溫進化,盧 成,李其峰,王賀龍

(浙江省水利河口研究院, 浙江 杭州 310020)

排澇工程是保障區(qū)域經濟和社會發(fā)展的重要基礎設施,而排澇模數是確定排澇工程布局和規(guī)模的重要依據。排澇標準是決定排澇模數大小的重要指標,排澇標準一般包括設計暴雨重現期、暴雨歷時和排澇時間。對于特定的區(qū)域,在一定的洪澇治理標準和暴雨特性條件下,設計暴雨重現期和暴雨歷時基本是固定的,因此決定區(qū)域排澇標準進而影響排澇模數大小的是由作物耐淹能力確定的排澇時間。排澇時間一般根據作物習性,由作物耐淹歷時和耐淹水深確定。目前,排澇時間基本采用相關文獻[1]推薦的旱作物為1～3d,水稻為3～5d,排澇時間范圍較寬泛,存在一定的主觀性。因此,建立設計暴雨條件下作物耐淹能力與排澇模數的對應關系,合理評估排澇工程的設計規(guī)模,具有現實意義。鑒于此,本文選取杭嘉湖平原的善含圩區(qū)作為研究對象,基于作物耐淹試驗的耐淹能力,采用水量平衡法分別計算作物不同耐淹能力下的排澇模數,進而建立排澇模數與作物耐淹能力之間的關系,為平原圩區(qū)排澇規(guī)劃設計所需的排澇模數計算提供參考。

1 典型作物的耐淹能力及排澇標準

1.1 典型作物的耐淹能力

作物耐淹能力是影響排澇模數大小的關鍵因素之一,平原圩區(qū)作物類型多樣,不同的種植結構直接影響決定區(qū)域排澇能力的大小。由于作物種植結構的不確定性,一般可選擇代表不同耐淹能力的作物作為確定區(qū)域排澇歷時的樣本。平原圩區(qū)典型作物的選擇一般根據區(qū)域種植結構、作物耐淹習性、作物代表性等因素確定,杭嘉湖地區(qū)一般以種植水稻、蔬菜、瓜果和苗木等作物為主,按照作物的耐淹特性,本文選擇水稻、青椒、西瓜等3種作物分別代表耐淹能力強、中、弱來代表區(qū)域排澇歷時。

作物的耐淹能力是直接影響農作物生育和產值的基本特性,其衡量的主要標志主要是耐淹歷時和耐淹水深。作物的耐淹能力主要通過耐淹試驗研究分析確定,采用正交設計、方差分析等方法,測定出作物不同生育期、不同淹沒水深、不同淹沒歷時和產量的關系,得到作物的耐淹能力。

根據文獻[2]的研究成果,水稻、青椒、西瓜等3種典型作物在一定耐淹水深條件,耐淹歷時及其減產率關系見表1。

1.2 農田的排澇標準

我國農田排澇標準一般以排水區(qū)發(fā)生一定重現期的暴雨時作物不受澇為標準。農田排澇標準除明確指出一定重現期的暴雨外,還規(guī)定在這種暴雨發(fā)生時作物不允許受澇。作物耐淹能力即淹沒深度和淹沒歷時2個指標反映了作物的受澇程度,其概念比較明確,且能夠較全面地反映排水區(qū)的排澇能力。

表1 典型作物耐淹能力成果Tab.1 Typical crop yield of food tolerance

按照排澇標準定義,排澇標準一般包括設計暴雨重現期、暴雨歷時和排澇時間。設計暴雨重現期一般根據區(qū)域經濟條件確定,一般地區(qū)設計暴雨重現期采用5～10a一遇,上海、江蘇、浙江水網圩區(qū)等經濟較發(fā)達的地區(qū)多采用10～20a一遇[3-5]。暴雨歷時主要根據區(qū)域暴雨特性確定,一般采用1d，3d。排澇時間主要根據作物的耐淹能力確定,即耐淹歷時和耐淹水深確定。按照本文研究思路,采用典型作物相應耐淹水深條件的耐淹時間來確定。

2 研究方法

2.1 總體思路

以某研究區(qū)域地形條件、水域調蓄能力、水文特性、工程調度運行等為基礎,結合水稻、青椒、西瓜等3種典型作物耐淹能力,分析計算各典型作物對應耐淹歷時條件下的排澇模數。在此基礎上,根據作物排澇模數與排澇歷時建立排澇模數與排澇歷時的相關關系。

研究總體思路見下圖。

圖1 排澇模數與排澇歷時關系研究思路Fig.1 Diagram of the relationship between drainage module and drainage duration

2.2 排澇模數計算

目前,排澇模數的計算方法比較成熟,國內常采用平均排除法[6]、經驗公式法[7]、單位線法[8]、水量平衡法[9]和水力學模型法[10-13]等進行計算。本文選擇較適用于河道調峰作用明顯的城鎮(zhèn)圩區(qū)和調蓄能力較大的水網區(qū)或平原湖區(qū)的排澇模數計算[14]的水量平衡法[15-16]分析區(qū)域排澇模數。

水量平衡法把研究的河網視為一個蓄水的湖泊,由于水閘開閘引水或排水,僅引起河網水面水平升降,不存在水面比降。水量平衡法河網蓄滯水量計算公式為

式中:V1,V2為時段初、時段末滯蓄水量,m3;Q1,Q2為時段初、時段末澇水流量,m3/s;q1,q2為時段初、時段末排水流量,m3/s;T為計算時段長,h。

當河道水位大于或等于汛期起排水位時,隨著降雨逐漸增大加大機排流量。如果時段產水量小于設計排澇能力,該時段澇水全部排出;如果時段產水量大于設計排澇能力,則按設計排澇能力排水,余水蓄在河道內,抬高水位,待降雨減小或結束后仍按設計排澇能力排水,直至河道水位降至汛期起排水位。

由水量平衡法計算原理可知,為計算區(qū)域排澇模數,需要確定滯蓄水量、澇水流量、排水流量和計算時段等四大主要參數。

1)滯蓄水量:區(qū)域滯蓄水量主要包括河道、湖泊等水域調蓄容積和作物耐淹水深的調蓄容積,其中水域調蓄容積根據水域面積～容積相關關系分析確定,作物耐淹水深的調蓄容積根據相應作物種植面積和耐淹水深計算得到。

2)澇水流量:通過排頻分別得到不同重現期(10a一遇、20a一遇)下的設計暴雨,根據典型雨型推求設計暴雨過程,然后分水田、旱地、水面等不同下墊面產流計算凈雨過程。

3)排水流量:在區(qū)域設定排澇模數的條件下,根據區(qū)域滯蓄水量、澇水流量等關系確定的排水規(guī)則計算得到的排水流量。通常情況下,當區(qū)域滯蓄水量達到河網防洪高水位對應水量,且后期持續(xù)來水條件下,區(qū)域開始排水并逐漸達到排澇模數對應的排水流量。

4)計算時段:計算時段長短關系水量平衡法模擬精度,一般采用1h作為排澇的計算時段。

2.3 排澇模數與作物耐淹能力關系

按照上述研究思路和計算方法,可以計算得到某種作物不同排澇歷時條件下的排澇模數。針對多組排澇模數及對應的排澇歷時,可以利用回歸分析方法建立區(qū)域排澇模數與排澇歷時的回歸關系:

q=f(T)。

式中:q為區(qū)域排澇模數,T為作物的排澇歷時。

區(qū)域排澇模數與排澇歷時回歸關系可以采用線性回歸或非線性回歸。

3 實例研究

3.1 研究區(qū)概況

善含圩區(qū)位于湖州市南潯區(qū),圩區(qū)面積19.16km2,其中水田1 020.8hm2,旱地32.1hm2,桑地244.5hm2。善含圩區(qū)屬于杭嘉湖平原典型的圩區(qū),圩區(qū)四周臨水建有外圍圩堤27.94km;圩區(qū)內部按照水系布局劃分為大小不一的自然圩區(qū),圩堤由沿河旱地、桑地及當地農工挑筑的河堤組成。圩區(qū)內部自然圩區(qū)主要通過泵站將區(qū)域內澇水排至圩區(qū)四周外河,以實現區(qū)域排澇的目的。

表2 善含圩區(qū)基本情況Tab.2 Basic information of Shan-han polder area

圖2 設計暴雨時段分布圖Fig.2 Design the distribution map of rainstorm period

3.2 排澇模數計算

1)計算方案

按照善含圩區(qū)的降雨特點,分別選擇10a一遇、20a一遇的暴雨重現期,24h的暴雨歷時,計算水稻、青椒、西瓜等不同作物種植條件下不同排澇歷時要求的區(qū)域排澇模數。作物排澇歷時采用前文的作物耐淹能力的研究成果,其中水稻耐淹水深為40cm,排澇歷時分別選擇24h，48h，72h和96h;青椒耐淹水深為10cm,排澇歷時分別選擇3h，6h，12h和24h;西瓜耐淹水深為5cm,排澇歷時分別選擇1h，3h，6h和12h。

2)計算結果

按照研究區(qū)水文、水域等狀況,計算得到不同種植作物及其排澇歷時條件下的區(qū)域排澇模數。重現期為10a一遇,種植水稻且排澇歷時為24h，48h，72h和96h的條件下,區(qū)域排澇模數分別為0.28 m3.s-1.km-2，0.18 m3.s-1.km-2，0.13 m3.s-1.km-2，0.10 m3.s-1.km-2;種植青椒且排澇歷時為3h，6h，12h和24h的條件下,區(qū)域排澇模數分別為1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2，0.70 m3.s-1.km-2;種植西瓜且排澇歷時為1h，3h，6h和12h的條件下,區(qū)域排澇模數分別為2.35 m3.s-1.km-2，1.60 m3.s-1.km-2，1.30 m3.s-1.km-2，0.98 m3.s-1.km-2。20年一遇重現期情況下,各方案的排澇模數有一定程度的提高(見表3)。

表3 不同方案區(qū)域排澇模數計算成果Tab.3 Calculation results of drainage modulus in different areas

由表3可知在區(qū)域降雨大小、水域調蓄能力等基本參數一致的情況下,區(qū)域排澇能力與作物的耐淹能力直接相關,作物耐淹能力越強區(qū)域排澇模數越小。

3.3 排澇模數與作物耐淹能力關系

為建立區(qū)域排澇模數與排澇歷時關系,更精確的分析在特定的作物種植條件下區(qū)域排澇模數,進而合理確定區(qū)域排澇工程規(guī)模,需要建立排澇模數與作物耐淹能力的關系。由前文分析可知,區(qū)域排澇模數與作物耐淹能力關系密切,作物耐淹能力越強,區(qū)域排澇模數越小。根據作物相應排澇歷時下的區(qū)域排澇模數計算結果,采用回歸分析的方法建立區(qū)域排澇模數與作物排澇歷時的回歸方程。

10a一遇不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數與排澇歷時回歸方程:

20a一遇不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數與排澇歷時回歸方程:

式中:y為區(qū)域排澇模數,m3·s-1·km-2;x為區(qū)域排澇歷時,h。

圖3 種植水稻區(qū)域排澇模數與排澇歷時關系Fig.3 Relationship between drainage modulus and drainage duration in rice planting area

圖4 種植青椒區(qū)域排澇模數與排澇歷時關系Fig.4 Relation between drainage modulus and drainage duration in planting green pepper area

圖5 種植西瓜區(qū)域排澇模數與排澇歷時關系Fig.5 The relationship between drainage modulus and drainage duration in watermelon planting area

在建立不同作物種植條件下區(qū)域排澇模數與排澇歷時的回歸關系以后,區(qū)域可根據種植作物的類型及相應的排澇歷時標準計算得到區(qū)域不同重現期條件下的排澇模數。上述排澇模數可作為確定區(qū)域排澇工程規(guī)模的主要依據。

4 結論與展望

1)區(qū)域排澇模數與主要種植作物的耐淹能力直接相關,建立區(qū)域排澇模數與代表主要種植作物耐淹能力的排澇歷時的相關關系可以較精確地確定不同作物耐淹控制條件下區(qū)域的排澇模數,進而為合理確定區(qū)域排澇工程規(guī)模提供依據。

2)區(qū)域排澇模數除了與排澇歷時直接相關外,還與區(qū)域水域調蓄能力、作物耐淹水深等其他因素有關,宜可建立區(qū)域排澇模數與水域調蓄能力、作物耐淹水深等因素的回歸關系。在此基礎上,可結合經濟分析比選增加泵站規(guī)?；蚝泳W調蓄能力等治澇措施,為確定區(qū)域合理的治澇工程措施提供依據。