城农混排圩区排涝模数合理性分析

马 哲 （安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088）

1 前言

长久以来，洪涝灾害一直是中华民族的心腹之患，洪涝灾害造成的直接经济损失占各类自然灾害总损失的70%左右，随着城市的发展，圩区城市与农田排涝紧密结合，目前城农混排区域排涝模数主要采用加权平均法进行计算，为验证综合排涝模数是否满足排涝需求，本文以舒城县杭埠镇胡港河片区为例，计算圩区综合排涝模数，然后通过MIKE11水动力模块验证泵站规模是否满足区域排涝需求，为类似工程提供参考建议。

2 基本情况

杭埠镇位于舒城县东部，镇域总面积80.0km，是杭埠河下游冲积平原，区域地势低洼，四面环水，北侧为丰乐河，南侧为杭埠河，西侧为钱大山河，东侧为小南河，均属巢湖流域。由于地处江淮丘陵区中部，受江淮上空南北冷暖空气交汇的作用和东南台风登陆以及地形等因素的影响，暴雨较为频繁，极易发生洪涝灾害。杭埠镇胡港河片区总面积12.97km²，其中城排面积7.83km，农排面积5.14km，根据保护对象的重要性，农排区排涝标准采用10年一遇3d暴雨3d平均排除，城排区排涝标准采用20年一遇24h暴雨24h排至地面不积水。

3 计算方法及成果

我国主要易涝区常用的水文计算办法有平均排除法、排涝模数经验法、单位线法、水量平衡法等。平均排除法是按一定时间内的设计暴雨所产生的净雨在一定时间内排除，平均排除法未考虑流域面积大小的影响，受设计暴雨历时和涝水排除时间等人为设定的参数影响较大，较适用于农田涝水的排涝计算；排涝模数经验法广泛适用于淮河以北面积大于50km²的平原坡水地区排水河道及涵闸自排流量计算；单位线法通过概化区域涝水过程线，经平头处理后，适用于平原排水区的排涝流量计算；水量平衡法一般适用于有较大湖泊等水面调蓄能力的涝区或涝区面积不大，各排水河道水位差异不明显的水网区。结合区域实际情况，本次农排区采用平均排除法计算排涝模数，城排区采用单位线法计算排涝模数，经加权平均后确定综合排涝模数。

农排区排涝模数计算成果 表1

3.1 农排区排涝模数

农田排水标准按10年一遇3d暴雨3d平均排除设计，计算方法采用平均排除法。水田滞蓄水深采用50mm，沟塘调蓄水深采用500mm，旱地及非耕地径流系数采用0.65，水泵日开机采用22小时，水面蒸发量每天为5mm。计算公式采用下式：

式中：

q——设计排涝模数（m³/s/km²）；

F——排片总面积（km²）；

F——水田面积（km²）；

F——旱荒地面积（km²），包括旱地及非耕地；

F——沟塘面积（km²）；

P——设计暴雨量（mm），杭埠镇10年一遇最大3d暴雨230mm；

C——旱荒地径流系数，取0.65；

h——水田滞蓄水深，取50mm；

h—— 沟 塘 调 蓄 水 深，取500mm；

T——排涝天数（d），为3d；

t——水泵日开机小时数（h），取22h/d；

E——历时为T的水面蒸发量（mm）。

3.2 城排区排涝模数

由于本地区内缺乏水文资料，特别是无流量资料，无法直接推求区域的设计汇流。因此本次单位线利用安徽省水利水电勘测设计院1995年编制的《安徽省长短历时年最大暴雨统计参数等值线图》，和1984年编制的《安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》推求区域24h单位线，通过采用割平头法，计算圩区排涝流量。

图1 平头处理前流量水过程线

图2 平头处理后流量过程线

区域可调蓄库容约32.2万m³，区域流量过程线经平头处理后最大排涝流量19.9m³/s，城排区排涝面积7.83km²，城排模数为2.55m³/s/km²。

3.3 综合排涝模数

城农结合排涝模数按照加权平均计算，公式如下：

M=αM+αM

式中：

M—城农混合排涝模数；

M—城排区排涝模数；

M—农排区排涝模数；

α—城排区排涝面积占圩区总面积的百分比；

α—农排区排涝面积占圩区总面积的百分比。

胡港河片区总面积12.97km²，其中城排面积7.83km，农排面积5.14km，通过加权平均，区域综合排涝模数1.84m³/s/km²，综合排涝流量23.8m³/s。

4 泵站规模复核

本次泵站规模复核采用MIKE11建模分析，通过模拟圩内水系布局规模、泵站控制运行条件，片区产汇流过程等条件，复核在设计标准条件下，泵站规模是否满足片区排涝需求。

4.1 模型基本方程

丹麦DHI公司研发的DHI MIKE是一、二维动态耦合的洪水模拟软件，MIKE11模型可对各种复杂的建筑物做单独或者联合调度，适用于宏观上的流域控制性工程规模论证分析。MIKE11水动力模块采用6点Abbott～Ionescu有限差分格式对圣维南方程组求解。

圣维南方程是反映有关物理定律的微分方程，包括连续方程（质量守恒定律）和动量方程（牛顿第二定律）：

式中：Q—断面流量，m³/s；q—侧向入流，m³/s；A—过水面积，m²；h—断面水位，m；R—水力半径，m；C—谢才系数；α—动量修正系数。

4.2 模型概化

模型概化主要包括圩内主要河道及控制建筑物。本次计算概化河道3条，概化主要建筑物1座。河长参数依据规划河道确定，河道断面根据规划河道断面采用河边距～河底高程形式在计算中反映，控制建筑物主要是排涝泵站，概化的主要参数包括泵站流量、泵站控制运行条件及控制运行水位，河网水动力模型概化详见图3。

排涝模数综合模数计算成果 表2

图3 模型概化图

图4 泵前断面水位变化曲线

图5 涝水过程线及泵站外排过程线

4.3 设计参数

泵站设计排涝流量为23.8m，最低运行水位4.0m，泵站设计运行水位4.7m，最高运行水位5.7m，圩内常水位为4.3m，本模型中泵站控制运行条件为排涝沟水位达到4.5m时起排，当水位低于4.0m时泵站停止运行，根据圩内排涝沟设计参数，概化河网断面参数，河道糙率采用0.03，汇流过程概化为集中入流进入河网。

4.4 计算成果

根据MIKE 11水动力模块计算成果，当圩内遭遇设计标准涝水时，泵前排涝沟最低水位4.02m，最高水位5.74m，在排涝过程中充分利用了水网区的调蓄作用，同时泵站运行大部分时段处于高效区，因此认为泵站规模基本满足圩区排涝需求。

5 结论

通过本案例分析可得出以下结论：

①平均排除及单位线法均适用于平原排水区的排涝流量计算，通过加权平均计算求得的综合排涝模数基本可满足城农混合圩区的排涝需求；

②本文中农排区的设计标准是10年一遇，城排区的设计标准是20年一遇，而实际情况同一场降雨对应的标准一致，因此在城农混合区域应做好农排区的控制工程，在高标准降雨发生时，充分发挥水田、滞蓄区的调蓄作用，尽量减少涝灾损失；

③排涝模数计算中水面率对计算结果的影响较大，在今后的城市建设中应尽量避免压占河道水系，保留城市滞蓄区，增大圩区的调蓄库容。