基于作物耐淹能力的平原圩区排涝模数研究

2019-11-19温进化李其峰王贺龙

西北大学学报（自然科学版） 2019年6期

温进化,卢成,李其峰,王贺龙

(浙江省水利河口研究院, 浙江杭州 310020)

排涝工程是保障区域经济和社会发展的重要基础设施,而排涝模数是确定排涝工程布局和规模的重要依据。排涝标准是决定排涝模数大小的重要指标,排涝标准一般包括设计暴雨重现期、暴雨历时和排涝时间。对于特定的区域,在一定的洪涝治理标准和暴雨特性条件下,设计暴雨重现期和暴雨历时基本是固定的,因此决定区域排涝标准进而影响排涝模数大小的是由作物耐淹能力确定的排涝时间。排涝时间一般根据作物习性,由作物耐淹历时和耐淹水深确定。目前,排涝时间基本采用相关文献[1]推荐的旱作物为1～3d,水稻为3～5d,排涝时间范围较宽泛,存在一定的主观性。因此,建立设计暴雨条件下作物耐淹能力与排涝模数的对应关系,合理评估排涝工程的设计规模,具有现实意义。鉴于此,本文选取杭嘉湖平原的善含圩区作为研究对象,基于作物耐淹试验的耐淹能力,采用水量平衡法分别计算作物不同耐淹能力下的排涝模数,进而建立排涝模数与作物耐淹能力之间的关系,为平原圩区排涝规划设计所需的排涝模数计算提供参考。

1 典型作物的耐淹能力及排涝标准

1.1 典型作物的耐淹能力

作物耐淹能力是影响排涝模数大小的关键因素之一,平原圩区作物类型多样,不同的种植结构直接影响决定区域排涝能力的大小。由于作物种植结构的不确定性,一般可选择代表不同耐淹能力的作物作为确定区域排涝历时的样本。平原圩区典型作物的选择一般根据区域种植结构、作物耐淹习性、作物代表性等因素确定,杭嘉湖地区一般以种植水稻、蔬菜、瓜果和苗木等作物为主,按照作物的耐淹特性,本文选择水稻、青椒、西瓜等3种作物分别代表耐淹能力强、中、弱来代表区域排涝历时。

作物的耐淹能力是直接影响农作物生育和产值的基本特性,其衡量的主要标志主要是耐淹历时和耐淹水深。作物的耐淹能力主要通过耐淹试验研究分析确定,采用正交设计、方差分析等方法,测定出作物不同生育期、不同淹没水深、不同淹没历时和产量的关系,得到作物的耐淹能力。

根据文献[2]的研究成果,水稻、青椒、西瓜等3种典型作物在一定耐淹水深条件,耐淹历时及其减产率关系见表1。

1.2 农田的排涝标准

我国农田排涝标准一般以排水区发生一定重现期的暴雨时作物不受涝为标准。农田排涝标准除明确指出一定重现期的暴雨外,还规定在这种暴雨发生时作物不允许受涝。作物耐淹能力即淹没深度和淹没历时2个指标反映了作物的受涝程度,其概念比较明确,且能够较全面地反映排水区的排涝能力。

表1 典型作物耐淹能力成果Tab.1 Typical crop yield of food tolerance

按照排涝标准定义,排涝标准一般包括设计暴雨重现期、暴雨历时和排涝时间。设计暴雨重现期一般根据区域经济条件确定,一般地区设计暴雨重现期采用5～10a一遇,上海、江苏、浙江水网圩区等经济较发达的地区多采用10～20a一遇[3-5]。暴雨历时主要根据区域暴雨特性确定,一般采用1d，3d。排涝时间主要根据作物的耐淹能力确定,即耐淹历时和耐淹水深确定。按照本文研究思路,采用典型作物相应耐淹水深条件的耐淹时间来确定。

2 研究方法

2.1 总体思路

以某研究区域地形条件、水域调蓄能力、水文特性、工程调度运行等为基础,结合水稻、青椒、西瓜等3种典型作物耐淹能力,分析计算各典型作物对应耐淹历时条件下的排涝模数。在此基础上,根据作物排涝模数与排涝历时建立排涝模数与排涝历时的相关关系。

研究总体思路见下图。

图1 排涝模数与排涝历时关系研究思路Fig.1 Diagram of the relationship between drainage module and drainage duration

2.2 排涝模数计算

目前,排涝模数的计算方法比较成熟,国内常采用平均排除法[6]、经验公式法[7]、单位线法[8]、水量平衡法[9]和水力学模型法[10-13]等进行计算。本文选择较适用于河道调峰作用明显的城镇圩区和调蓄能力较大的水网区或平原湖区的排涝模数计算[14]的水量平衡法[15-16]分析区域排涝模数。

水量平衡法把研究的河网视为一个蓄水的湖泊,由于水闸开闸引水或排水,仅引起河网水面水平升降,不存在水面比降。水量平衡法河网蓄滞水量计算公式为

式中:V1,V2为时段初、时段末滞蓄水量,m3;Q1,Q2为时段初、时段末涝水流量,m3/s;q1,q2为时段初、时段末排水流量,m3/s;T为计算时段长,h。

当河道水位大于或等于汛期起排水位时,随着降雨逐渐增大加大机排流量。如果时段产水量小于设计排涝能力,该时段涝水全部排出;如果时段产水量大于设计排涝能力,则按设计排涝能力排水,余水蓄在河道内,抬高水位,待降雨减小或结束后仍按设计排涝能力排水,直至河道水位降至汛期起排水位。

由水量平衡法计算原理可知,为计算区域排涝模数,需要确定滞蓄水量、涝水流量、排水流量和计算时段等四大主要参数。

1)滞蓄水量:区域滞蓄水量主要包括河道、湖泊等水域调蓄容积和作物耐淹水深的调蓄容积,其中水域调蓄容积根据水域面积～容积相关关系分析确定,作物耐淹水深的调蓄容积根据相应作物种植面积和耐淹水深计算得到。

2)涝水流量:通过排频分别得到不同重现期(10a一遇、20a一遇)下的设计暴雨,根据典型雨型推求设计暴雨过程,然后分水田、旱地、水面等不同下垫面产流计算净雨过程。

3)排水流量:在区域设定排涝模数的条件下,根据区域滞蓄水量、涝水流量等关系确定的排水规则计算得到的排水流量。通常情况下,当区域滞蓄水量达到河网防洪高水位对应水量,且后期持续来水条件下,区域开始排水并逐渐达到排涝模数对应的排水流量。

4)计算时段:计算时段长短关系水量平衡法模拟精度,一般采用1h作为排涝的计算时段。

2.3 排涝模数与作物耐淹能力关系

按照上述研究思路和计算方法,可以计算得到某种作物不同排涝历时条件下的排涝模数。针对多组排涝模数及对应的排涝历时,可以利用回归分析方法建立区域排涝模数与排涝历时的回归关系:

q=f(T)。

式中:q为区域排涝模数,T为作物的排涝历时。

区域排涝模数与排涝历时回归关系可以采用线性回归或非线性回归。

3 实例研究

3.1 研究区概况

善含圩区位于湖州市南浔区,圩区面积19.16km2,其中水田1 020.8hm2,旱地32.1hm2,桑地244.5hm2。善含圩区属于杭嘉湖平原典型的圩区,圩区四周临水建有外围圩堤27.94km;圩区内部按照水系布局划分为大小不一的自然圩区,圩堤由沿河旱地、桑地及当地农工挑筑的河堤组成。圩区内部自然圩区主要通过泵站将区域内涝水排至圩区四周外河,以实现区域排涝的目的。

表2 善含圩区基本情况Tab.2 Basic information of Shan-han polder area

图2 设计暴雨时段分布图Fig.2 Design the distribution map of rainstorm period

3.2 排涝模数计算

1)计算方案

按照善含圩区的降雨特点,分别选择10a一遇、20a一遇的暴雨重现期,24h的暴雨历时,计算水稻、青椒、西瓜等不同作物种植条件下不同排涝历时要求的区域排涝模数。作物排涝历时采用前文的作物耐淹能力的研究成果,其中水稻耐淹水深为40cm,排涝历时分别选择24h，48h，72h和96h;青椒耐淹水深为10cm,排涝历时分别选择3h，6h，12h和24h;西瓜耐淹水深为5cm,排涝历时分别选择1h，3h，6h和12h。

2)计算结果

按照研究区水文、水域等状况,计算得到不同种植作物及其排涝历时条件下的区域排涝模数。重现期为10a一遇,种植水稻且排涝历时为24h，48h，72h和96h的条件下,区域排涝模数分别为0.28 m3.s-1.km-2，0.18 m3.s-1.km-2，0.13 m3.s-1.km-2，0.10 m3.s-1.km-2;种植青椒且排涝历时为3h，6h，12h和24h的条件下,区域排涝模数分别为1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2，0.70 m3.s-1.km-2;种植西瓜且排涝历时为1h，3h，6h和12h的条件下,区域排涝模数分别为2.35 m3.s-1.km-2，1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2。20年一遇重现期情况下,各方案的排涝模数有一定程度的提高(见表3)。

表3 不同方案区域排涝模数计算成果Tab.3 Calculation results of drainage modulus in different areas

由表3可知在区域降雨大小、水域调蓄能力等基本参数一致的情况下,区域排涝能力与作物的耐淹能力直接相关,作物耐淹能力越强区域排涝模数越小。

3.3 排涝模数与作物耐淹能力关系

为建立区域排涝模数与排涝历时关系,更精确的分析在特定的作物种植条件下区域排涝模数,进而合理确定区域排涝工程规模,需要建立排涝模数与作物耐淹能力的关系。由前文分析可知,区域排涝模数与作物耐淹能力关系密切,作物耐淹能力越强,区域排涝模数越小。根据作物相应排涝历时下的区域排涝模数计算结果,采用回归分析的方法建立区域排涝模数与作物排涝历时的回归方程。

10a一遇不同作物种植条件下区域排涝模数与排涝历时回归方程:

20a一遇不同作物种植条件下区域排涝模数与排涝历时回归方程:

式中:y为区域排涝模数,m3·s-1·km-2;x为区域排涝历时,h。