不同排水模数计算方法在锦西灌区适用性分析

王影桃,宋长虹

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)

科技成果

不同排水模数计算方法在锦西灌区适用性分析

王影桃,宋长虹

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)

排水模数作为工程排水标准的重要参数，对排水工程的安全运行具有重要意义，如何准确的计算排水模数则至关重要。目前，关于排水模数的计算方法有很多种，如何正确的计算排水模数对于排水工程有具有重要意义。文章以黑龙江锦溪灌区为研究对象，基于不同的排水标准，利用经验公式法和平均排除法分别计算了其排水模数，并对其结果进行对比分析。结果表明：排水模数值以3d为阈值，当设计排水天数为3d时，两种方法计算结果相等；当设计排水天数>3d时，用经验公式法求得的排水模数较大；当排水天数<3d时，用平均排除法求得的排水模数较大。在工程设计过程中，出于安全考虑，应取两者的较大值。

排水模数；平均排除法；经验公式法

0 引 言

涝灾对农业生产有着巨大的影戏，有效的防治涝灾具有重大意义。排水工程作为排涝的基础设施，对于保障灌区运行安全及减轻涝灾影响具有重要意义。因此，怎样科学准确的计算排水模数，对于有效发挥排水工程作用，保障灌区安全及减少经济损失具有重要意义。目前，国内外常用于计算排水模数的方法主要为经验公式法及平均排除法。其中，平均排除法所需率定参数较少，简便易行，但公式并不能反映河道对洪峰的调节作用，应用于城市排涝计算中，会使得计算结果偏小，故常应用于平原区以农田为主的排涝计算；经验公式法中引入了排水面积、设计径流深、综合系数、峰量指数及递减指数，可较为详细的反映流域对洪峰的调节作用，计算结果较为准确，在以农田为主的平原区中应用较广。

通过对比上述两种方法在以往工程中的应用，其特点为：当排水面积>50km2时，经验公式法主要用于平原集水面积大的河道及排水沟，设计依据是最大流量，考虑了研究区流域的面积对汇流的影响，且该方法由于假设河槽通过最大流量时不发生漫槽，因此不能直接反应淹没时间。平均排除法则主要适用于集水面积小的平原区域和面积<10km2的田间排水沟。对于产汇流过程较慢和集水面积较大的平原时，在河道、低洼及其他调蓄水的区域仍滞留有涝水，必须以平均排涝流量进行调蓄。故在计算设计暴雨条件下的排涝时间时，从保证工程安全角度出发，应对比经验公式法及平均排除法计算结果，选择最利于工程安全的结果，以确保工程能安全云运行。综上所述，文章以黑龙江省富锦市，锦西灌区为例，比较了经验公式法及平均排除法两者的计算结果，建立两者之间的联系，对指导研究区进行设计工作具有重要意义。

1 排水模数

排涝标准对排涝工程中排水流量的计算、排水沟渠、滞涝设施及其相应建筑物的设计提供理论依据。农田排水的目的是在某特定频率暴雨条件下，将由暴雨引起的地面积水在规定时间内控制在规定深度以下，将去对作物生长的影响降低。目前，我国较为常用的农田排水标准主要有以下3种形式：①在特定重现期的暴雨条件下，区域内作物不受涝灾；②研究区内所有作物的不受涝保证率；③暴雨或者涝灾典型年为标准。目前以第一种方式普遍适用，即重现期，第一种表达方式分别明确指出了暴雨重现期和暴雨条件下作物不受涝。作物受涝的指标是淹没深度和淹没历时，且这两个指标概念清晰明了，在计算时具有普遍的适用性，可以全面反映研究区实际的排涝情况，因此得到广泛的应用。

影响排涝标准的因素主要有暴雨的重现期和历时以及排水天数。目前，中国在排水渠道设计中，设计暴雨重现期一般取为5-10a一遇，暴雨历时时段取为1、3及7d，排水天数由作物的耐淹能力决定，不同的作物耐淹能力不同，耐淹能力有耐淹天数及耐淹水深两个主要影响因素，工程设计中，排水天数应该尽可能小于耐淹天数，防止涝灾发生，以免造成经济损失。根据以往的研究经验，水稻作物的耐淹天数为3-5d，旱田作物的耐淹天数为1-2d[1]，相应的排水历时应比耐淹天数小。结合黑龙江省实际情况及历史研究资料，选取旱田作物1d暴雨2d排和水稻3d暴雨4d排。

2 排水模数的计算

2.1 设计暴雨

集水面积小时，以研究区域相邻雨量站长系列雨量资料为依据，进行排涝模数的计算，对排涝面积大的区域，则以面雨量为依据对排涝模数进行计算；选样则以年最大值法位计算方法。对长系列的降雨资料，不同历时的最大暴雨量则根据P-III 型理论进行计算，得到设计频率和设计历时的暴雨量。

2.2 设计净雨

文章中为了计算简便，不详细的对下垫面进行分类，简化的依据产流特点，按照水田、旱地(包括荒地)、水面等进行产流计算。由于锦西灌区主要以水田为主，因此只作水田产流讨论：

水田：以稻田为主，基于暴雨扣损法计算水稻不同生育期的排涝指数(需水深度、耐淹水深、耗水系数及灌排方式)，根据水量平衡原理计算生育期内的水量。即：

H水田=R-h田蓄αEt

(1)

式中：H水田为水田产流量，mm；R为降雨量，mm；h田蓄为水田滞蓄水深，mm；α为水田蒸发折算系数；E为蒸发皿水面日平均蒸发量，mm；t为排水天数，d。若R为正时，则表明产水，H水田为负时表示明蓄水空间(取H水田为0)。

2.3 计算方法

文章运用经验公式法和平均排除法求解排水模数。经验公式法和平均排除法是目前国内外较为常用的方法，且两种方法在应用时均受所研究区域特性的约束，所以在不同地区应用时，都需对两种方法进行分析比较，选择最为合理的方法进行计算，以保证所设计渠道的安全运行[2]。

1)经验公式法：经验公式法计算的基本思路是排水模数与设计径流深和排水区面积有密切关系，基于上述两者与排水模数之间的关系求解设计排水模数，求解公式如下：

Q经=KhmAn

(2)

式中：Q经为设计排水模数，m3/s·km2；A为排水系统控制的排水面积，km2；h为设计径流深，mm；K为综合系数；m为峰量指数；n为递减指数。

2)平均排除法：平均排除法是在特定的时间内将标准下的降水量进行平均排出，其求解公式如下：

(3)

式中：Q平为设计排水模数，m3/s·km2；R为区域设计径流深，mm；t平为排水天数d。

3 案例分析

选择位于黑龙江省富锦市西部的锦西灌区，地理坐标为E131°30′-132°37′，N46°48′-47°14′。锦西灌区总面积为733.3km2，地面高程在60.00-65.00m。总体地势，灌区西部及北部高，灌区东部及南部底。共有干渠5条、支渠83条。干渠除总干渠外，均为灌排两用渠道。支渠分为单灌单排及灌排两用两类[3]。

3.1 排水标准对排水模数的影响

3.1.1 排水标准

排水标准通常由重现期、暴雨历时及排水天数三个要素组成。由于作物的耐淹能力与淹没水深和淹没历时都有关系，三者并不相互独立。为了计算简便，假设三者相互独立。文章以锦西灌区为例，确定了下垫面条件之后，按照上述2种方法计算排水模数。为比较2种方法计算结果关系，文章暂时忽略暴雨降雨特性及作物耐淹时间，人为设定重现期、暴雨历时及排水天数三个要素的不同组合，以研究不同排水标准对排水模数的影响。其中，重现期取值范围为3a、5a、10a、20a及100a；暴雨历时取值范围为1d及3d；排水天数取值范围为2d及4d，共计20中不同组合方式。

3.1.2 排水模数的计算

1)设计暴雨：按照面雨量进行排水计算，灌区现有雨量站降雨资料较为齐全，具有1910-2013年共104a资料，从不同频率暴雨量中选出分析所需频率为1%、5%、10%、20%、33.3%及100%对应年降雨资料。

2)设计净雨：水田：根据黑龙江省现状及查阅相关资料取锦西灌区水田滞蓄水深为30mm。

3)排水模数：通过查阅相关文献资料[4]，可得经验公式中K、m及n3个参数取值分别为：K=0.017、m=1、n=0.238。将中K、m及n三参数值代入经验公式计算不同重现期下1d暴雨和3d暴雨的排水模数，同时运用平均排除法计算不同重现期下1d暴雨和3d暴雨排水模数，计算结果详见表1。

表1 2种方法计算得到的排水模数 m3/s·km2

由表1可知：通过横向及纵向比较分析，相同暴雨重现期下，不同暴雨历时2种方法计算结果以及相同暴雨历时下，不同暴雨重现期2种方法计算结果。可得如下结论，当暴雨重现期相同时，排水模数与暴雨历时正相关；当暴雨历时相同时，排水模数与暴雨重现期正相关。同时，按照3d暴雨4d排计算时，经验公式法计算结果较平均排除法计算结果大；按照1d暴雨2d排计算时，平均排除法计算结果较经验公式法大。基于此，文章将进一步分析2种方法的试用情况。

3.2 两种计算公式的对应关系

3.2.1 经验公式中的排水天数

由经验公式中主要参数为K、m及n，通过经验公式无法直观计算出淹没历时及排水排水历时，在此为了推到出经验公式对应的排水天数，便于与平均排除法求得天数进行对比，文章假定按照经验公式计算的排水流量均匀排除，可得到：

(3)式中：K、m及n三个参数代入式3中，容易求得t经=3，即可理解为，依据经验公式法计算得到的排水模数，其对应设计重现期的设计暴雨产流量平均排除时，其对应的排水天数为3d。

3.2.2 计算方法的比较

在确定了暴雨重现期、暴雨历时及排水天数的情况下，经验公式法及平均排除法计算得到的排水模数之比为：

(4)

将经验公式中的有关参数代入可得：

(5)

当t平=1、2、3、4、5 时，比例分别为0.288、0.576、1.000、1.152 和1.440，由上可知，以黑龙江地区参数值求得排水模数值以3d为阈值，排水模数值以3d为阈值，当设计排水天数为3d时，两种方法计算结果相等；当设计排水天数>3d时，用经验公式法求得的排水模数较大；当排水天数<3d时，用平均排除法求得的排水模数较大。在工程设计过程中，出于安全考虑，应取两者的较大值。

4 结 论

通过比较分析经验公式法及平均排除法两种方法排水模数计算结果可知：

1)当暴雨重现期相同时，排水模数与暴雨历时正相关；当暴雨历时相同时，排水模数与暴雨重现期正相关。

2)排水模数值以3d为阈值，当设计排水天数为3d时，两种方法计算结果相等；当设计排水天数>3d时，用经验公式法求得的排水模数较大；当排水天数<3d时，用平均排除法求得的排水模数较大。在工程设计过程中，出于安全考虑，应取两者的较大值。

[1]温季，王少丽，王修贵.农业涝渍灾害防御技术[M].北京：中国农业科技出版社，2000：26-31.

[2]温季，宰松梅，郭树龙，等.利用DRAINMOD 模型模拟不同排水管间距下的作物产量[J].农业工程学报，2008，24(08)：20-24.

[3]中华人民共和国水利部.GB50288-99 灌溉与排水工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，1999.

[4]郭元裕.农田水利学[M].北京：中国水利水电出版社，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

黑龙江省灌溉与排水两用渠道设计实用技术研究(201307)

王影桃(1980-)，女，黑龙江安达人，高级工程师；宋长虹(1978-)，男，内蒙古赤峰人，高级工程师。

S2777

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