辽河干流平原区典型站点设计排涝模数及排涝潮位计算分析

胡晓松

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

对于平原区而言，排涝模数是水利工程设计的主要参数，是区域排水泵站、闸坝、防洪工程设计的重要依据[1]。辽宁省平原区面积占辽宁省面积的1/3，大部分分布在辽河平原区。近些年来，随着辽河干流综合治理规划项目的逐步开展，对于区域工程设计所需的排涝模数关注度逐步增加。辽宁省设计部门在20世纪90年代开展过辽宁省的治涝规划，提出辽河干流不同区域的排涝模数[2]，但是至今已有20年，受区域变化环境，尤其是下垫面特征的影响，其排涝模数已发生不同程度的变化，需要结合站点最新的数据系列资料，对其设计排涝模数进行分析[3]。当前，国内学者针对排涝模数的计算方法已经取得不少研究成果[4- 111]，这其中平均排除法由于可综合考虑旱地和水田的综合影响，在一些区域应用较为成熟[12- 115]，但在辽宁地区还未得到相关应用，为此本文结合平均排除法对其排涝模数进行计算。此外，辽河平原区入海口的潮位受到雨洪和高潮位共同影响，对感潮河段的洪水影响较大，为此本文结合辽河平原营口站位研究实例，对其雨潮遭遇的概率进行分析，分析的成果对于辽河干流平原区水利工程设计具有重要的参考价值。

1 辽宁省涝区概况

辽宁省主要的排涝区域分布在辽河平原区，其总的排涝面积为2765km2，较容易发生洪涝的耕地区域的面积为1453万亩。中部平原区易涝面积1334.14万亩，占辽宁省易涝面积的92%；东、西部沿海诸河零星区易涝面积118.86万亩，仅占辽宁省易涝面积的8%。易涝耕地面积占涝区总控制面积的42.6%。辽宁省平原区发生的洪涝灾害的时空分布特征主要为：

(1)时间特征。据统计，1980—2012年的33年间，辽宁省发生涝灾且受灾面积大于50万亩的年份有19年，发生频率达57.6%；1980—1989年间有4年，其中1985年受灾面积超过1000万亩，且是辽宁省范围内受灾；1990—1999年间有7年，其中1994年和1995年连续两年受灾面积均超过700万亩；2000—2009年间有5年，其中2005年受灾面积超过700万亩；2010—2012年间连续3年均有涝灾发生，其中2010年受灾面积接近600万亩。从上述数据可以看出，辽宁省大体上是三年两涝，且每隔10年左右即有较大的涝灾年发生。从年内分布情况分析，由于季风气候的影响，每年6月份开始进入雨季，春季降雨量只占全年降雨量10%～15%，涝渍灾害以立秋前后夏、秋两季的夏涝和秋涝为主，春涝也偶有发生，但几率很少。

(2)空间特征。辽宁省平原区尤其是辽河流域发生洪涝灾害的频次较大。涝渍灾害在各种不同涝渍类型中的轻重程度，与畅排条件的程度和趋势相一致，即畅排条件差的平原洼地的灾害重于畅排条件较好的平原坡地和山区谷地。

2 排涝模数的计算方法

(1)以旱地为主涝区的排涝模数的计算方程为：

(1)

式中，Mh—旱地为主涝区的排涝模数，m3/(s·km2)；R—历时为T内的设计净雨量，mm；T—排涝时间，s。

(2)水田为主涝区的排涝模数的计算方程为：

(2)

RS=PT′-Hs-f-ET

(3)

式中，Ms—水田为主涝区的设计排涝模数，m3/(s·km2)；Rs—需要排涝的水深，mm；PT′—设计暴雨量，mm；Hs—水田的净水深，mm；f—历时为T的渗透水量，mm；ET—水田的日蒸发量，mm。

水田排涝模数计算参数见表1。

表1 水田排涝模数计算参数表

3 排涝模数的计算结果

3.1 设计前期雨量计算

以辽河干流6个典型站点数据，对其不同分区的设计前期雨量进行计算，计算结果见表2。

表2 辽河干流不同分区设计前期雨量计算结果

前期影响雨量主要对场地降水产生的径流和土壤入渗量发生不同程度的影响，是土壤包气带含沙量变化的重要指标，一般计算前期影响雨量要求其小于流域的最大土壤蓄水容量Im值。计算前期影响雨量需要确定的参数值为n、Im和K值。土壤蓄水容量Im值时流域土壤蓄水条件的综合指标，与土壤包气带的特征、土壤特性以及区域地下水埋深具有较大的相关性,因此，各地区的Im值不同。辽宁省Im南区采用110mm，中区采用120mm，北区采用130mm，西区采用130mm。n值为区域前期影响雨量所发映的一个特征值。一般而言n值与K值的相关度较大，其范围一般在15～30d以内，通过对辽河平原排涝特征的分析，其排涝模数计算时采用的前期影响雨量的天数为20d，因此本文选用20d作为其设计排涝模数计算所设定的排涝天数。土壤水消退系数K是表征包气带土壤持水量的重要参数，与地下水位变化具有较大的相关性，K值的变化度主要取决于降雨产流前后地下水埋深的变化，是地下水与气象要素对土壤包气带含水量综合反映的一个重要参数值。通过对经过试验分析辽河流域当地下水埋深小于0.5m时取K=1，地下水埋深大于3m时K取定值；地下水埋深在0.5～3.0m之间时K为变值，采用公式[16]进行求解。经分析辽宁省平原涝区1983—2017年汛期各分区平均地下水埋深均在0.5～3.2m之间，按照该方法计算各分区的K值如下：北区和西区为0.95，南区和中区为0.955。

3.2 设计排涝模数计算

结合平均排除法对辽河干流不同分区的设计排涝模数进行计算，计算结果见表3。

表3 辽河干流不同分区设计排涝模数计算结果

平均排除法主要按照排涝面积来作为其设计排涝模数计算的相应标准，一般而言，当控制面积大于200km2一般可认定为排涝面积较大的片区，当控制面积在50～200km2之间则可认定为中等面积的排涝区域，当控制面积小于50km2，则可以认定其排涝面积的区域较小，为小面积排涝区域，不同的排涝分区按照控制面积进行排涝典型方式的选取，不需要对排涝区域的作物的种类以及排水的方式进行具体划分，因此本文对不同排涝片区的水田、旱地的不同排水方式进行其设计排涝模数的计算，由于不同排水方式下的排涝模数计算方法、设计净雨的计算方法均相同，因此其计算结果具有一致性，表3中只对水田和旱地的设计排涝模数进行分析，从其设计排涝模数计算结果可分析出，同一个频率下水田设计排涝模数一般小于旱田的设计排涝模数，在水利工程设计时，对于水田、旱地不同排水方式下的排涝模数应进行细化计算。

4 排涝潮位的计算结果

4.1 设计排涝潮位计算

结合各水位站实测数据，各站点资料见表4，对其设计排涝潮位进行计算，计算结果见表5、如图1所示。

表4 各水位站资料情况表

表5 各潮位站设计潮位成果表(85国家高程基准) 单位：m

图1 各站点频率曲线分析结果

结合《海港水文规范》对于区域设计潮位采用频率分析的方法进行计算，其要求计算的潮位数据系列的长度不低于20年，并尽量对历史上发生高潮位的特征值进行调查。设计潮位的频率计算的线性应采用皮尔逊-Ⅲ型分布曲线进行频率分布的计算。结合辽宁省地区暴雨、下垫面以及作物种类对于排涝方式和模式的需求，其排涝模数设计的天数一般为3d，设计排涝潮位的计算一般采用3d潮位的最大值进行样本的选择分析。我省潮位资料在20年以上的观测站点为有石山子站、盘山站、三岔河站、营口站、田庄台站。从表6中可看出，三岔河站不同频率设计潮位最高，主要是因为其是入海口站，其次盘山站设计潮位较高，受到潮位影响较大，营口站也为入海站，但受海潮变化影响较小，因此其不同频率下的设计潮位最低。从图1中可看出，各站点的潮位符合皮尔逊-Ⅲ型分布曲线的变化。

4.2 营口潮位站雨潮遭遇分析

4.2.1当以3d降水为主因的雨潮遭遇概率

以营口站位实例，对其最大的3d降水量及其对应的时间内的最高潮位的均值作为营口站点的潮位数据，对其降水量和潮位的相关性进行分析，分析结果如图2所示。

图2 营口站最大3d雨量与营口相应高潮位相关图

从图中可分析出，在1956—2017年的相关点数据中，有3年的数据系列点在雨潮遭遇的概率线上，因此该数据为以降水为主因的降水和潮位相遇下的分析结果，但由于出现的系列年份较短，因此当发生连续3d的降雨量较大的情况下，营口站点出现5～50年一遇的3d降水量和营口站最大潮位的结合点为2.72m，该数据高于营口站多年的潮位均值，但是低于频率为5年的潮位值，因此以降水为主因下的潮水位和降水遭遇时，营口站出现的潮位值为2.72m。

4.2.2高潮水位为主因下的降水和潮水位遭遇分析

对营口站连续3d发生最高潮位时和连续3d出现降雨的数据进行相关分析，并对设计条件下的降雨和潮位的遭遇进行分析，分析结果如图3所示。

图3 营口最高潮位与营口站相应最大3d雨量相关图

从图中可看出，在1956—2017年的相关点数据中，有3年的数据系列点在潮雨遭遇的概率线上，因此该数据为以高潮潮位为主因的降水和潮位相遇下的分析结果，但由于出现的系列较短，低于5年，当出现高潮潮位的主因的条件下，营口站出现10～50年一遇的设计潮位和降雨发生遭遇的降水量小于5年一遇的的3d降水量值为154mm，因此当高潮水位和流域3d降水量出现遭遇的情况下，采用其3d最大的降水量值为154mm。

5 结语

(1)在具体的设计工作中，在设计排涝模数计算时应该按照水田及旱田的排水方式及排涝面积进行综合细化计算，提高设计排涝模数计算的精准性。

(2)在设计排涝潮位计算时，计算数据系列应不低于20年，并应对其历史潮位特大值进行调查，在潮汐河口区域，设计潮位选用P-Ⅲ型分布曲线进行频率计算。

(3)当出现高潮潮位的主因的条件下，营口站出现10～50年一遇的设计潮位和降雨发生遭遇的降水量小于5年一遇的的3d降水量值为154mm。

(4)本文计算的最高频率为20年一遇，在以后的研究中还应对更多频率进行设计排涝模数和排涝潮位的分析。