成朱聯(lián)圩圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算問(wèn)題探討

艾水平

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330000)

1 問(wèn)題的提出

成朱聯(lián)圩位于鄱陽(yáng)湖西南岸的贛江北支官港和沙汊二河包夾地帶，保護(hù)面積44.8km2，耕地3373.3hm2，水面326.7hm2，人口1.6萬(wàn)人，成朱聯(lián)圩成新段(成新圩)位于江西省北部，鄱陽(yáng)湖南岸，贛江北支官港河與三老官河之間，地理位置在E116°06′-116°10′，N28°54′-28°58′之間。成朱聯(lián)圩是鄱陽(yáng)湖區(qū)3333.3hm2以上重點(diǎn)圩堤之一，澇區(qū)為寬闊的沖積湖積平原，土地肥沃、土層深厚，地面高程一般為12.70-14.60m。

成朱聯(lián)圩圩區(qū)在建設(shè)過(guò)程中普遍面臨防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)低下、防洪建筑物質(zhì)量不高等問(wèn)題，如遇區(qū)域內(nèi)突降大雨及外河水位猛漲，都面臨十分嚴(yán)峻的災(zāi)害。為此必須加快圩區(qū)排澇泵站建設(shè)，保證排澇模數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，保證圩區(qū)內(nèi)排澇泵站的安全運(yùn)行。設(shè)計(jì)排澇模數(shù)影響因素多且復(fù)雜，當(dāng)前通常在洪峰流量的基礎(chǔ)上通過(guò)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行排澇模數(shù)計(jì)算，這種處理方法并未考慮到圩區(qū)水體調(diào)蓄方面，成果缺乏合理性。為此，必須以現(xiàn)有方法為基礎(chǔ)，綜合考慮產(chǎn)匯流理論，通過(guò)設(shè)計(jì)流量過(guò)程調(diào)蓄計(jì)算方法進(jìn)行圩區(qū)排澇模數(shù)推求。

2 影響排澇模數(shù)的因素

圩區(qū)排澇模數(shù)主要受設(shè)計(jì)暴雨、排澇區(qū)域面積、地形坡度、水文地質(zhì)、地下水埋深、河流湖泊調(diào)蓄能力等因素的綜合影響。平原圩區(qū)地勢(shì)平坦，河流湖泊密度大，河網(wǎng)復(fù)雜且調(diào)蓄溝通能力強(qiáng)，所以排澇模數(shù)計(jì)算受排水區(qū)域面積、形狀、地形坡度等因素的影響和約束較小。而城鎮(zhèn)圩區(qū)因房屋、道路建筑物較多，下墊面透水性不強(qiáng)，所以其排澇模數(shù)計(jì)算受地下水埋深的影響較小。城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快使圩區(qū)不透水面積不斷增大，地表徑流和洪峰流量隨之增加，匯流時(shí)間縮短，且主要通過(guò)渠系系統(tǒng)及坡面流匯入圩區(qū)河流湖泊，土壤屬性、地面植被覆蓋等因素對(duì)排澇模數(shù)的影響主要通過(guò)地面硬化率[1]體現(xiàn)。所以，計(jì)算城鎮(zhèn)圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)時(shí)必須通過(guò)重現(xiàn)期、歷時(shí)及雨型反應(yīng)設(shè)計(jì)暴雨，通過(guò)水面率反應(yīng)河流湖泊調(diào)蓄能力，通過(guò)地面硬化率反應(yīng)下墊面條件。

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

成朱聯(lián)圩圩區(qū)面積大，區(qū)域內(nèi)降水時(shí)空分布不均，綜合考慮流域降水、產(chǎn)匯流、水系閉合性、工程措施現(xiàn)狀、河網(wǎng)水力計(jì)算要求、圩區(qū)規(guī)劃布局等因素的基礎(chǔ)上，將成朱聯(lián)圩圩區(qū)劃分為5個(gè)分區(qū)，并在暴雨分區(qū)內(nèi)選擇現(xiàn)狀城鎮(zhèn)化水平較高的圩區(qū)作為分析典型，各分區(qū)20a一遇24h產(chǎn)水量結(jié)果匯總具體見(jiàn)表1。

表1 成朱聯(lián)圩圩區(qū)各分區(qū)產(chǎn)水量結(jié)果匯總

2.2 設(shè)計(jì)流量

按照初損后損法進(jìn)行成朱聯(lián)圩圩區(qū)產(chǎn)流計(jì)算，最大24h凈雨計(jì)算過(guò)程中后損按1mm/h確定，便可得出設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程。采用概念清楚、應(yīng)用較廣的瞬時(shí)單位線法進(jìn)行圩區(qū)匯流計(jì)算，瞬時(shí)單位線是脈沖輸入的響應(yīng)函數(shù)[2]，如下表示：

(1)

式中：U(0,t)為瞬時(shí)單位線；Γ為伽馬函數(shù)；n為調(diào)節(jié)次數(shù)參數(shù)；k為水庫(kù)淤滯狀態(tài)下類(lèi)似于流域匯流時(shí)間的參數(shù)；K為蓄泄系數(shù)。

為保證上式中參數(shù)的物理意義更加明確，并便于使用，將n、k轉(zhuǎn)化為m1和m2，m1為瞬時(shí)單位線原點(diǎn)距一階值，表示瞬時(shí)單位線滯時(shí)；m2為組滯時(shí)間變動(dòng)系數(shù)，m1=nk，m2=1/n。根據(jù)m1和m2取值便可得出瞬時(shí)單位線，將所得到的瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為時(shí)段單位線，再結(jié)合線性系統(tǒng)假定條件，通過(guò)卷積公式便可進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算：

(2)

式中：Q(t)為流量過(guò)程；h(t)為凈雨過(guò)程。

朱聯(lián)圩圩區(qū)各分區(qū)匯流面積不同，所適用的瞬時(shí)單位線也不同，通過(guò)參數(shù)的區(qū)域規(guī)律性便可求得各分區(qū)瞬時(shí)單位線，匯總后得出設(shè)計(jì)流量。

3 排澇模數(shù)計(jì)算方法

3.1 排澇流量計(jì)算

常用的排澇流量計(jì)算方法包括網(wǎng)河非恒定流法、平均排除法和水量平衡法三種，其適用條件各不相同，網(wǎng)河非恒定流法主要用于平原地區(qū)河道、泵站規(guī)模分析，通常結(jié)合水利規(guī)劃專(zhuān)題進(jìn)行論證與分析；平均排除法則多用于排水面積不大的圩區(qū)，過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)于農(nóng)業(yè)種植型平原圩區(qū)排澇模數(shù)計(jì)算適用，但是計(jì)算結(jié)果存在偏小的可能；水量平衡法作為簡(jiǎn)化的模型計(jì)算方法精度較高，且對(duì)數(shù)據(jù)資料要求不高，多用于計(jì)算河道調(diào)峰作用比較明顯圩區(qū)的排澇模數(shù)，該法主要將所研究的圩區(qū)視為蓄水性湖泊，泵站排水過(guò)程導(dǎo)致河網(wǎng)水面發(fā)生水平升降，不存在落差和水面比降。水量平衡法河網(wǎng)蓄滯水量通常按照下式確定：

(3)

式中：V1為時(shí)段初蓄滯水量，m3；V2為時(shí)段末蓄滯水量，m3；Q1為時(shí)段初澇水流量，m3/s；Q2為時(shí)段末澇水流量，m3/s；T為時(shí)段長(zhǎng)，s；q1為時(shí)段初排水流量，m3/s；q2為時(shí)段末排水流量，m3/s。

根據(jù)水量平衡法計(jì)算原理，當(dāng)河道水位≥汛期起排水位，則隨降水的增大應(yīng)加大機(jī)排流量。若時(shí)段產(chǎn)水量<設(shè)計(jì)排澇能力，則澇水完全排出；若時(shí)段產(chǎn)水量>設(shè)計(jì)排澇能力，則必須根據(jù)設(shè)計(jì)排澇能力進(jìn)行排水，余水蓄積在河道中，等降水結(jié)束后根據(jù)設(shè)計(jì)排澇能力排水，最終使河道水位降至汛期起排水位。

3.2 排澇模數(shù)計(jì)算

河網(wǎng)具有調(diào)蓄功能，通過(guò)圩區(qū)排澇以將內(nèi)河水位控制在限制水位以?xún)?nèi)，確保內(nèi)河河網(wǎng)水位能滿(mǎn)足自由排水出流要求。成朱聯(lián)圩圩區(qū)規(guī)劃地面高程3.0-3.5m，根據(jù)地面高程及排水管道設(shè)計(jì)埋深，為保證排水管道以自由出流形式排入相鄰河道，圩區(qū)內(nèi)河道最高控制水位應(yīng)低于地面高程0.5-0.8m，為此，河道最高水位應(yīng)按2.2-2.7m確定。根據(jù)成朱聯(lián)圩圩區(qū)現(xiàn)狀防洪工程調(diào)度及防洪要求，圩區(qū)汛期起排水位應(yīng)比河道最高控制水位低0.5m左右，所以，汛期起排水位應(yīng)按1.7-2.2m確定。

雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)排澇能力根據(jù)圩區(qū)內(nèi)不同地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式確定，具體公式如下：

(4)

式中：I為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a，取1a；t為設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)，min，取60min；a、b、c、d為地區(qū)綜合參數(shù)。

圩區(qū)不同調(diào)蓄水面率對(duì)應(yīng)不同的水位調(diào)蓄容積關(guān)系曲線，根據(jù)水量平衡原理，以所設(shè)定的河道限制水位為上限反復(fù)試算，從而得出圩區(qū)不同調(diào)蓄水面率所對(duì)應(yīng)的排澇流量，排澇流量值與所對(duì)應(yīng)的圩區(qū)面積之比即為排澇模數(shù)。

4 成朱聯(lián)圩圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算

應(yīng)用水量平衡法進(jìn)行不同水面率、地面硬化率所對(duì)應(yīng)排澇模數(shù)計(jì)算。假設(shè)成朱聯(lián)圩圩區(qū)內(nèi)分區(qū)水面率取值在0.02-0.2之間，分區(qū)內(nèi)地面硬化率取值在0.3-0.8之間，則根據(jù)上述分析逐時(shí)進(jìn)行水量平衡計(jì)算，得出各個(gè)分區(qū)調(diào)蓄結(jié)果?；诖藨?yīng)用多元回歸分析進(jìn)行排澇模數(shù)、水面率、地面硬化率等相關(guān)關(guān)系的擬合分析，并檢驗(yàn)回歸效果。具體而言，選擇包括成朱聯(lián)圩在內(nèi)的鄱陽(yáng)湖區(qū)3333.3hm2以上重點(diǎn)圩堤，起始調(diào)蓄水位和限制水位分別取2.5m和3.0m，進(jìn)行20a一遇設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算，擬合分析結(jié)果詳見(jiàn)表2，根據(jù)對(duì)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)蓄水面率呈增大趨勢(shì)，而排澇模數(shù)則減小，且兩者無(wú)線性關(guān)系，通過(guò)拋物線方程進(jìn)行兩者關(guān)系的擬合[3]，具體如下：

Mp=b2Fw2-b1Fw+b0

(5)

式中：Mp為圩區(qū)排澇模數(shù)，m3/(s·km2)；Fw為水面率，%；b0、b1、b2為待求系數(shù)。

表2 成朱聯(lián)圩圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)擬合結(jié)果

根據(jù)上表分析結(jié)果，采用冪函數(shù)方程進(jìn)行系數(shù)b0、b1、b2與成朱聯(lián)圩圩區(qū)面積關(guān)系的擬合，由最小二乘法得出：

b0=0.0121F-0.3269

(6)

b1=0.5077F-0.2803

(7)

b2=0.012F-0.3269

(8)

確定性系數(shù)R2均>0.97，表明系數(shù)b0、b1、b2與成朱聯(lián)圩圩區(qū)面積F存在較好的擬合關(guān)系。根據(jù)式(5)-(8)便可確定出圩區(qū)及相近地區(qū)設(shè)計(jì)排澇流量，在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)將根據(jù)設(shè)計(jì)排澇流量所求得的圩區(qū)面積控制在10km2以?xún)?nèi)。根據(jù)圩區(qū)各分區(qū)實(shí)際面積及可調(diào)蓄水面率取值，便可得到b0、b1、b2分別為3.9725、0.3243和0.0073，將取值代入式(5)，進(jìn)而可求出20a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下成朱聯(lián)圩圩區(qū)各分區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)為1.12m3/(s·km2)，將該取值乘以各分區(qū)面積再求和，便可得到成朱聯(lián)圩圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇流量為2.58m3/s。

5 結(jié) 論

綜上所述，文章針對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)成朱聯(lián)圩圩區(qū)下墊面條件選用水量平衡法并在一定排澇標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)行了其排澇模數(shù)與水面率、地面硬化率等等影響因素多元函數(shù)關(guān)系的構(gòu)建，不同圩區(qū)所建立的二次拋物線函數(shù)關(guān)系表達(dá)式不同，但其經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和圩區(qū)面積存在較好的響應(yīng)關(guān)系。在具體應(yīng)用過(guò)程中必須選擇恰當(dāng)?shù)倪m用條件，并充分考慮連續(xù)降雨的可能性，準(zhǔn)確確定設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)，以增強(qiáng)分析結(jié)果的合理性與適用性。