成朱联圩圩区设计排涝模数计算问题探讨

艾水平

(江西赣禹工程建设有限公司，南昌 330000)

1 问题的提出

成朱联圩位于鄱阳湖西南岸的赣江北支官港和沙汊二河包夹地带，保护面积44.8km2，耕地3373.3hm2，水面326.7hm2，人口1.6万人，成朱联圩成新段(成新圩)位于江西省北部，鄱阳湖南岸，赣江北支官港河与三老官河之间，地理位置在E116°06′-116°10′，N28°54′-28°58′之间。成朱联圩是鄱阳湖区3333.3hm2以上重点圩堤之一，涝区为宽阔的冲积湖积平原，土地肥沃、土层深厚，地面高程一般为12.70-14.60m。

成朱联圩圩区在建设过程中普遍面临防洪排涝标准低下、防洪建筑物质量不高等问题，如遇区域内突降大雨及外河水位猛涨，都面临十分严峻的灾害。为此必须加快圩区排涝泵站建设，保证排涝模数设计的合理性，保证圩区内排涝泵站的安全运行。设计排涝模数影响因素多且复杂，当前通常在洪峰流量的基础上通过经验系数进行排涝模数计算，这种处理方法并未考虑到圩区水体调蓄方面，成果缺乏合理性。为此，必须以现有方法为基础，综合考虑产汇流理论，通过设计流量过程调蓄计算方法进行圩区排涝模数推求。

2 影响排涝模数的因素

圩区排涝模数主要受设计暴雨、排涝区域面积、地形坡度、水文地质、地下水埋深、河流湖泊调蓄能力等因素的综合影响。平原圩区地势平坦，河流湖泊密度大，河网复杂且调蓄沟通能力强，所以排涝模数计算受排水区域面积、形状、地形坡度等因素的影响和约束较小。而城镇圩区因房屋、道路建筑物较多，下垫面透水性不强，所以其排涝模数计算受地下水埋深的影响较小。城镇化进程的加快使圩区不透水面积不断增大，地表径流和洪峰流量随之增加，汇流时间缩短，且主要通过渠系系统及坡面流汇入圩区河流湖泊，土壤属性、地面植被覆盖等因素对排涝模数的影响主要通过地面硬化率[1]体现。所以，计算城镇圩区设计排涝模数时必须通过重现期、历时及雨型反应设计暴雨，通过水面率反应河流湖泊调蓄能力，通过地面硬化率反应下垫面条件。

2.1 设计暴雨

成朱联圩圩区面积大，区域内降水时空分布不均，综合考虑流域降水、产汇流、水系闭合性、工程措施现状、河网水力计算要求、圩区规划布局等因素的基础上，将成朱联圩圩区划分为5个分区，并在暴雨分区内选择现状城镇化水平较高的圩区作为分析典型，各分区20a一遇24h产水量结果汇总具体见表1。

表1 成朱联圩圩区各分区产水量结果汇总

2.2 设计流量

按照初损后损法进行成朱联圩圩区产流计算，最大24h净雨计算过程中后损按1mm/h确定，便可得出设计净雨过程。采用概念清楚、应用较广的瞬时单位线法进行圩区汇流计算，瞬时单位线是脉冲输入的响应函数[2]，如下表示：

(1)

式中：U(0,t)为瞬时单位线；Γ为伽马函数；n为调节次数参数；k为水库淤滞状态下类似于流域汇流时间的参数；K为蓄泄系数。

为保证上式中参数的物理意义更加明确，并便于使用，将n、k转化为m1和m2，m1为瞬时单位线原点距一阶值，表示瞬时单位线滞时；m2为组滞时间变动系数，m1=nk，m2=1/n。根据m1和m2取值便可得出瞬时单位线，将所得到的瞬时单位线转化为时段单位线，再结合线性系统假定条件，通过卷积公式便可进行设计流量计算：

(2)

式中：Q(t)为流量过程；h(t)为净雨过程。

朱联圩圩区各分区汇流面积不同，所适用的瞬时单位线也不同，通过参数的区域规律性便可求得各分区瞬时单位线，汇总后得出设计流量。

3 排涝模数计算方法

3.1 排涝流量计算

常用的排涝流量计算方法包括网河非恒定流法、平均排除法和水量平衡法三种，其适用条件各不相同，网河非恒定流法主要用于平原地区河道、泵站规模分析，通常结合水利规划专题进行论证与分析；平均排除法则多用于排水面积不大的圩区，过程简单，对于农业种植型平原圩区排涝模数计算适用，但是计算结果存在偏小的可能；水量平衡法作为简化的模型计算方法精度较高，且对数据资料要求不高，多用于计算河道调峰作用比较明显圩区的排涝模数，该法主要将所研究的圩区视为蓄水性湖泊，泵站排水过程导致河网水面发生水平升降，不存在落差和水面比降。水量平衡法河网蓄滞水量通常按照下式确定：

(3)

式中：V1为时段初蓄滞水量，m3；V2为时段末蓄滞水量，m3；Q1为时段初涝水流量，m3/s；Q2为时段末涝水流量，m3/s；T为时段长，s；q1为时段初排水流量，m3/s；q2为时段末排水流量，m3/s。

根据水量平衡法计算原理，当河道水位≥汛期起排水位，则随降水的增大应加大机排流量。若时段产水量<设计排涝能力，则涝水完全排出；若时段产水量>设计排涝能力，则必须根据设计排涝能力进行排水，余水蓄积在河道中，等降水结束后根据设计排涝能力排水，最终使河道水位降至汛期起排水位。

3.2 排涝模数计算

河网具有调蓄功能，通过圩区排涝以将内河水位控制在限制水位以内，确保内河河网水位能满足自由排水出流要求。成朱联圩圩区规划地面高程3.0-3.5m，根据地面高程及排水管道设计埋深，为保证排水管道以自由出流形式排入相邻河道，圩区内河道最高控制水位应低于地面高程0.5-0.8m，为此，河道最高水位应按2.2-2.7m确定。根据成朱联圩圩区现状防洪工程调度及防洪要求，圩区汛期起排水位应比河道最高控制水位低0.5m左右，所以，汛期起排水位应按1.7-2.2m确定。

雨水管网设计排涝能力根据圩区内不同地区暴雨强度公式确定，具体公式如下：

(4)

式中：I为设计暴雨强度，mm/min；P为设计重现期，a，取1a；t为设计暴雨历时，min，取60min；a、b、c、d为地区综合参数。

圩区不同调蓄水面率对应不同的水位调蓄容积关系曲线，根据水量平衡原理，以所设定的河道限制水位为上限反复试算，从而得出圩区不同调蓄水面率所对应的排涝流量，排涝流量值与所对应的圩区面积之比即为排涝模数。

4 成朱联圩圩区设计排涝模数计算

应用水量平衡法进行不同水面率、地面硬化率所对应排涝模数计算。假设成朱联圩圩区内分区水面率取值在0.02-0.2之间，分区内地面硬化率取值在0.3-0.8之间，则根据上述分析逐时进行水量平衡计算，得出各个分区调蓄结果。基于此应用多元回归分析进行排涝模数、水面率、地面硬化率等相关关系的拟合分析，并检验回归效果。具体而言，选择包括成朱联圩在内的鄱阳湖区3333.3hm2以上重点圩堤，起始调蓄水位和限制水位分别取2.5m和3.0m，进行20a一遇设计排涝模数计算，拟合分析结果详见表2，根据对结果的分析发现，调蓄水面率呈增大趋势，而排涝模数则减小，且两者无线性关系，通过抛物线方程进行两者关系的拟合[3]，具体如下：

Mp=b2Fw2-b1Fw+b0

(5)

式中：Mp为圩区排涝模数，m3/(s·km2)；Fw为水面率，%；b0、b1、b2为待求系数。

表2 成朱联圩圩区设计排涝模数拟合结果

根据上表分析结果，采用幂函数方程进行系数b0、b1、b2与成朱联圩圩区面积关系的拟合，由最小二乘法得出：

b0=0.0121F-0.3269

(6)

b1=0.5077F-0.2803

(7)

b2=0.012F-0.3269

(8)

确定性系数R2均>0.97，表明系数b0、b1、b2与成朱联圩圩区面积F存在较好的拟合关系。根据式(5)-(8)便可确定出圩区及相近地区设计排涝流量，在应用过程中，应将根据设计排涝流量所求得的圩区面积控制在10km2以内。根据圩区各分区实际面积及可调蓄水面率取值，便可得到b0、b1、b2分别为3.9725、0.3243和0.0073，将取值代入式(5)，进而可求出20a一遇设计标准下成朱联圩圩区各分区设计排涝模数为1.12m3/(s·km2)，将该取值乘以各分区面积再求和，便可得到成朱联圩圩区设计排涝流量为2.58m3/s。

5 结 论

综上所述，文章针对鄱阳湖区成朱联圩圩区下垫面条件选用水量平衡法并在一定排涝标准下，进行了其排涝模数与水面率、地面硬化率等等影响因素多元函数关系的构建，不同圩区所建立的二次抛物线函数关系表达式不同，但其经验系数和圩区面积存在较好的响应关系。在具体应用过程中必须选择恰当的适用条件，并充分考虑连续降雨的可能性，准确确定设计暴雨历时，以增强分析结果的合理性与适用性。