排涝模数计算方法分析评价

王凤瑞 王慧

摘要：排涝模数的确定对于确定排涝工程布局和规模具有重要的指导意义。以黑龙江省东部的三江平原宝清挠力河涝区和穆棱河涝区为例，根据涝区下垫面条件进行产流计算，分别采用排模公式法和平均排除法计算不同排涝标准下的排涝模数，并分析比较两种计算方法的计算结果。结果表明：随着重现期的变长，排水流量和排涝模数越来越大。对于旱田，两种方法计算结果相差较小，而且面积越小，排涝模数相差越小，平均排除法的计算结果总体大于排模公式法的；对于水田，两种方法计算结果差别较大，且面积越小，相差越大。

关键词：排涝模数；排涝标准；排模公式法；平均排除法

中图分类号：TV131 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.034

涝灾是一种地域性广泛的自然灾害，影响巨大，尤其给农业生产带来巨大损失。排涝工程可有效保障社会经济安全，计算排涝模数是确定排涝工程布局和规模的重要环节川。目前，国内外专家学者对排涝计算方法进行了大量研究，并取得一些成果。如意大利、希腊、法国和西班牙等国家广泛使用连续法、运动法和综合流量过程法，我国主要易涝平原区自排采用的方法有平均排除法[2-3]、排模公式法[4-5]、单位线法[6]、总人流槽蓄法、水量平衡法[7-8]、推理公式法[9]等。水网地区面积较大的排水区一般采用水量平衡法和水力学模型法。

排涝模数大小受当地的气候、地形条件、河流水系及其排水方式、排涝标准、计算方法和参数及湖泊、水面调蓄能力等因素影响，各省之间、省内不同地区之间差异很大。自排计算方法中排模公式法在淮河以北平原地区广泛使用，平均排除法一般用于面积较小的排水区，水量平衡法和模型法一般在水网地区和有调蓄湖泊的排涝圩区使用，有些省、市使用综合单位线法或推理公式法计算排涝模数。抽排中使用比较多的方法为平均排除法和水量平衡法，但平均排除法中降水时段、排出时间等参数各省差别较大。

1 研究方法

农区自排排涝模数计算方法主要分4类：排模公式法、单位线法、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进行排涝模数的推求。排模公式法主要用于淮河以北地区[10]，不分地类。平均排除法用于农区自排计算，可按区域内河流及湖泊情况分为一般地区和水网、滨湖区两类，没有严格区分水田、旱地和菜地。

1.1 排模公式法

计算排涝模数的经验公式为

q=kRmAn （1）式中：q为设计排涝模数m3/（s·km2）；R为设计暴雨产生的径流深，mm；A为设计控制的排水面积，km2；k为综合系数（反映降雨历时、流域形状、排水沟网密度、沟底比降等因素）；m为峰量指数（反映洪峰与洪量关系）；n为递减指数（反映排涝模数与面积关系）。k、m、n应根据具体情况，经实地测验确定，一般根据水文测站实测暴雨径流资料，经过统计分析求出k、m、n，也可以从各地《水文手册》中查找[1]。

排模公式法适用于平原坡水区或平原地区综合地类的自排设计流量计算。各地的排模公式适用范围差别较大，主要用于面积大于50km2的区域。排模参数差别比较大，与当地的地形坡降、河道水力条件、雨型等有关。

目前该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区、山东省及江苏省邳苍邦新地区，海河流域的河北省平原区和山东鲁北平原区，东北平原的遼宁省中部平原区。湖北省平原地区虽也可采用排模经验公式，但湖北省湖泊众多，大多地区是滨湖平原，地势十分平坦，有较多的调蓄湖泊，且大多数独立排水河道流域面积不是很大，在排涝规划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区的平原区。

1.2 平均排除法

平原区旱地设计排涝模数计算公式为式中：M旱为旱地设计排涝模数，m3/（s·km2）；T为排涝历时，d；ψη为槽蓄迟缓系数，根据以径流深为参数的槽蓄迟缓系数与面积的关系线查图确定。

平原区水田设计排涝模数计算公式为式中：M水为水田设计排涝模数，m3/（S·km2）；P为历时为T的设计暴雨量，mm； h1为水田滞蓄水深，mm；E为历时为T的水田蒸发量，mm；F为历时为T的水田渗漏量，mm；T为排涝历时，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较广泛，用于农区自排时一般不分地类。采用平均排除法的地区有江苏苏南地区，安徽、河南境内面积小于50km2的沿淮、淮北地区，湖南省湖区排涝涵闸地区，湖北省水面调蓄较多地区，广东省的部分地区和黑龙江、吉林等省。由此可见，平均排除法在淮河流域、长江中下游地区、珠江三角洲平原区、松辽平原地区均有使用，使用范围遍及我国各主要平原区。该方法一般适用于面积较小、有排涝涵闸或有较多调蓄水面的地区，且降水时间和排出时间比较接近。不同地区自排平均排除法参数统计见表1。

2 实例分析

典型区选择三江平原宝清挠力河涝区和穆棱河下游涝区，位于黑龙江省东部。挠力河发源于完达山脉勃利县境内的七里嘎山，干流全长596km，流域面积3816km2。挠力河干流宝清镇以上为浅山丘陵区，以下为平原区。上游山区滩地坡降为1/200～1/800，中游坡降为1/1600，下游平原区坡降为1/4000～1/15000。宝清挠力河涝区总面积6.13万hm2。

穆棱河下游地区虎林镇附近和区内八五农场所属东北部各生产队为山丘区，其他为平原区。下游地区总面积为4 585km2，其中：山区、丘陵、台地面积占总面积的4.6%，高程为90～300m；平原区面积占总面积的89.6%，地面坡降为1/3000～1/10000；水面面积占总面积的5.8%。

该区属于中温带大陆季风气候区，夏季高温多雨，冬季干冷而漫长。根据宝清站1955-1992年气象资料统计，多年平均降水量为518mm，属于半干旱地带，降水大部分集中在6-9月，占全年降水量的72%，尤其是7-8月雨量较为集中，约占全年降水量的44%，5-6月降水较少。因此，该区春季干旱频繁，秋季多洪涝灾害。

2.1 设计净雨量

2.1.1 旱田设计净雨量

宝清挠力河涝区选取本德北和索伦岗2个雨量站进行分析，穆棱河下游涝区采用八五零农场、八五六农场、庆丰农场、八五八农场和兴凯湖农场等5个雨量站进行分析。选取的7个雨量站均位于平原区。采用1956-2010年同步序列最大1d面雨量及前期影响雨量，依据《黑龙江省旱田排涝模数》[11]中降雨一径流关系查算净雨量，结果见表2。

2.1.2 水田设计净雨量

采用计算旱田排涝模数的各单站雨量数据，时间序列为1956-2010年，水田暴雨期为6月1日至8月28日，统计最大3d暴雨量，采用P-Ⅲ型频率曲线，CS/CV=3.0，得到单站设计暴雨。

设计净雨量R计算公式为

R=P3P-（E*+D）t-h水深（4）式中：P3p为设计暴雨量，mm；h水深为水田暴雨期滞蓄水深，取25mm；（E水+D） t为蒸发和渗漏损失，取4.0mm。

净雨量计算结果见表3。

2.2 两种方法对比

黑龙江省没有用过排模公式法计算排涝模数，本次借用地理、地形、气候等条件较为相似的辽宁省东部已有参数进行分析，其中k=0.0127，m=0.93，n=-0.176。

宝清挠力河涝区选取的2个雨量站位于青山分区，采用青山分区的实际面积进行计算。为了分析面积变化时不同重现期下排水流量与排涝模数的变化情况，穆棱河下游涝区采用不同的面积进行计算。根据当地的地形情况、河道水力条件，排模公式法在黑龙江省平原区使用范围为50～1000km2，以穆棱河下游涝区选取的5个雨量站中心位置为圆心，面积依次选取50、100、500、1000km2进行计算。此区域地面坡降为115000～1/10000，故面积改变时，净雨量几乎不发生变化。净雨量采用单站净雨量的平均值，计算的旱田和水田排涝模数及排水流量对比分别见表4、表5和图1。

从表4可以看出，随着重现期的变长，排水流量和排涝模数也变大。3a一遇和5a一遇时，旱田两种方法计算的排涝模数相差较小，相差在5.0%～27.5%之间。总体而言，面积越小，两种方法计算的排涝模数相差越小，但变化不明显；平均排除法计算结果总体大于排模公式法计算结果。在穆棱河下游涝区，面积越大，排水流量和排涝模数也越大。

表5中水田两种方法计算的排涝模数差别较大，且面积越小，相差越大，主要原因是排模公式法一般是以1d（或24h）平均洪峰流量来计算的，而水田平均排除法时段长度达4d，且考虑了田间蓄水、蒸发渗漏等因素，排模公式法计算结果偏大。

重现期不同，排水流量和排涝模数也有差异。与旱田正好相反，重现期越长，水田排水流量和排涝模数越小。

图1为两个涝区不同方法计算的5a一遇排涝模数对比，可以看出旱田的排涝模数总体上要小于水田的排涝模数。两种方法计算的旱田排涝模数相差较小，两种方法计算的水田排涝模数相差较大。但随着面积的增大，水田两种方法计算结果的差距逐渐减小，而旱田两种方法计算结果的差距变化不明显。

3 结论与建议

（1）两种方法计算的旱田排涝模数相差较小，平均排除法计算结果大于排模公式法计算结果。两种方法计算的水田排涝模数差别相对较大，排模公式法计算结果总体大于平均排除法计算结果。

（2）在排模公式法的适用范围内，两种方法都可用来计算旱田的排涝模数，但小面积排水区采用平均排除法为宜。在计算水田的排涝模数时，建议采用平均排除法。

（3）平均排除法在黑龙江省长期使用，已形成一套完善的计算办法，且考虑了与流域面积有关的坡面、槽蓄滞缓系数，事实上是一种变相的排模公式法。

（4）从计算结果看，排模公式法与平均排除法总体有差异，水田计算结果的差异明显。排模公式法在黑龙江省没有采用过，之后应深入研究其适用性，根据具体情况进行参数率定，并且需要进行实际验证。

（5）排涝模数计算方法应根据涝区排水特点、排水方式、调蓄能力、主要作物类型等进行分类归纳和规范。

参考文献：

[1]罗文兵，王修贵，罗强.农田排涝模数计算方法的比较[J].农业工程学报，2013，29（11）：85-90.

[2]王燕.安徽省沿江圩区农田排涝模计算[J].水利经济，2000（4）：42-45.

[3]柏菊.沿江圩区排涝水文计算实例[J].江淮水利经济，2007（2）：45-46.

[4]王国安，贺顺德，崔鹏，等.排涝模数法的基本原理和适用条件[J].人民黄河，2011，33（2）：21-26.

[5]水文研究所平原除涝水文计算组.对坡水区天然河道排涝模数经验公式的探讨[J].水利水电技术，1962（8）：37-41.

[6]张建新，惠士博，谢森传.利用降雨入渗产流分析原理和Nash单位线汇流方法进行排涝模数计算的研究[J].水文，2002，22（3）：1-4.

[7]高成，刘俊，崔韩，等.城镇抒区排涝模数计算方法及其与河道调蓄库容关系研究[J].灾害学，2008，23（3）：7-9.

[8]周建康，朱春龙，罗国平.平原圩区设计排涝流量与水面率关系研究[J].灌溉排水学报，2004，23（4）：64-66.

[9]王國安，贺顺德，李荣容，等.论推理公式的基本原理和适用条件[J].人民黄河，2010，32（12）：1-4.

[10]费永法，王德智，邵善忠.几种除涝水文计算方法的比较与分析[J].水利规划与设计，2015（1）：24-25.

[11]黑龙江省水利水电勘测设计研究院.黑龙江省旱田排涝模数[R].哈尔滨：黑龙江省水利水电勘测设计研究院，1986：26-34.