者的較大值。

排水模數；平均排除法；經驗公式法

0 引 言

澇災對農業生產有著巨大的影戲，有效的防治澇災具有重大意義。排水工程作為排澇的基礎設施，對于保障灌區運行安全及減輕澇災影響具有重要意義。因此，怎樣科學準確的計算排水模數，對于有效發揮排水工程作用，保障灌區安全及減少經濟損失具有重要意義。目前，國內外常用于計算排水模數的方法主要為經驗公式法及平均排除法。其中，平均排除法所需率定參數較少，簡便易行，但公式并不能反映河道對洪峰的調節作用，應用于城市排澇計算中，會使得計算結果偏小，故常應用于平原區以農田為主的排澇計算；經驗公式法中引入了排水面積、設計徑流深、綜合系數、峰量指數及遞減指數，可較為詳細的反映流域對洪峰的調節作用，計算結果較為準確，在以農田為主的平原區中應用較廣。

通過對比上述兩種方法在以往工程中的應用，其特點為：當排水面積>50km2時，經驗公式法主要用于平原集水面積大的河道及排水溝，設計依據是最大流量，考慮了研究區流域的面積對匯流的影響，且該方法由于假設河槽通過最大流量時不發生漫槽，因此不能直接反應淹沒時間。平均排除法則主要適用于集水面積小的平原區域和面積<10km2的田間排水溝。對于產匯流過程較慢和集水面積較大的平原時，在河道、低洼及其他調蓄水的區域仍滯留有澇水，必須以平均排澇流量進行調蓄。故在計算設計暴雨條件下的排澇時間時，從保證工程安全角度出發，應對比經驗公式法及平均排除法計算結果，選擇最利于工程安全的結果，以確保工程能安全云運行。綜上所述，文章以黑龍江省富錦市，錦西灌區為例，比較了經驗公式法及平均排除法兩者的計算結果，建立兩者之間的聯系，對指導研究區進行設計工作具有重要意義。

1 排水模數

排澇標準對排澇工程中排水流量的計算、排水溝渠、滯澇設施及其相應建筑物的設計提供理論依據。農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定時間內控制在規定深度以下，將去對作物生長的影響降低。目前，我國較為常用的農田排水標準主要有以下3種形式：①在特定重現期的暴雨條件下，區域內作物不受澇災；②研究區內所有作物的不受澇保證率；③暴雨或者澇災典型年為標準。目前以第一種方式普遍適用，即重現期，第一種表達方式分別明確指出了暴雨重現期和暴雨條件下作物不受澇。作物受澇的指標是淹沒深度和淹沒歷時，且這兩個指標概念清晰明了，在計算時具有普遍的適用性，可以全面反映研究區實際的排澇情況，因此得到廣泛的應用。

影響排澇標準的因素主要有暴雨的重現期和歷時以及排水天數。目前，中國在排水渠道設計中，設計暴雨重現期一般取為5-10a一遇，暴雨歷時時段取為1、3及7d，排水天數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及耐淹水深兩個主要影響因素，工程設計中，排水天數應該盡可能小于耐淹天數，防止澇災發生，以免造成經濟損失。根據以往的研究經驗，水稻作物的耐淹天數為3-5d，旱田作物的耐淹天數為1-2d[1]，相應的排水歷時應比耐淹天數小。結合黑龍江省實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 排水模數的計算

2.1 設計暴雨

集水面積小時，以研究區域相鄰雨量站長系列雨量資料為依據，進行排澇模數的計算，對排澇面積大的區域，則以面雨量為依據對排澇模數進行計算；選樣則以年最大值法位計算方法。對長系列的降雨資料，不同歷時的最大暴雨量則根據P-III 型理論進行計算，得到設計頻率和設計歷時的暴雨量。

2.2 設計凈雨

文章中為了計算簡便，不詳細的對下墊面進行分類，簡化的依據產流特點，按照水田、旱地(包括荒地)、水面等進行產流計算。由于錦西灌區主要以水田為主，因此只作水田產流討論：

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

H水田=R-h田蓄αEt

(1)

式中：H水田為水田產流量，mm；R為降雨量，mm；h田蓄為水田滯蓄水深，mm；α為水田蒸發折算系數；E為蒸發皿水面日平均蒸發量，mm；t為排水天數，d。若R為正時，則表明產水，H水田為負時表示明蓄水空間(取H水田為0)。

2.3 計算方法

文章運用經驗公式法和平均排除法求解排水模數。經驗公式法和平均排除法是目前國內外較為常用的方法，且兩種方法在應用時均受所研究區域特性的約束，所以在不同地區應用時，都需對兩種方法進行分析比較，選擇最為合理的方法進行計算，以保證所設計渠道的安全運行[2]。

1)經驗公式法：經驗公式法計算的基本思路是排水模數與設計徑流深和排水區面積有密切關系，基于上述兩者與排水模數之間的關系求解設計排水模數，求解公式如下：

Q經=KhmAn

(2)

式中：Q經為設計排水模數，m3/s·km2；A為排水系統控制的排水面積，km2；h為設計徑流深，mm；K為綜合系數；m為峰量指數；n為遞減指數。

2)平均排除法：平均排除法是在特定的時間內將標準下的降水量進行平均排出，其求解公式如下：

(3)

式中：Q平為設計排水模數，m3/s·km2；R為區域設計徑流深，mm；t平為排水天數d。

3 案例分析

選擇位于黑龍江省富錦市西部的錦西灌區，地理坐標為E131°30′-132°37′，N46°48′-47°14′。錦西灌區總面積為733.3km2，地面高程在60.00-65.00m。總體地勢，灌區西部及北部高，灌區東部及南部底。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 排水標準對排水模數的影響

3.1.1 排水標準

排水標準通常由重現期、暴雨歷時及排水天數三個要素組成。由于作物的耐淹能力與淹沒水深和淹沒歷時都有關系，三者并不相互獨立。為了計算簡便，假設三者相互獨立。文章以錦西灌區為例，確定了下墊面條件之后，按照上述2種方法計算排水模數。為比較2種方法計算結果關系，文章暫時忽略暴雨降雨特性及作物耐淹時間，人為設定重現期、暴雨歷時及排水天數三個要素的不同組合，以研究不同排水標準對排水模數的影響。其中，重現期取值范圍為3a、5a、10a、20a及100a；暴雨歷時取值范圍為1d及3d；排水天數取值范圍為2d及4d，共計20中不同組合方式。

3.1.2 排水模數的計算

1)設計暴雨：按照面雨量進行排水計算，灌區現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%對應年降雨資料。

2)設計凈雨：水田：根據黑龍江省現狀及查閱相關資料取錦西灌區水田滯蓄水深為30mm。

3)排水模數：通過查閱相關文獻資料[4]，可得經驗公式中K、m及n3個參數取值分別為：K=0.017、m=1、n=0.238。將中K、m及n三參數值代入經驗公式計算不同重現期下1d暴雨和3d暴雨的排水模數，同時運用平均排除法計算不同重現期下1d暴雨和3d暴雨排水模數，計算結果詳見表1。

表1 2種方法計算得到的排水模數 m3/s·km2

由表1可知：通過橫向及縱向比較分析，相同暴雨重現期下，不同暴雨歷時2種方法計算結果以及相同暴雨歷時下，不同暴雨重現期2種方法計算結果。可得如下結論，當暴雨重現期相同時，排水模數與暴雨歷時正相關；當暴雨歷時相同時，排水模數與暴雨重現期正相關。同時，按照3d暴雨4d排計算時，經驗公式法計算結果較平均排除法計算結果大；按照1d暴雨2d排計算時，平均排除法計算結果較經驗公式法大。基于此，文章將進一步分析2種方法的試用情況。

3.2 兩種計算公式的對應關系

3.2.1 經驗公式中的排水天數

由經驗公式中主要參數為K、m及n，通過經驗公式無法直觀計算出淹沒歷時及排水排水歷時，在此為了推到出經驗公式對應的排水天數，便于與平均排除法求得天數進行對比，文章假定按照經驗公式計算的排水流量均勻排除，可得到：

(3)式中：K、m及n三個參數代入式3中，容易求得t經=3，即可理解為，依據經驗公式法計算得到的排水模數，其對應設計重現期的設計暴雨產流量平均排除時，其對應的排水天數為3d。

3.2.2 計算方法的比較

在確定了暴雨重現期、暴雨歷時及排水天數的情況下，經驗公式法及平均排除法計算得到的排水模數之比為：

(4)

將經驗公式中的有關參數代入可得：

(5)

當t平=1、2、3、4、5 時，比例分別為0.288、0.576、1.000、1.152 和1.440，由上可知，以黑龍江地區參數值求得排水模數值以3d為閾值，排水模數值以3d為閾值，當設計排水天數為3d時，兩種方法計算結果相等；當設計排水天數>3d時，用經驗公式法求得的排水模數較大；當排水天數<3d時，用平均排除法求得的排水模數較大。在工程設計過程中，出于安全考慮，應取兩者的較大值。

4 結 論

通過比較分析經驗公式法及平均排除法兩種方法排水模數計算結果可知：

1)當暴雨重現期相同時，排水模數與暴雨歷時正相關；當暴雨歷時相同時，排水模數與暴雨重現期正相關。

2)排水模數值以3d為閾值，當設計排水天數為3d時，兩種方法計算結果相等；當設計排水天數>3d時，用經驗公式法求得的排水模數較大；當排水天數<3d時，用平均排除法求得的排水模數較大。在工程設計過程中，出于安全考慮，應取兩者的較大值。

[1]溫季，王少麗，王修貴.農業澇漬災害防御技術[M].北京：中國農業科技出版社，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量[J].農業工程學報，2008，24(08)：20-24.

[3]中華人民共和國水利部.GB50288-99 灌溉與排水工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，1999.

[4]郭元裕.農田水利學[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計實用技術研究(201307)

王影桃(1980-)，女，黑龍江安達人，高級工程師；宋長虹(1978-)，男，內蒙古赤峰人，高級工程師。

S2777

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