江蘇蘇南地區(qū)農(nóng)村混合型圩區(qū)排澇流量計(jì)算方法研究

徐 磊， 林茂林， 李 聰， 張亞倩

(1.無(wú)錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214000； 2.無(wú)錫太湖學(xué)院商學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214100)

1 蘇南農(nóng)村混合型圩區(qū)的特點(diǎn)

蘇南農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，居民富足，地少人多，自然村落密集，千畝以上圩區(qū)均有居民居住區(qū)和工業(yè)企業(yè)坐落，無(wú)概念上的純農(nóng)業(yè)圩區(qū)。江陰市共有大小圩區(qū)96個(gè)，圩區(qū)面積1.8萬(wàn)hm2，共建有大小圩區(qū)96個(gè)，其中千畝以上圩區(qū)有53個(gè)，萬(wàn)畝以上圩區(qū)有8個(gè)。圩內(nèi)河網(wǎng)縱橫，水面率超過(guò)8%，圩區(qū)內(nèi)排澇泵站規(guī)模不大，單泵流量很少超過(guò)4 m3/s，且具有以下社會(huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)：

(1)工業(yè)企業(yè)多，且有一定的規(guī)模。蘇南是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展地，改革開(kāi)放以來(lái)，各鎮(zhèn)、村均興辦了大量的工業(yè)企業(yè)。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，催生了一大批大型企業(yè)乃至龍頭企業(yè)。江陰市月城鎮(zhèn)馬甲圩為江陰市的一座萬(wàn)畝圩區(qū)，8.19 km2的圩區(qū)內(nèi)有30多家企業(yè)，年工業(yè)生產(chǎn)總值超過(guò)20億元，一旦受淹，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

(2)經(jīng)濟(jì)作物多，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植少。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及土地流轉(zhuǎn)，農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營(yíng)發(fā)展加快，一大批企業(yè)從工業(yè)轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)，高效農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，高經(jīng)濟(jì)附加值的水果及有機(jī)蔬菜的種植面積已超過(guò)了水稻等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。

(3)居民生活條件好，但住房抗災(zāi)能力不高。2020年江陰市農(nóng)民人均可支配收入38 225元，農(nóng)民收入的連年提高，必然使包括住房在內(nèi)的固定資產(chǎn)增加。但由于農(nóng)村向城鎮(zhèn)集中的政策，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，蘇南一些地區(qū)已控制農(nóng)村翻建房屋，農(nóng)民居住房屋多為20世紀(jì)80年代建造，房屋抗災(zāi)能力普遍較低。

(4)各級(jí)政府對(duì)防洪排澇等抗災(zāi)工程設(shè)施建設(shè)十分重視。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，政府財(cái)政收入增加，對(duì)水利等基礎(chǔ)設(shè)施投入也逐年增加。農(nóng)民由于受淹后損失較大，質(zhì)疑政府不作為，極易產(chǎn)生社會(huì)不穩(wěn)定因素。不受澇、抗大災(zāi)的意識(shí)在各級(jí)政府中形成共識(shí)。蘇南農(nóng)村混合型圩區(qū)的排澇能力應(yīng)達(dá)到短時(shí)受澇或不受澇的要求，這也是各級(jí)政府及群眾的意愿所在。

2 平均排除法存在的問(wèn)題

《江陰市水系規(guī)劃》(2011—2030年)提出，農(nóng)業(yè)圩區(qū)執(zhí)行20年一遇24 h暴雨雨后1日排除標(biāo)準(zhǔn)。圩區(qū)排澇流量的計(jì)算一般采用平均排除法。計(jì)算式如下。

(1)

其中：R水田=P-h田蓄-E

R旱=αP

R水=P-h水蓄-E

式中：Q為設(shè)計(jì)排澇流量；F水田為圩區(qū)水田面積；t為規(guī)定的排澇時(shí)間；P為設(shè)計(jì)暴雨量；h田蓄、h水蓄為水田和水面的滯蓄水深；E為歷時(shí)為t的水田田間騰發(fā)量；α為徑流系數(shù)

此方法考慮了各種種植結(jié)構(gòu)及水塘調(diào)蓄等綜合情況，目前普遍采用此法計(jì)算排澇流量。但對(duì)于調(diào)蓄能力較差、面積較大的混合型圩區(qū)，按此法計(jì)算的流量偏小。在規(guī)劃圩區(qū)排澇流量時(shí)，往往根據(jù)硬化區(qū)域大小，對(duì)按平均排除法計(jì)算出的排澇流量進(jìn)行適當(dāng)增加，隨意性較大，缺乏科學(xué)合理的依據(jù)。

3 混合型圩區(qū)排澇流量計(jì)算方法

蘇南混合型圩區(qū)經(jīng)濟(jì)總量大，受淹后損失大，規(guī)劃排澇流量應(yīng)以滿足一定頻率暴雨情況不受淹為原則。考慮以河道允許最高水位作為控制條件，計(jì)算設(shè)計(jì)排澇流量。

3.1 選定允許最高水位

河道控制水位涉及調(diào)蓄能力的計(jì)算，控制水位越低，排澇流量越高，應(yīng)選擇科學(xué)合理、確保區(qū)域不受淹的河道水位作為控制水位。一般以地面最遠(yuǎn)或最低處作為圩區(qū)的典型點(diǎn)，控制河道水位典型點(diǎn)高程以下0.2 m。

3.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

江陰市圩區(qū)執(zhí)行的排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h暴雨1日排出，因此，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)取24 h，以1 h、6 h為控制時(shí)段進(jìn)行雨量分配。設(shè)計(jì)暴雨可采用實(shí)測(cè)暴雨資料。若無(wú)實(shí)測(cè)暴雨資料，可采用《江蘇省洪水暴雨圖集》。

3.3 產(chǎn)流計(jì)算

圩區(qū)硬化區(qū)域與經(jīng)濟(jì)作物區(qū)由于不能受淹，在計(jì)算設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程中，采用后損1 mm/h計(jì)算。對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域可受淹1 d以上區(qū)域，采用次降雨徑流相關(guān)法計(jì)算。

3.4 匯流計(jì)算

采用瞬時(shí)單位線法進(jìn)行匯流計(jì)算。瞬時(shí)單位線法是依據(jù)水量平衡方程和線性蓄槽方程，經(jīng)過(guò)連續(xù)演算和數(shù)學(xué)處理導(dǎo)出的數(shù)學(xué)方程式：

(2)

式中：Γ為伽馬函數(shù)；n為水庫(kù)個(gè)數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)的參數(shù)；K為水庫(kù)滯時(shí)，相當(dāng)于流域匯流的時(shí)間參數(shù)。

參數(shù)m1與m2可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)選。考慮蘇南圩區(qū)缺乏比降資料，采用m1=2.25F0.38(F為圩區(qū)的面積)。參數(shù)m2比較穩(wěn)定，平原區(qū)取0.5。

由m1及m2可以得到區(qū)域2 h單位線，乘以時(shí)段總徑流量，并錯(cuò)開(kāi)相加，可以得到設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

3.5 圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇流量調(diào)節(jié)計(jì)算

假定河道的初始水位一般為預(yù)降后的水位，根據(jù)水量平衡計(jì)算出抽排后水位計(jì)算式。

(3)

式中：V1、V2分別為計(jì)算時(shí)段始末的河道蓄水量；Q1、Q2分別為計(jì)算時(shí)段始末的入流流量；q為假設(shè)的圩區(qū)排澇模數(shù)。

控制各時(shí)段的最高水位不超過(guò)控制水位，可計(jì)算出設(shè)計(jì)排澇流量。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文選取江陰市月城鎮(zhèn)馬甲圩作為計(jì)算實(shí)例。馬甲圩面積8.19 km2，圩區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)多，農(nóng)民大量種植經(jīng)濟(jì)作物，為典型的混合型圩區(qū)。

4.1 設(shè)計(jì)暴雨

設(shè)計(jì)暴雨采用圖集法，由《江蘇省暴雨洪水圖集》查得月城片區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)資料，時(shí)段分為1 h、6 h及24 h，結(jié)果如表1。

表1 24 h暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表2 設(shè)計(jì)暴雨成果表

以1 h和6 h為控制時(shí)段，計(jì)算出10年一遇及20年一遇1 d暴雨時(shí)程分配。

4.2 產(chǎn)流計(jì)算

馬甲圩區(qū)水果種植面積約333.33 hm2，由于不能受淹，視作建成區(qū)，則生態(tài)區(qū)面積約為32%。生態(tài)區(qū)凈雨采用降雨徑流相關(guān)圖法,可采用下式計(jì)算：

Pα=αImax=0.65×95=61.8 mm

(4)

式中：R為凈雨深，P為設(shè)計(jì)雨量，Cp、Ci為產(chǎn)流參數(shù)。

建成區(qū)凈雨按每小時(shí)扣1 mm來(lái)計(jì)算，計(jì)算出設(shè)計(jì)凈雨深。

4.3 匯流計(jì)算

由瞬時(shí)單位線參數(shù)m1=2.25×F0.38=5.003，得到該區(qū)2 h單位線，將時(shí)段凈雨利用公式

(5)

得出時(shí)段總徑流量，再乘以時(shí)段單位線可得到20年一遇洪水過(guò)程線。

4.4 排澇模數(shù)計(jì)算

根據(jù)圩區(qū)的平均地面高程確定河道調(diào)蓄水深為0.5m，將產(chǎn)匯流作為河道的輸入流量，假定排澇模數(shù)進(jìn)行推演計(jì)算，得到河道的蓄水量以及相應(yīng)的水位，將計(jì)算得到的河道最高水位與控制水位進(jìn)行比較，河道最高水位與控制水位相等時(shí)的排澇模數(shù)就是所求的排澇模數(shù)。用式(6)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，馬甲圩圩區(qū)需要的排澇流量為15.6 m3/s。本計(jì)算是針對(duì)整個(gè)圩區(qū)均勻排澇的計(jì)算，可作為排澇規(guī)劃的參考。具體排澇設(shè)計(jì)時(shí)，由于分區(qū)排澇不同，排澇河道標(biāo)準(zhǔn)不一，應(yīng)分別對(duì)分區(qū)排澇進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié) 論

以達(dá)到河道控制水位為標(biāo)準(zhǔn)而計(jì)算出的排澇流量能確保一定頻率標(biāo)準(zhǔn)下暴雨該地區(qū)不受澇，但該方法未考慮排水河道中水位差因素，因此較適合排水河道不長(zhǎng)的中小圩區(qū)，蘇南混合型圩區(qū)均為這類?ài)讌^(qū)。對(duì)于有多座排澇泵站的圩區(qū)，可以按每座排澇站的集水面積單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，確保各泵站設(shè)計(jì)流量的科學(xué)合理。