城農混排圩區排澇模數合理性分析

馬 哲 （安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088）

1 前言

長久以來，洪澇災害一直是中華民族的心腹之患，洪澇災害造成的直接經濟損失占各類自然災害總損失的70%左右，隨著城市的發展，圩區城市與農田排澇緊密結合，目前城農混排區域排澇模數主要采用加權平均法進行計算，為驗證綜合排澇模數是否滿足排澇需求，本文以舒城縣杭埠鎮胡港河片區為例，計算圩區綜合排澇模數，然后通過MIKE11水動力模塊驗證泵站規模是否滿足區域排澇需求，為類似工程提供參考建議。

2 基本情況

杭埠鎮位于舒城縣東部，鎮域總面積80.0km，是杭埠河下游沖積平原，區域地勢低洼，四面環水，北側為豐樂河，南側為杭埠河，西側為錢大山河，東側為小南河，均屬巢湖流域。由于地處江淮丘陵區中部，受江淮上空南北冷暖空氣交匯的作用和東南臺風登陸以及地形等因素的影響，暴雨較為頻繁，極易發生洪澇災害。杭埠鎮胡港河片區總面積12.97km2，其中城排面積7.83km，農排面積5.14km，根據保護對象的重要性，農排區排澇標準采用10年一遇3d暴雨3d平均排除，城排區排澇標準采用20年一遇24h暴雨24h排至地面不積水。

3 計算方法及成果

我國主要易澇區常用的水文計算辦法有平均排除法、排澇模數經驗法、單位線法、水量平衡法等。平均排除法是按一定時間內的設計暴雨所產生的凈雨在一定時間內排除，平均排除法未考慮流域面積大小的影響，受設計暴雨歷時和澇水排除時間等人為設定的參數影響較大，較適用于農田澇水的排澇計算；排澇模數經驗法廣泛適用于淮河以北面積大于50km2的平原坡水地區排水河道及涵閘自排流量計算；單位線法通過概化區域澇水過程線，經平頭處理后，適用于平原排水區的排澇流量計算；水量平衡法一般適用于有較大湖泊等水面調蓄能力的澇區或澇區面積不大，各排水河道水位差異不明顯的水網區。結合區域實際情況，本次農排區采用平均排除法計算排澇模數，城排區采用單位線法計算排澇模數，經加權平均后確定綜合排澇模數。

農排區排澇模數計算成果 表1

3.1 農排區排澇模數

農田排水標準按10年一遇3d暴雨3d平均排除設計，計算方法采用平均排除法。水田滯蓄水深采用50mm，溝塘調蓄水深采用500mm，旱地及非耕地徑流系數采用0.65，水泵日開機采用22小時，水面蒸發量每天為5mm。計算公式采用下式：

式中：

q——設計排澇模數（m3/s/km2）；

F——排片總面積（km2）；

F——水田面積（km2）；

F——旱荒地面積（km2），包括旱地及非耕地；

F——溝塘面積（km2）；

P——設計暴雨量（mm），杭埠鎮10年一遇最大3d暴雨230mm；

C——旱荒地徑流系數，取0.65；

h——水田滯蓄水深，取50mm；

h—— 溝 塘 調 蓄 水 深，取500mm；

T——排澇天數（d），為3d；

t——水泵日開機小時數（h），取22h/d；

E——歷時為T的水面蒸發量（mm）。

3.2 城排區排澇模數

由于本地區內缺乏水文資料，特別是無流量資料，無法直接推求區域的設計匯流。因此本次單位線利用安徽省水利水電勘測設計院1995年編制的《安徽省長短歷時年最大暴雨統計參數等值線圖》，和1984年編制的《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區產匯流分析成果和山丘區中、小面積設計洪水計算辦法》推求區域24h單位線，通過采用割平頭法，計算圩區排澇流量。

圖1 平頭處理前流量水過程線

圖2 平頭處理后流量過程線

區域可調蓄庫容約32.2萬m3，區域流量過程線經平頭處理后最大排澇流量19.9m3/s，城排區排澇面積7.83km2，城排模數為2.55m3/s/km2。

3.3 綜合排澇模數

城農結合排澇模數按照加權平均計算，公式如下：

M=αM+αM

式中：

M—城農混合排澇模數；

M—城排區排澇模數；

M—農排區排澇模數；

α—城排區排澇面積占圩區總面積的百分比；

α—農排區排澇面積占圩區總面積的百分比。

胡港河片區總面積12.97km2，其中城排面積7.83km，農排面積5.14km，通過加權平均，區域綜合排澇模數1.84m3/s/km2，綜合排澇流量23.8m3/s。

4 泵站規模復核

本次泵站規模復核采用MIKE11建模分析，通過模擬圩內水系布局規模、泵站控制運行條件，片區產匯流過程等條件，復核在設計標準條件下，泵站規模是否滿足片區排澇需求。

4.1 模型基本方程

丹麥DHI公司研發的DHI MIKE是一、二維動態耦合的洪水模擬軟件，MIKE11模型可對各種復雜的建筑物做單獨或者聯合調度，適用于宏觀上的流域控制性工程規模論證分析。MIKE11水動力模塊采用6點Abbott～Ionescu有限差分格式對圣維南方程組求解。

圣維南方程是反映有關物理定律的微分方程，包括連續方程（質量守恒定律）和動量方程（牛頓第二定律）：

式中：Q—斷面流量，m3/s；q—側向入流，m3/s；A—過水面積，m2；h—斷面水位，m；R—水力半徑，m；C—謝才系數；α—動量修正系數。

4.2 模型概化

模型概化主要包括圩內主要河道及控制建筑物。本次計算概化河道3條，概化主要建筑物1座。河長參數依據規劃河道確定，河道斷面根據規劃河道斷面采用河邊距～河底高程形式在計算中反映，控制建筑物主要是排澇泵站，概化的主要參數包括泵站流量、泵站控制運行條件及控制運行水位，河網水動力模型概化詳見圖3。

排澇模數綜合模數計算成果 表2

圖3 模型概化圖

圖4 泵前斷面水位變化曲線

圖5 澇水過程線及泵站外排過程線

4.3 設計參數

泵站設計排澇流量為23.8m，最低運行水位4.0m，泵站設計運行水位4.7m，最高運行水位5.7m，圩內常水位為4.3m，本模型中泵站控制運行條件為排澇溝水位達到4.5m時起排，當水位低于4.0m時泵站停止運行，根據圩內排澇溝設計參數，概化河網斷面參數，河道糙率采用0.03，匯流過程概化為集中入流進入河網。

4.4 計算成果

根據MIKE 11水動力模塊計算成果，當圩內遭遇設計標準澇水時，泵前排澇溝最低水位4.02m，最高水位5.74m，在排澇過程中充分利用了水網區的調蓄作用，同時泵站運行大部分時段處于高效區，因此認為泵站規模基本滿足圩區排澇需求。

5 結論

通過本案例分析可得出以下結論：

①平均排除及單位線法均適用于平原排水區的排澇流量計算，通過加權平均計算求得的綜合排澇模數基本可滿足城農混合圩區的排澇需求；

②本文中農排區的設計標準是10年一遇，城排區的設計標準是20年一遇，而實際情況同一場降雨對應的標準一致，因此在城農混合區域應做好農排區的控制工程，在高標準降雨發生時，充分發揮水田、滯蓄區的調蓄作用，盡量減少澇災損失；

③排澇模數計算中水面率對計算結果的影響較大，在今后的城市建設中應盡量避免壓占河道水系，保留城市滯蓄區，增大圩區的調蓄庫容。