排澇模數計算方法分析評價

王鳳瑞 王慧

摘要：排澇模數的確定對于確定排澇工程布局和規模具有重要的指導意義。以黑龍江省東部的三江平原寶清撓力河澇區和穆棱河澇區為例，根據澇區下墊面條件進行產流計算，分別采用排模公式法和平均排除法計算不同排澇標準下的排澇模數，并分析比較兩種計算方法的計算結果。結果表明：隨著重現期的變長，排水流量和排澇模數越來越大。對于旱田，兩種方法計算結果相差較小，而且面積越小，排澇模數相差越小，平均排除法的計算結果總體大于排模公式法的；對于水田，兩種方法計算結果差別較大，且面積越小，相差越大。

關鍵詞：排澇模數；排澇標準；排模公式法；平均排除法

中圖分類號：TV131 文獻標志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.034

澇災是一種地域性廣泛的自然災害，影響巨大，尤其給農業生產帶來巨大損失。排澇工程可有效保障社會經濟安全，計算排澇模數是確定排澇工程布局和規模的重要環節川。目前，國內外專家學者對排澇計算方法進行了大量研究，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法、運動法和綜合流量過程法，我國主要易澇平原區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]、總人流槽蓄法、水量平衡法[7-8]、推理公式法[9]等。水網地區面積較大的排水區一般采用水量平衡法和水力學模型法。

排澇模數大小受當地的氣候、地形條件、河流水系及其排水方式、排澇標準、計算方法和參數及湖泊、水面調蓄能力等因素影響，各省之間、省內不同地區之間差異很大。自排計算方法中排模公式法在淮河以北平原地區廣泛使用，平均排除法一般用于面積較小的排水區，水量平衡法和模型法一般在水網地區和有調蓄湖泊的排澇圩區使用，有些省、市使用綜合單位線法或推理公式法計算排澇模數。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段、排出時間等參數各省差別較大。

1 研究方法

農區自排排澇模數計算方法主要分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行排澇模數的推求。排模公式法主要用于淮河以北地區[10]，不分地類。平均排除法用于農區自排計算，可按區域內河流及湖泊情況分為一般地區和水網、濱湖區兩類，沒有嚴格區分水田、旱地和菜地。

1.1 排模公式法

計算排澇模數的經驗公式為

q=kRmAn （1）式中：q為設計排澇模數m3/（s·km2）；R為設計暴雨產生的徑流深，mm；A為設計控制的排水面積，km2；k為綜合系數（反映降雨歷時、流域形狀、排水溝網密度、溝底比降等因素）；m為峰量指數（反映洪峰與洪量關系）；n為遞減指數（反映排澇模數與面積關系）。k、m、n應根據具體情況，經實地測驗確定，一般根據水文測站實測暴雨徑流資料，經過統計分析求出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或平原地區綜合地類的自排設計流量計算。各地的排模公式適用范圍差別較大，主要用于面積大于50km2的區域。排模參數差別比較大，與當地的地形坡降、河道水力條件、雨型等有關。

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、山東省及江蘇省邳蒼邦新地區，海河流域的河北省平原區和山東魯北平原區，東北平原的遼寧省中部平原區。湖北省平原地區雖也可采用排模經驗公式，但湖北省湖泊眾多，大多地區是濱湖平原，地勢十分平坦，有較多的調蓄湖泊，且大多數獨立排水河道流域面積不是很大，在排澇規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的平原區。

1.2 平均排除法

平原區旱地設計排澇模數計算公式為式中：M旱為旱地設計排澇模數，m3/（s·km2）；T為排澇歷時，d；ψη為槽蓄遲緩系數，根據以徑流深為參數的槽蓄遲緩系數與面積的關系線查圖確定。

平原區水田設計排澇模數計算公式為式中：M水為水田設計排澇模數，m3/（S·km2）；P為歷時為T的設計暴雨量，mm； h1為水田滯蓄水深，mm；E為歷時為T的水田蒸發量，mm；F為歷時為T的水田滲漏量，mm；T為排澇歷時，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，用于農區自排時一般不分地類。采用平均排除法的地區有江蘇蘇南地區，安徽、河南境內面積小于50km2的沿淮、淮北地區，湖南省湖區排澇涵閘地區，湖北省水面調蓄較多地區，廣東省的部分地區和黑龍江、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、珠江三角洲平原區、松遼平原地區均有使用，使用范圍遍及我國各主要平原區。該方法一般適用于面積較小、有排澇涵閘或有較多調蓄水面的地區，且降水時間和排出時間比較接近。不同地區自排平均排除法參數統計見表1。

2 實例分析

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

穆棱河下游地區虎林鎮附近和區內八五農場所屬東北部各生產隊為山丘區，其他為平原區。下游地區總面積為4 585km2，其中：山區、丘陵、臺地面積占總面積的4.6%，高程為90～300m；平原區面積占總面積的89.6%，地面坡降為1/3000～1/10000；水面面積占總面積的5.8%。

該區屬于中溫帶大陸季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季干冷而漫長。根據寶清站1955-1992年氣象資料統計，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，該區春季干旱頻繁，秋季多洪澇災害。

2.1 設計凈雨量

2.1.1 旱田設計凈雨量

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

2.1.2 水田設計凈雨量

采用計算旱田排澇模數的各單站雨量數據，時間序列為1956-2010年，水田暴雨期為6月1日至8月28日，統計最大3d暴雨量，采用P-Ⅲ型頻率曲線，CS/CV=3.0，得到單站設計暴雨。

設計凈雨量R計算公式為

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

凈雨量計算結果見表3。

2.2 兩種方法對比

黑龍江省沒有用過排模公式法計算排澇模數，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進行分析，其中k=0.0127，m=0.93，n=-0.176。

寶清撓力河澇區選取的2個雨量站位于青山分區，采用青山分區的實際面積進行計算。為了分析面積變化時不同重現期下排水流量與排澇模數的變化情況，穆棱河下游澇區采用不同的面積進行計算。根據當地的地形情況、河道水力條件，排模公式法在黑龍江省平原區使用范圍為50～1000km2，以穆棱河下游澇區選取的5個雨量站中心位置為圓心，面積依次選取50、100、500、1000km2進行計算。此區域地面坡降為115000～1/10000，故面積改變時，凈雨量幾乎不發生變化。凈雨量采用單站凈雨量的平均值，計算的旱田和水田排澇模數及排水流量對比分別見表4、表5和圖1。

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

表5中水田兩種方法計算的排澇模數差別較大，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）平均洪峰流量來計算的，而水田平均排除法時段長度達4d，且考慮了田間蓄水、蒸發滲漏等因素，排模公式法計算結果偏大。

重現期不同，排水流量和排澇模數也有差異。與旱田正好相反，重現期越長，水田排水流量和排澇模數越小。

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

3 結論與建議

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

（2）在排模公式法的適用范圍內，兩種方法都可用來計算旱田的排澇模數，但小面積排水區采用平均排除法為宜。在計算水田的排澇模數時，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算辦法，且考慮了與流域面積有關的坡面、槽蓄滯緩系數，事實上是一種變相的排模公式法。

（4）從計算結果看，排模公式法與平均排除法總體有差異，水田計算結果的差異明顯。排模公式法在黑龍江省沒有采用過，之后應深入研究其適用性，根據具體情況進行參數率定，并且需要進行實際驗證。

（5）排澇模數計算方法應根據澇區排水特點、排水方式、調蓄能力、主要作物類型等進行分類歸納和規范。

參考文獻：

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