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

1 前言

長久以來，洪澇災(zāi)害一直是中華民族的心腹之患，洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占各類自然災(zāi)害總損失的70%左右，隨著城市的發(fā)展，圩區(qū)城市與農(nóng)田排澇緊密結(jié)合，目前城農(nóng)混排區(qū)域排澇模數(shù)主要采用加權(quán)平均法進(jìn)行計算，為驗證綜合排澇模數(shù)是否滿足排澇需求，本文以舒城縣杭埠鎮(zhèn)胡港河片區(qū)為例，計算圩區(qū)綜合排澇模數(shù)，然后通過MIKE11水動力模塊驗證泵站規(guī)模是否滿足區(qū)域排澇需求，為類似工程提供參考建議。

2 基本情況

杭埠鎮(zhèn)位于舒城縣東部，鎮(zhèn)域總面積80.0km，是杭埠河下游沖積平原，區(qū)域地勢低洼，四面環(huán)水，北側(cè)為豐樂河，南側(cè)為杭埠河，西側(cè)為錢大山河，東側(cè)為小南河，均屬巢湖流域。由于地處江淮丘陵區(qū)中部，受江淮上空南北冷暖空氣交匯的作用和東南臺風(fēng)登陸以及地形等因素的影響，暴雨較為頻繁，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。杭埠鎮(zhèn)胡港河片區(qū)總面積12.97km2，其中城排面積7.83km，農(nóng)排面積5.14km，根據(jù)保護(hù)對象的重要性，農(nóng)排區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇3d暴雨3d平均排除，城排區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)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(qū)常用的水文計算辦法有平均排除法、排澇模數(shù)經(jīng)驗法、單位線法、水量平衡法等。平均排除法是按一定時間內(nèi)的設(shè)計暴雨所產(chǎn)生的凈雨在一定時間內(nèi)排除，平均排除法未考慮流域面積大小的影響，受設(shè)計暴雨歷時和澇水排除時間等人為設(shè)定的參數(shù)影響較大，較適用于農(nóng)田澇水的排澇計算；排澇模數(shù)經(jīng)驗法廣泛適用于淮河以北面積大于50km2的平原坡水地區(qū)排水河道及涵閘自排流量計算；單位線法通過概化區(qū)域澇水過程線，經(jīng)平頭處理后，適用于平原排水區(qū)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(diào)蓄能力的澇區(qū)或澇區(qū)面積不大，各排水河道水位差異不明顯的水網(wǎng)區(qū)。結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，本次農(nóng)排區(qū)采用平均排除法計算排澇模數(shù)，城排區(qū)采用單位線法計算排澇模數(shù)，經(jīng)加權(quán)平均后確定綜合排澇模數(shù)。

農(nóng)排區(qū)排澇模數(shù)計算成果 表1

3.1 農(nóng)排區(qū)排澇模數(shù)

農(nóng)田排水標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇3d暴雨3d平均排除設(shè)計，計算方法采用平均排除法。水田滯蓄水深采用50mm，溝塘調(diào)蓄水深采用500mm，旱地及非耕地徑流系數(shù)采用0.65，水泵日開機(jī)采用22小時，水面蒸發(fā)量每天為5mm。計算公式采用下式：

式中：

q——設(shè)計排澇模數(shù)（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(shè)計暴雨量（mm），杭埠鎮(zhèn)10年一遇最大3d暴雨230mm；

C——旱荒地徑流系數(shù)，取0.65；

h——水田滯蓄水深，取50mm；

h—— 溝 塘 調(diào) 蓄 水 深，取500mm；

T——排澇天數(shù)（d），為3d；

t——水泵日開機(jī)小時數(shù)（h），取22h/d；

E——歷時為T的水面蒸發(fā)量（mm）。

3.2 城排區(qū)排澇模數(shù)

由于本地區(qū)內(nèi)缺乏水文資料，特別是無流量資料，無法直接推求區(qū)域的設(shè)計匯流。因此本次單位線利用安徽省水利水電勘測設(shè)計院1995年編制的《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》，和1984年編制的《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計洪水計算辦法》推求區(qū)域24h單位線，通過采用割平頭法，計算圩區(qū)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(qū)域可調(diào)蓄庫容約32.2萬m3，區(qū)域流量過程線經(jīng)平頭處理后最大排澇流量19.9m3/s，城排區(qū)排澇面積7.83km2，城排模數(shù)為2.55m3/s/km2。

3.3 綜合排澇模數(shù)

城農(nóng)結(jié)合排澇模數(shù)按照加權(quán)平均計算，公式如下：

M=αM+αM

式中：

M—城農(nóng)混合排澇模數(shù)；

M—城排區(qū)排澇模數(shù)；

M—農(nóng)排區(qū)排澇模數(shù)；

α—城排區(qū)排澇面積占圩區(qū)總面積的百分比；

α—農(nóng)排區(qū)排澇面積占圩區(qū)總面積的百分比。

胡港河片區(qū)總面積12.97km2，其中城排面積7.83km，農(nóng)排面積5.14km，通過加權(quán)平均，區(qū)域綜合排澇模數(shù)1.84m3/s/km2，綜合排澇流量23.8m3/s。

4 泵站規(guī)模復(fù)核

本次泵站規(guī)模復(fù)核采用MIKE11建模分析，通過模擬圩內(nèi)水系布局規(guī)模、泵站控制運行條件，片區(qū)產(chǎn)匯流過程等條件，復(fù)核在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，泵站規(guī)模是否滿足片區(qū)排澇需求。

4.1 模型基本方程

丹麥DHI公司研發(fā)的DHI MIKE是一、二維動態(tài)耦合的洪水模擬軟件，MIKE11模型可對各種復(fù)雜的建筑物做單獨或者聯(lián)合調(diào)度，適用于宏觀上的流域控制性工程規(guī)模論證分析。MIKE11水動力模塊采用6點Abbott～I(xiàn)onescu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(guān)物理定律的微分方程，包括連續(xù)方程（質(zhì)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(cè)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(shù)；α—動量修正系數(shù)。

4.2 模型概化

模型概化主要包括圩內(nèi)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(shù)依據(jù)規(guī)劃河道確定，河道斷面根據(jù)規(guī)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(shù)包括泵站流量、泵站控制運行條件及控制運行水位，河網(wǎng)水動力模型概化詳見圖3。

排澇模數(shù)綜合模數(shù)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(shè)計參數(shù)

泵站設(shè)計排澇流量為23.8m，最低運行水位4.0m，泵站設(shè)計運行水位4.7m，最高運行水位5.7m，圩內(nèi)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(dá)到4.5m時起排，當(dāng)水位低于4.0m時泵站停止運行，根據(jù)圩內(nèi)排澇溝設(shè)計參數(shù)，概化河網(wǎng)斷面參數(shù)，河道糙率采用0.03，匯流過程概化為集中入流進(jìn)入河網(wǎng)。

4.4 計算成果

根據(jù)MIKE 11水動力模塊計算成果，當(dāng)圩內(nèi)遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)區(qū)的調(diào)蓄作用，同時泵站運行大部分時段處于高效區(qū)，因此認(rèn)為泵站規(guī)?；緷M足圩區(qū)排澇需求。

5 結(jié)論

通過本案例分析可得出以下結(jié)論：

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

②本文中農(nóng)排區(qū)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是10年一遇，城排區(qū)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是20年一遇，而實際情況同一場降雨對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)一致，因此在城農(nóng)混合區(qū)域應(yīng)做好農(nóng)排區(qū)的控制工程，在高標(biāo)準(zhǔn)降雨發(fā)生時，充分發(fā)揮水田、滯蓄區(qū)的調(diào)蓄作用，盡量減少澇災(zāi)損失；

③排澇模數(shù)計算中水面率對計算結(jié)果的影響較大，在今后的城市建設(shè)中應(yīng)盡量避免壓占河道水系，保留城市滯蓄區(qū)，增大圩區(qū)的調(diào)蓄庫容。