羅文兵，王修貴，孫懷衛(wèi)，范琳琳，錢(qián) 龍(.長(zhǎng)江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 4000；.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 4007；.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 40074)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)的影響加劇，使得澇災(zāi)致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體情勢(shì)及其相互關(guān)系發(fā)生了顯著變化[1]，現(xiàn)有除澇工程體系已無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的減災(zāi)需求[2]。近年來(lái)，受全球氣候變暖影響，極端天氣尤其是短歷時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生頻率的增加，增加了澇災(zāi)的發(fā)生頻率。隨著我國(guó)南方平原湖區(qū)城市化進(jìn)程加快，導(dǎo)致排區(qū)下墊面條件和排澇特點(diǎn)均發(fā)生了顯著變化，城市化、土地利用類(lèi)型變化和承載體脆弱性增加等下墊面條件的改變顯著提高了一定排澇標(biāo)準(zhǔn)下的排澇模數(shù)[3]，從而對(duì)排區(qū)排澇提出了更高的要求。因此，開(kāi)展南方平原湖區(qū)排澇模數(shù)計(jì)算方法的研究對(duì)于合理確定排澇系統(tǒng)規(guī)模、有效控制澇災(zāi)損失和保障糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于排澇模數(shù)的計(jì)算方法比較成熟。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如意大利、希臘、法國(guó)和西班牙等國(guó)家，在小流域農(nóng)業(yè)排區(qū)廣泛使用連續(xù)法、運(yùn)動(dòng)法和綜合流量過(guò)程線(xiàn)法(S.C.S)等，并取得了不錯(cuò)的效果[4]。我國(guó)20世紀(jì)60年代提出了華北地區(qū)六省一市排澇模數(shù)的計(jì)算公式和有關(guān)參數(shù)，以及南方平原地區(qū)排澇流量的計(jì)算方法[5]。目前國(guó)內(nèi)常采用平均排除法[6,7]、經(jīng)驗(yàn)公式法[8,9]、單位線(xiàn)法[10]和水量平衡法[11-14]、推理公式法[15]以及河網(wǎng)水力學(xué)模型法[16]等進(jìn)行排澇模數(shù)計(jì)算，并分析了排澇模數(shù)與水面率、調(diào)蓄庫(kù)容、綜合徑流系數(shù)、地面硬化率、水旱比、灌溉方式和土地利用方式之間的定量關(guān)系[11,12,17,18]，以及不同圩區(qū)(城鎮(zhèn)圩區(qū)和農(nóng)業(yè)圩區(qū))的排澇要求對(duì)排澇模數(shù)計(jì)算方法的影響[19,20]。

可見(jiàn)，有關(guān)排澇模數(shù)計(jì)算方法的研究主要集中在各方法在不同研究區(qū)的適用性分析和不同計(jì)算方法的定性比較方面，而關(guān)于排澇計(jì)算方法的定量比較研究不足，尤其缺乏針對(duì)平原湖區(qū)常用的幾種排澇計(jì)算方法的定量比較。鑒于此，本文在定性比較各種常用排澇計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，選擇四湖流域的螺山排區(qū)作為典型區(qū)，開(kāi)展了平原湖區(qū)幾種常用排澇模數(shù)計(jì)算方法(平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法、河網(wǎng)水力學(xué)模型法)的定量比較研究，并對(duì)排澇計(jì)算方法的選取進(jìn)行了探討。

1 排澇計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法的原理和特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)常用的計(jì)算方法主要有平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、單位線(xiàn)法、水量平衡法、推理公式法以及河網(wǎng)水力學(xué)模型法等。其中平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法的原理和特點(diǎn)可參考文獻(xiàn)[21]，以下主要介紹單位線(xiàn)法、水量平衡法、推理公式法以及河網(wǎng)水力學(xué)模型法的原理和特點(diǎn)。

(1)單位線(xiàn)法。常用的單位線(xiàn)法是利用瞬時(shí)單位線(xiàn)進(jìn)行排澇計(jì)算，其數(shù)學(xué)方程式如下：

(1)

式中：Γ為伽瑪函數(shù)；n為水庫(kù)的個(gè)數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)的參數(shù)；k為線(xiàn)性水庫(kù)的蓄泄系數(shù)，相當(dāng)于流域匯流時(shí)間的參數(shù)。

(2)推理公式法。我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的是水科院1958年提出的推理公式法，其形式如下：

(3)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；0.278為單位換算系數(shù)；φ為洪峰徑流系數(shù)；s為最大1 h雨量，或稱(chēng)雨力，mm/h；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時(shí)，h；n為暴雨遞減指數(shù)；L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；m為匯流參數(shù)；j為沿流程L的平均比降(以小數(shù)計(jì))。

(3)水量平衡法。通過(guò)下式進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算：

(4)

式中：Qt、qt為t時(shí)刻的入流、出流流量，m3/s，t=1,2,3,…；Vt為t時(shí)刻的河道蓄水量，m3；Vm為最高限制水位時(shí)的蓄水容積，m3；Δt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，h。

當(dāng)max(Vt,t=1,2,3,…)≠Vm時(shí)，則調(diào)整q，進(jìn)行試算，直至滿(mǎn)足max(Vt,t=1,2,3,…)=Vm為止，相應(yīng)的設(shè)計(jì)排澇流量Q=max(qt,t=1,2,3,…)。

采用涵閘自排時(shí)，排澇流量與澇區(qū)水位、承泄區(qū)水位、排澇涵閘寬度和底板高程等多種因素有關(guān)，需要通過(guò)試算確定。采用泵站抽排時(shí)，需確定泵站每天的開(kāi)機(jī)時(shí)間，同時(shí)為避免泵站頻繁啟動(dòng)，還需確定啟排水位和停排水位，原則上，啟排水位不應(yīng)高于正常蓄水位，停排水位不應(yīng)低于湖泊水面其他功能(如取水、景觀(guān)、養(yǎng)殖、航運(yùn)、生態(tài)等)要求的最低蓄水位。

(4)河網(wǎng)水力學(xué)模型法。該方法通過(guò)求解以水位和流量為變量的圣維南方程組來(lái)計(jì)算排澇流量。其方程組形式如下：

(5)

式中：x為河長(zhǎng)，m；t為時(shí)間，s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；h為水位，m；q為旁側(cè)入流量，m3/s；C為謝才系數(shù)(Chezy)，m0.5/s；R為水力半徑，m；α為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

1.2 計(jì)算方法評(píng)述

平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法的評(píng)價(jià)可參考文獻(xiàn)[21]。單位線(xiàn)法以產(chǎn)匯流理論為基礎(chǔ)，將匯流過(guò)程概化為凈雨經(jīng)過(guò)n個(gè)相同的線(xiàn)性水庫(kù)調(diào)節(jié)之后，在出口斷面形成的流量過(guò)程[10]。計(jì)算得到的洪峰流量是瞬時(shí)的或較短時(shí)段(如1～6 h)平均的洪峰流量，在具體計(jì)算中，考慮到水旱作物均具有一定的耐淹能力，一般需進(jìn)行削平頭處理。該法不僅考慮了洪水的峰值和量，還考慮了洪水全過(guò)程，但對(duì)資料要求較高，如需要設(shè)計(jì)雨型、時(shí)段單位線(xiàn)、平頭系數(shù)等資料。一般率定單位線(xiàn)所需資料比率定經(jīng)驗(yàn)公式要求更高。由于平原地區(qū)(特別是平原湖區(qū))實(shí)測(cè)流量過(guò)程受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，能用來(lái)率定匯流單位線(xiàn)的資料較少，故平原地區(qū)一般不采用單位線(xiàn)法。該法主要適用于1 000 km2以?xún)?nèi)的山丘區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。目前，僅在廣東、江蘇等少數(shù)省份應(yīng)用。

推理公式法是在假定流域匯流時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度、徑流系數(shù)和匯流速度在時(shí)空上均勻分布、不考慮流域調(diào)蓄作用的基礎(chǔ)上建立的。該法既可得到洪峰流量，還可通過(guò)凈雨過(guò)程及采用“概化多峰三角形過(guò)程線(xiàn)”推求洪水過(guò)程線(xiàn)[22]。需要的資料主要有流域面積、干流河長(zhǎng)和坡度、雨力、暴雨遞減指數(shù)、流域匯流歷時(shí)等。計(jì)算的關(guān)鍵在于確定流域的匯流時(shí)間，而決定匯流時(shí)間的匯流參數(shù)m與干流的河長(zhǎng)和坡降密切相關(guān)。由于平原湖區(qū)干流坡降較小，水面調(diào)蓄作用較大，干流坡降較小的誤差容易引起m值較大的誤差，從而影響匯流時(shí)間和排澇流量。此外，由于該法沒(méi)有考慮流域的調(diào)蓄作用，故主要適用于坡降比較大的山丘區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，一般不用于平原河網(wǎng)區(qū)排澇計(jì)算[15]。該法一般適用于500 km2以下中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量的估算，但也有認(rèn)為適用于300 km2或50 km2以下流域，可見(jiàn)，運(yùn)用的面積愈小愈能滿(mǎn)足推理公式的基本假定條件[15]。目前，該法主要用于廣東省茂名市、四川省一些市區(qū)小面積排水區(qū)的排澇計(jì)算。

水量平衡法是一種簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法，主要利用水文學(xué)方法，將排區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)水系作為一個(gè)調(diào)蓄容積，以設(shè)計(jì)流量過(guò)程的調(diào)蓄計(jì)算推求設(shè)計(jì)排澇模數(shù)[11]。該法以水量平衡為原則，充分考慮了河道的調(diào)蓄作用[14]，原理明確、計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)基礎(chǔ)資料的要求不高又有較高的計(jì)算精度，如需要泵站的啟排水位和停排水位、河道正常蓄水位和控制水位等資料，但未考慮水面比降的影響。該法適用于河道調(diào)峰作用明顯的城鎮(zhèn)圩區(qū)和調(diào)蓄能力較大的水網(wǎng)區(qū)或平原湖區(qū)的排澇模數(shù)計(jì)算[18]，如浙江、廣東等南方地區(qū)以及部分濱湖水網(wǎng)地區(qū)。

河網(wǎng)水力學(xué)模型法主要通過(guò)求解河網(wǎng)非恒定流基本方程來(lái)模擬河網(wǎng)的水位和流量變化過(guò)程，進(jìn)而計(jì)算排澇模數(shù)。其機(jī)理明確，計(jì)算精確，但過(guò)程復(fù)雜，所需資料較多且難收集[14]，如需要河道斷面、河網(wǎng)水系布置、邊界的水位或流量過(guò)程、河道糙率等資料。該法適用于面積較大平原區(qū)的排水河道和泵站規(guī)模、格局分析，如在浙江省杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)采用河網(wǎng)水力學(xué)模型法進(jìn)行排澇計(jì)算[18]。

綜上所述，平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法主要通過(guò)計(jì)算排澇系統(tǒng)的最大流量或平均流量來(lái)推求排澇模數(shù)，兩種方法對(duì)資料要求不高，又有一定精度，故在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用并被現(xiàn)行規(guī)范推薦使用[23]。但兩種方法沒(méi)有考慮匯流在不同時(shí)段內(nèi)的變化，即不能得到流量過(guò)程，成果有均化的傾向[14]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，對(duì)除澇提出了更高的要求，現(xiàn)代的排澇計(jì)算中僅考慮設(shè)計(jì)排澇流量是不夠的，還需考慮設(shè)計(jì)排澇流量過(guò)程，故需對(duì)平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法與其他考慮排澇流量過(guò)程的計(jì)算方法進(jìn)行比較。單位線(xiàn)法、推理公式法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法均考慮了匯流過(guò)程，即不僅可得到排澇流量和澇水總量，還可得到排澇流量過(guò)程。上述6種方法按其適用地區(qū)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為適用于平原地區(qū)，如平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法；另一類(lèi)則為適用于山丘區(qū)，如單位線(xiàn)法和推理公式法。兩類(lèi)方法的差別主要在于是否考慮了人類(lèi)活動(dòng)的影響、干流坡降較小和水面調(diào)蓄能力較大的情況。而對(duì)于適用于平原地區(qū)的4種方法，均可在調(diào)蓄能力較大的水網(wǎng)地區(qū)或平原湖區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。其中，利用水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法計(jì)算的排澇流量與當(dāng)?shù)氐暮泳W(wǎng)特性和水面調(diào)蓄能力有關(guān)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于同一地區(qū)其適用的方法有多種，由于其原理及特性不同，采用不同方法計(jì)算的排澇模數(shù)可能差異較大，故需對(duì)不同方法進(jìn)行定量比較，從而為準(zhǔn)確選擇排澇計(jì)算方法、合理評(píng)估現(xiàn)狀和規(guī)劃治澇工程的設(shè)計(jì)規(guī)模和排澇能力提供依據(jù)。

2 排澇模數(shù)計(jì)算方法的定量比較

2.1 研究區(qū)概況

選擇湖北省四湖流域的子排區(qū)——螺山排區(qū)作為多種方法定量比較的典型排區(qū)。該排區(qū)位于湖北省四湖流域南部，北面以四湖總干渠和洪排主隔堤為界，西部和南部抵長(zhǎng)江干堤，東抵螺山電排渠，總排水面積935.5 km2，耕地面積為527.0 km2(其中水田309.0 km2、旱田218.0 km2)。該區(qū)地勢(shì)低洼，排水不暢，尤其在汛期，受長(zhǎng)江水位頂托，易受澇災(zāi)。該區(qū)地勢(shì)自西北向東南方向傾斜，地面高程23.0～28.0 m，是湖北省監(jiān)利縣地勢(shì)最低區(qū)域。排區(qū)排水系統(tǒng)健全，共有沙螺干渠、前進(jìn)河、豐收渠等12條排水支渠匯入螺山總排渠，該渠寬度為40.0～100.0 m，渠底高程19.0～22.3 m；排區(qū)內(nèi)有螺山和楊林山2個(gè)一級(jí)排水泵站，總設(shè)計(jì)排水流量210.0 m3/s；還有多處二級(jí)泵站，總裝機(jī)容量13 495 kW，裝機(jī)流量126.6 m3/s，排水面積為378.8 km2。

2.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)

排澇標(biāo)準(zhǔn)一般包括設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)和排澇時(shí)間。根據(jù)規(guī)定，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期一般采用5～10年一遇[23]，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)一般采用1、3、7 d等時(shí)段，設(shè)計(jì)排澇天數(shù)視設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)不同而異，旱作物為1～3 d，水稻3～5 d[23]。根據(jù)湖北省平原區(qū)現(xiàn)有排澇標(biāo)準(zhǔn)，分別選取5年一遇、10年一遇1日暴雨3日排除和3日暴雨5日排除的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排澇計(jì)算。

2.3 排澇模數(shù)的計(jì)算

2.3.1平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算排澇模數(shù)

采用排區(qū)內(nèi)的螺山、朱河和尺八3個(gè)雨量站1960-2011年共52年的日降雨量資料進(jìn)行排頻得到2種重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，接著分下墊面產(chǎn)流計(jì)算得到排區(qū)設(shè)計(jì)凈雨量，最后利用兩種方法進(jìn)行排澇模數(shù)計(jì)算。具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21]，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的排澇模數(shù)

2.3.2水量平衡法計(jì)算排澇模數(shù)

通過(guò)排頻得到2種重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，并根據(jù)典型雨型推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，接著分下墊面產(chǎn)流計(jì)算得到設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程，然后采用瞬時(shí)單位線(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)凈雨進(jìn)行坡面匯流計(jì)算得到設(shè)計(jì)流量過(guò)程，最后利用水量平衡法進(jìn)行排澇模數(shù)計(jì)算。

(1)設(shè)計(jì)暴雨。

①設(shè)計(jì)暴雨量。設(shè)計(jì)暴雨量的推求同上述平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法。不同的是：對(duì)于1日暴雨量，常采用設(shè)計(jì)24 h暴雨以1 h為時(shí)段進(jìn)行逐時(shí)段計(jì)算。故需將排頻計(jì)算得到的2種重現(xiàn)期下的1日暴雨量，轉(zhuǎn)換為24 h暴雨量，其公式如下：

P24 h=1.1P1 d

(6)

式中：P24 h為設(shè)計(jì)24 h暴雨量，mm；P1 d為設(shè)計(jì)1日暴雨量，mm。

②設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。24 h和3日設(shè)計(jì)暴雨量的時(shí)程分配采用相關(guān)圖表提供的典型分配過(guò)程，計(jì)算時(shí)段分別取1 h和6 h，從而得到設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。

(2)設(shè)計(jì)凈雨。設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算同上述平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法。不同的是：需逐時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，從而得到設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程。

(3)設(shè)計(jì)流量。根據(jù)排區(qū)的特征參數(shù)，求得參數(shù)n和k，代入式(1)即可得到瞬時(shí)單位線(xiàn)。將瞬時(shí)單位線(xiàn)轉(zhuǎn)換成時(shí)段單位線(xiàn)，再通過(guò)線(xiàn)性疊加的方法計(jì)算得到設(shè)計(jì)流量過(guò)程。

(4)排澇模數(shù)計(jì)算。對(duì)于1日暴雨3日排除，采用設(shè)計(jì)24 h暴雨以1 h為時(shí)段進(jìn)行逐時(shí)段計(jì)算，直至第72 h時(shí)段末河道水位降至控制水位；而對(duì)于3日暴雨5日排除，采用設(shè)計(jì)72 h暴雨以6 h為時(shí)段進(jìn)行逐時(shí)段計(jì)算，直至第120 h時(shí)段末河道水位降至控制水位。河道正常蓄水位為25.2 m，控制水位為28.0 m。根據(jù)排澇泵站的調(diào)度規(guī)則，泵站的啟排水位為24.5 m，停排水位為22.5 m。計(jì)算時(shí)將設(shè)計(jì)流量過(guò)程作為河道的入流過(guò)程，采用試算法確定泵站的設(shè)計(jì)流量。通過(guò)調(diào)蓄計(jì)算得到2種重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 水量平衡法計(jì)算得到的排澇模數(shù)

2.3.3河網(wǎng)水力學(xué)模型法計(jì)算排澇模數(shù)

本文采用由丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute，簡(jiǎn)稱(chēng)DHI)開(kāi)發(fā)的河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型MIKE11進(jìn)行排澇計(jì)算。其具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便、對(duì)各類(lèi)水工建筑物有強(qiáng)大的模擬功能等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在防洪排澇等水利工程設(shè)計(jì)中，比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更高效而準(zhǔn)確[24]。而對(duì)于產(chǎn)流則選用由美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局(Soil Conservation Service)研制的小流域設(shè)計(jì)洪水模型——SCS模型[25]。該模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需資料容易獲取、輸入?yún)?shù)少、適應(yīng)性廣、可操作性好以及模擬結(jié)果準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)[26]，并能描述不同植被覆蓋、土壤和前期土壤濕潤(rùn)程度條件下的降雨徑流關(guān)系，對(duì)于排區(qū)產(chǎn)流計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義。

通過(guò)排頻得到2種重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，并根據(jù)典型雨型推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，接著根據(jù)研究區(qū)河網(wǎng)水系、土地利用情況等對(duì)排區(qū)進(jìn)行分區(qū)，利用SCS模型對(duì)各分區(qū)進(jìn)行產(chǎn)流模擬，然后通過(guò)SCS匯流單位線(xiàn)將各子區(qū)的產(chǎn)流量匯至各分區(qū)對(duì)應(yīng)的河道入口，并將這部分水量作為旁側(cè)入流(外邊界條件)引入到MIKE11模型的河網(wǎng)中進(jìn)行排澇計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 河網(wǎng)水力學(xué)模型法計(jì)算得到的排澇模數(shù)

2.4 4種方法計(jì)算結(jié)果的比較

將4種方法計(jì)算得到的排澇模數(shù)列于表4。

由表4可知，在同一重現(xiàn)期下，1日暴雨時(shí)，水量平衡法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最大，而河網(wǎng)水力學(xué)模型法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最小，水量平衡法計(jì)算的結(jié)果相對(duì)其他3種方法增加的比例在15.2%～127.3%之間。3日暴雨時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最大，而河網(wǎng)水力學(xué)模型法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最小，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的結(jié)果相對(duì)其他3種方法增加的比例在15.0%～58.6%之間。

表4 4種方法計(jì)算得到的排澇模數(shù)

通過(guò)比較上述4種方法計(jì)算得到的排澇模數(shù)可知，在除澇規(guī)劃中，綜合考慮到保護(hù)對(duì)象特點(diǎn)和近期極端天氣概率增加等因素，在4種方法都適用的條件下，應(yīng)按4種方法計(jì)算的排澇模數(shù)的大小來(lái)選擇。當(dāng)設(shè)計(jì)暴雨為1日暴雨時(shí)，為了保證保護(hù)區(qū)的安全，應(yīng)按水量平衡法計(jì)算的排澇模數(shù)規(guī)劃排澇工程；而當(dāng)設(shè)計(jì)暴雨為3日暴雨時(shí)，則按經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的排澇模數(shù)規(guī)劃排澇工程偏于安全。

3 討 論

1日暴雨時(shí)，水量平衡法計(jì)算的排澇模數(shù)最大，其原因在于3日排除時(shí)間太短，未能充分發(fā)揮主干道的調(diào)蓄作用；而平均排除法計(jì)算的結(jié)果與水量平衡法接近，其原因在于平均排除法計(jì)算得到的排澇模數(shù)是一個(gè)均值，隨歷時(shí)越短，求得的均值越大，從而越接近水量平衡法的計(jì)算結(jié)果。同一重現(xiàn)期1日暴雨和3日暴雨下，水量平衡法計(jì)算的結(jié)果均大于河網(wǎng)水力學(xué)模型法，其原因在于水量平衡法僅考慮了螺山總排渠一條干渠，而河網(wǎng)水力學(xué)模型法則還考慮了11條排水支渠，因此河網(wǎng)水力學(xué)模型考慮的調(diào)蓄能力要大于水量平衡法，從而導(dǎo)致河網(wǎng)水力學(xué)模型法的計(jì)算結(jié)果均小于水量平衡法。

平原湖區(qū)的排澇計(jì)算一般采用平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法。其中，平均排除法從暴雨排干的角度來(lái)評(píng)估排區(qū)的電排規(guī)模，而經(jīng)驗(yàn)公式法則從排澇工程通過(guò)設(shè)計(jì)最大流量時(shí)不漫槽來(lái)確定工程規(guī)模，兩者在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但這兩種方法沒(méi)有反映不同排區(qū)的地形、水網(wǎng)、植被覆蓋和地面硬化程度對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響，適用于無(wú)控制水位要求的排區(qū)排澇計(jì)算。水量平衡法在平原區(qū)可較好地模擬河道水位變化，一般多以主干河道的調(diào)蓄為主，未考慮支流等河道的調(diào)蓄，且缺少水閘等水工建筑物的調(diào)度。此外，整個(gè)排區(qū)只能得到一個(gè)總的排澇流量，在多個(gè)電排站調(diào)節(jié)的排區(qū)難以合理確定單個(gè)電排站的規(guī)模[27]。河網(wǎng)水動(dòng)力模型法將整個(gè)河網(wǎng)水系進(jìn)行概化，能較好地反映實(shí)際情況，并能直接得到多排澇站情況下單個(gè)排澇泵站的排澇流量和各河道斷面的水位過(guò)程線(xiàn)，結(jié)果直觀(guān)，但該法對(duì)資料要求較高[27]。水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法通過(guò)計(jì)算排區(qū)澇水過(guò)程，并結(jié)合排區(qū)水位～涌容進(jìn)行調(diào)蓄演算，保證排區(qū)遭遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)不受淹，適用于城市化平原河網(wǎng)區(qū)，均能滿(mǎn)足控制水位要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)常用排澇計(jì)算方法的原理、特點(diǎn)和適用范圍的基礎(chǔ)上，對(duì)常用方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并選擇四湖流域的螺山排區(qū)作為典型區(qū)，開(kāi)展平原湖區(qū)4種排澇模數(shù)計(jì)算方法(平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法)的定量比較。結(jié)果表明：

(1)平均排除法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法均適用于螺山排區(qū)排澇計(jì)算。平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)資料要求不高，又有一定精度，在我國(guó)工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，但沒(méi)有反映排區(qū)下墊面條件對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響，難以系統(tǒng)和深入分析下墊面特征對(duì)排澇流量的影響機(jī)理，適用于無(wú)控制水位要求的平原湖區(qū)排澇計(jì)算；水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法均考慮了河道調(diào)蓄和排澇設(shè)計(jì)中控制水位要求，適用于城市化平原河網(wǎng)區(qū)。其中，水量平衡法考慮了主干河道的調(diào)蓄，未考慮支流等河道調(diào)蓄、水面比降和水閘自排的影響，僅能得到整個(gè)排區(qū)的總排澇規(guī)模，難以系統(tǒng)和深入分析排區(qū)河網(wǎng)和閘站調(diào)度對(duì)排澇的影響。河網(wǎng)水力學(xué)模型法考慮了排區(qū)的地形、水網(wǎng)、植被覆蓋和地面硬化程度對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響以及閘站調(diào)度對(duì)排澇的影響，能直接確定各電排站的規(guī)模和得到各河道斷面的水位過(guò)程線(xiàn)，但對(duì)資料要求較高。

(2)綜合考慮到保護(hù)對(duì)象特點(diǎn)和近期極端天氣概率增加等因素，在進(jìn)行排澇計(jì)算時(shí)應(yīng)多種方法進(jìn)行比較，取其大值作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)。1日暴雨時(shí)，水量平衡法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最大，為了保證保護(hù)區(qū)的安全，選用水量平衡法計(jì)算排澇模數(shù)偏于安全；3日暴雨時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的排澇模數(shù)最大，則選用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算排澇模數(shù)偏于安全。

需要說(shuō)明的是，上述結(jié)論是根據(jù)四湖流域螺山排區(qū)的相關(guān)資料得出的。此外，本文是根據(jù)2011年的下墊面條件進(jìn)行的排澇計(jì)算，而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)影響的加劇，下墊面條件發(fā)生顯著改變，從而影響排澇計(jì)算，限于篇幅，本文未對(duì)此進(jìn)行研究。

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