江蘇省治澇水文計算方法探析

高明鳴 張艷霞 陸明春

（江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217）

0 引言

江蘇省地勢平坦、土壤肥沃、氣候適宜、光照條件好，適合于農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)綜合開發(fā)。區(qū)域內(nèi)由于地勢低洼，坡度平緩，地面徑流不能及時排除易形成內(nèi)澇。沿江濱湖地區(qū)、里下河地區(qū)的圩區(qū)，汛期圩外的江河水位常常高于圩內(nèi)地面高程，暴雨之后，圩內(nèi)澇水無法自流外排形成的澇災(zāi)更為嚴重，對此江蘇省一般采取“筑堤防洪、排水治澇”的治理方式。

新中國成立以來，江蘇省投入了大量人力物力進行防洪、擋潮、除澇、降滯等水利工程建設(shè)，基本形成了“洪澇分治、高低分排”的防洪除澇工程體系，但仍存在內(nèi)澇區(qū)外排出路不足、內(nèi)部河道淤積行水能力下降、滯蓄水面被侵占等問題，相對洪災(zāi)而言，澇災(zāi)更頻繁、影響范圍更廣、持續(xù)時間更長，經(jīng)濟損失也相對較大。因此，澇災(zāi)頻發(fā)依然是江蘇水利的突出問題。

相對于防洪水文計算，治澇水文計算具有計算區(qū)域小、受澇區(qū)作物方式影響大、排水出路多樣等特點。因此，治澇水文計算應(yīng)按不同地區(qū)類型提出適合的方法、參數(shù)，為治澇工程規(guī)劃提供依據(jù)。

1 治澇標準

治澇標準是治澇水文計算的基本依據(jù)。水利部水利水電規(guī)劃總院正在組織編制的《治澇標準》提出，應(yīng)根據(jù)各種保護對象的不同排澇要求分別確定治澇標準。按照“重現(xiàn)期﹢降雨歷時﹢排除時間﹢排除程度”的方式表述。

1.1 重現(xiàn)期

根據(jù)區(qū)域的防護等級、重要性確定治澇標準的重現(xiàn)期，取5年一遇、10年一遇、20年一遇。對特別重要的城市，可超過20年一遇，對基礎(chǔ)條件較差的淮北地區(qū)暫時考慮3年一遇。

1.2 降雨歷時

根據(jù)江蘇省實際情況，一般區(qū)域采用最大3 d 降雨歷時，城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和較小區(qū)域采用24 h 降雨歷時。各地區(qū)可根據(jù)當?shù)氐乃臍庀筚Y料、地形地理特征適當調(diào)整，如：采用12 h降雨歷時、6 h 降雨歷時等。

1.3 排除時間

市政排水系統(tǒng)較為完善的城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)治澇標準的排除時間原則上為24 h，對于排水條件較差的地區(qū)，可適當降低標準，延長排水時間，如：26 h 或48 h 等。

農(nóng)田排除時間應(yīng)根據(jù)作物種類和耐淹時間確定，經(jīng)濟作物一般為24 h 暴雨24 h 排出，旱作物一般為1～2 d 排出，水田一般為3～5 d 排出。

1.4 排除程度

城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道排除程度一般按照24 h 暴雨24 h 排除至地面高程以下，農(nóng)區(qū)的經(jīng)濟作物、旱作物排至田面無積水，水稻田排至耐淹水深。

2 常用除澇水文計算方法

治澇工程水文分析的方法和參數(shù)主要依據(jù)江蘇省水文總站1984年編制的《江蘇省暴雨洪水圖集》（以下簡稱《84 圖集》），以江蘇省水文總站1976年編制的《江蘇省水文手冊》（以下簡稱《76 手冊》）為補充。

2.1 設(shè)計凈雨計算

2.1.1 一般區(qū)域和旱地

3 d 及3 d 以上降雨采用《84 圖集》中次降雨徑流相關(guān)法計算，用土壤前期雨量Pa作參數(shù)，建立P﹢Pa～R的相關(guān)關(guān)系。

凈雨量R：

前期影響雨量：

式中：

K—土壤消退系數(shù)，平原區(qū)取0.93，山丘區(qū)取0.95；

Pt、Pat—前一時段的降雨量和前期影響雨量。在逐日連續(xù)計算過程中，當Pa大于Imax時，取Pa=α×Im。

式中：

α—折算系數(shù)，3 d 暴雨在250 mm 以下時取0.5，3 d 暴雨大于等于250 mm 時取0.65；

Imax—流域最大初損，平原區(qū)取90 mm，山丘區(qū)取75 mm。

2.1.2 水田

采用扣損法計算，公式為：

PT—歷時為T 的設(shè)計暴雨量，mm；

ET—歷時為T 的水田蒸發(fā)量，水田蒸發(fā)量包括水面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā)和棵間蒸發(fā)，蒸發(fā)量大于實測蒸發(fā)量時，《76 手冊》中取E=1.5E80，沒有實測資料的情況下一般采用3～5 mm/d；

F—水田滲漏量，可通過公式F=εT（mm）計算，ε 是滲漏強度（mm/d），當田間水層深度為10～40 mm 時，粘土、壤土、沙壤土的ε 值分別為1.0～1.5、2.5～3.0、4.0～4.5；

h—水田滯蓄水深，結(jié)合水稻各生長期適宜水深上、下限及耐淹水深，對水田滯蓄水深進行逐時段調(diào)節(jié)計算。為簡化計算，亦可取水稻耐淹水深與適宜水深上限差值，研究范圍內(nèi)一般取均值30 mm。

2.1.3 城鎮(zhèn)

城鎮(zhèn)產(chǎn)匯流條件與治澇要求與農(nóng)區(qū)不同。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模擴大，城區(qū)占用面積也逐年擴大，城區(qū)面積在計算區(qū)域的比重增加，宜將城區(qū)作為獨立的區(qū)域進行分析。

目前，我國尚無城區(qū)暴雨洪水計算方法的規(guī)范。對于已有城市防洪規(guī)劃的地區(qū)，可采用其中成果。城區(qū)凈雨計算一般采用初損后損法，亦可采用徑流系數(shù)法。

扣損法，即將一場暴雨扣損后作為凈雨，《84 圖集》中24 h 暴雨后損采用1 mm/h。

徑流系數(shù)法，即借用《室外排水規(guī)范》（GB50014-2006），根據(jù)城鎮(zhèn)地面覆蓋物情況綜合取定徑流系數(shù)，取設(shè)計凈雨量＝徑流系數(shù)×設(shè)計雨量（mm）。城市不同區(qū)域綜合徑流系數(shù)見表1。

2.1.4 溝塘水面

按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50288-99），溝塘產(chǎn)水量計算應(yīng)為降雨歷時、設(shè)計降雨歷時內(nèi)暴雨量扣除水面蒸發(fā)量和溝塘滯蓄水深。

式中：

PT—歷時為T 的設(shè)計暴雨，mm；

Ew—歷時為T 的水面蒸發(fā)量，mm；

h—溝塘滯蓄水深，mm。

2.1.5 流域凈雨量

對山丘區(qū)、平原區(qū)和城鎮(zhèn)混合區(qū)，應(yīng)分別計算山丘區(qū)、平原區(qū)和城鎮(zhèn)的凈雨量，再根據(jù)各區(qū)域面積加權(quán)得流域凈雨量。

對同時存在幾種類型下墊面的區(qū)域，如：水田、旱地、水面等，應(yīng)分別計算不同下墊面的凈雨量，再根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同下墊面的面積加權(quán)得區(qū)域凈雨量。

2.2 產(chǎn)匯流計算

2.2.1 經(jīng)驗排模公式法

適合100 km2以下平原坡水自排區(qū)流量計算。

式中：

M—設(shè)計排澇模數(shù)，m3/（s·km2），一般為24 h 平均排澇模數(shù)；

R—設(shè)計暴雨產(chǎn)生的凈雨量，mm；

A—設(shè)計控制的排水面積，km2；

K、m、n—經(jīng)驗排模公式參數(shù)。

K、m、n 可根據(jù)研究范圍內(nèi)情況，按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》要求取值，見表2。

2.2.2 推理公式法

推理公式法是由暴雨資料間接推求設(shè)計洪水的方法。由于該方法有許多概化條件，并采用了三角形概化過程線，因此適用于面積小于200 km2、比降大于0.001 的小匯水面積洪水計算，如：城市排澇河道、撇洪溝排水的流量計算。

式中：

Qm—洪峰流量；

ψ—洪峰徑流系數(shù)；

S—最大1 h 雨量，即雨力，mm；

F—流域面積，km2；

τ—流域匯流時間，h；

n2—短歷時暴雨遞減指數(shù)，隨重現(xiàn)期不同而變化。按照《76 手冊》附表-1，短歷時暴雨遞減指數(shù)見表3。

表1 綜合徑流系數(shù)

表2 經(jīng)驗公式參數(shù)取用表

表3 短歷時暴雨遞減指數(shù)

2.2.3 瞬時單位線法

瞬時單位線是指極小時段內(nèi)，均勻降落在流域上的凈雨所產(chǎn)生的出口斷面的流量過程線。單位線法適合山前平原區(qū)、面積大于100 km2平原坡水區(qū)等自排區(qū)撇洪溝和排澇河道設(shè)計排水流量計算。

（1）計算參數(shù)

根據(jù)m1和m22 個參數(shù)，將瞬時單位線轉(zhuǎn)換成常用的各時段單位線，再根據(jù)工程特點，取不同時段的單位線。

參數(shù)m1反映流域匯流特性，與流域面積、干流坡度等級下墊面特性和凈雨有關(guān)?！?4 圖集》中采用m1=kF/Jα形式進行計算，考慮平原區(qū)缺少比降資料，增加1 種m1=kFα計算形式。各地區(qū)m1的綜合計算公式如下：

蘇北山丘區(qū)：m1=2.4（F/J）0.28

蘇北混合區(qū)和蘇南山丘區(qū)：

當P＞5%時，m1=4.3（F/J）0.28

當P≤5%時，m1=3.2（F/J）0.28

蘇南混合區(qū)：

當P>5%時，m1=9.0（F/J）0.28

當P≤5%時，m1=7.2（F/J）0.28

蘇北平原區(qū)：m1=2.94（F/J）0.35或m1=2.25F0.38

各地區(qū)參數(shù)m1可采用公式計算，也可通過《84 圖集》附圖二十九、三十查算。

參數(shù)m2反映流域匯流時間的特性，比較穩(wěn)定。《84 圖集》將山丘區(qū)、山丘平原混合區(qū)概化為1/3，平原區(qū)概化為1/2。

一般坡降J≥5‰為山丘區(qū)；J<5‰為平原區(qū)；J>5‰且平原區(qū)面積≥50%為混合區(qū)。

（2）單位線時段

考慮便于計算，單位線時段與雨型分配時段一致：24 h 設(shè)計暴雨取2 h 單位線，3 d 取6 h 單位線。

《76 手冊》中，單位線時段為2 h和6 h；《84 圖集》中山丘區(qū)單位線時段為1 h、2 h 和3 h，平原區(qū)單位線時段為2 h 和6 h。計算時建議采用《84圖集》成果。

根據(jù)瞬時單位線參數(shù)查不同時段的單位線關(guān)系表，可得時段單位線。將時段凈雨量換算成時段總徑流量，乘以相應(yīng)的時段單位線，并疊加成不同頻率出口斷面的設(shè)計洪水過程線。

式中：

Ii—總徑流量，m3/s；

Ri—各時段面凈雨量，mm；

F—匯流面積，km2；

Δt—時段，h。

（3）削峰

在實際應(yīng)用時，平原坡水區(qū)地表允許短期積水或短期漫灘時間，對設(shè)計洪峰流量加以削峰處理，將平頭流量過程作為設(shè)計流量過程使用。

式中：

Qm—設(shè)計洪峰流量；

α—平頭流量系數(shù)，可通過《84圖集》中m1～Δt～α 相關(guān)曲線（附圖三十四）查算；

Δt—允許地面短期積水的時間長度，一般旱作、山丘區(qū)按6 h 選用；考慮作物具有一定的耐淹能力，水田區(qū)按24 h、綜合區(qū)按6～24 h 分析選用；排水要求高、排水條件好的地區(qū)可適當縮短削峰時間。

削峰后退水時間與原退水時間相同，削減的峰量按退水流量的比例分攤到退水過程。

2.2.4 水量平衡法

排水面積較小的河網(wǎng)地區(qū)、濱河（湖）圩區(qū)、濱江（海）潮位頂托區(qū)，有一定湖泊或洼地作為承泄區(qū)，同時受外河高水位頂托的圩區(qū)，可采用水量平衡法逐時段演算確定。

式中：

MZ—泵站向外河機排的設(shè)計排澇模數(shù)，m3/（s·km2）；

MZt—時刻泵站向外河機排的排澇模數(shù)，m3/（s·km2）；

Pt—t 時段暴雨量，mm；

Et—歷時為t 的水面蒸發(fā)量，mm；

FSt—t 時段水田下滲量，mm；

Fht—t 時段旱田下滲量，mm；

Vt—t 時刻承泄區(qū)蓄水容積，m3；

Vt+1—t+1 時刻承泄區(qū)蓄水容積，m3；

V限—承泄區(qū)限制蓄水容積，m3；

V0—承泄區(qū)起調(diào)蓄水容積，m3。

2.2.5 平均排除法

平均排除法是根據(jù)區(qū)域的降雨量、耐淹深度和控制條件，采用水量平衡的方法計算排澇模數(shù)，適合城市排澇河道、排水面積較小的河網(wǎng)地區(qū)、排水河道、涵閘及平原洼地、濱河（湖）圩區(qū)。

式中：

M—設(shè)計排澇模數(shù)，m3/（s·km2）；

R—設(shè)計凈雨量，mm；

T—排澇歷時，d；

t—水泵在1 d 內(nèi)的運行時間（一般采用22 h），h。

3 治澇水文計算方法比較

由于平原地區(qū)坡度平緩，地勢低洼，坡面排水不暢，河道過水能力小，易形成內(nèi)澇。汛期圩外的江河湖水位常常高出圩內(nèi)地面高程，圩內(nèi)澇水無法自流外排，易造成更加嚴重的澇災(zāi)。因此，治澇水文計算需從2 個方面進行：①計算區(qū)域內(nèi)部由降雨直接造成的澇水量；②計算區(qū)域內(nèi)骨干排水河道及外排泵站滿足排水區(qū)要求的設(shè)計流量。具體反映在水文計算方面，即要求應(yīng)從滿足區(qū)域內(nèi)排水要求和提出區(qū)域骨干河道設(shè)計流量2 個方面進行。

表4 10年一遇設(shè)計凈雨量采用表

平均排除法中的凈雨量R 可理解為設(shè)計凈雨量扣除允許滯蓄水深后的徑流深，即：區(qū)域內(nèi)部由降雨直接造成的澇水量。其他常用水文計算方法均與匯水區(qū)面積、坡度等匯水要素密切相關(guān)，計算成果與匯水區(qū)區(qū)域匯水能力有關(guān)。

區(qū)域骨干排水河道是澇水外排的最重要途徑，因此，在治澇規(guī)劃中需對骨干排水河道提出明確的要求，即需要計算出骨干排水河道的設(shè)計排澇流量。

河道設(shè)計流量主要由匯水區(qū)匯流后形成的洪峰大小與流量過程線形狀決定，具體計算可采用經(jīng)驗公式法、瞬時單位線法、總?cè)肓鞑坌罘ǖ饶軌蚍从硡R流過程的水文計算方法。經(jīng)對這3 種計算方法比較，瞬時單位線法與總?cè)肓鞑坌罘ㄓ嬎憬Y(jié)果基本一致，相差不超過2%。經(jīng)驗公式法計算成果與這2 種方法計算出的洪峰流量基本相同?？紤]到研究范圍內(nèi)作物特點，確定地表允許短期積水，對瞬時單位線法與總?cè)肓鞑坌罘ú捎脺?4 h 處理，以平頭流量過程作為骨干排水河道設(shè)計流量過程使用。

澇區(qū)水文計算既要滿足區(qū)域內(nèi)排水量要求，也需對骨干排水河道提出設(shè)計流量，故應(yīng)按高標準要求確定計算方法。

4 實例計算

選擇200 km2、500 km2平原坡水區(qū)3 d 降雨過程，計算比較瞬時單位線法與平均排除法的差異。選擇50 km2平原坡水區(qū)24 h 降雨過程，計算比較瞬時單位線法與平均排除法的差異。設(shè)計凈雨量按表4 采用。

瞬時單位線法考慮短期滯水，按24 h 削峰和不削峰2 種情況計算。平均排除法3 d 降雨分4 d 排除和3 d排除2 種情況計算，24 h 降雨分24 h排除和2 d 排除2 種情況計算。

500 km2、200 km2、50 km2匯水面積3 d 降雨計算結(jié)果比較分別見圖1、圖2、圖3。由圖比較可知，對于匯水面積較大區(qū)域，單位線法計算成果大于平均排除法；對于匯水面積較小區(qū)域，單位線法計算成果小于24 h 降雨1 d排除的平均排除法。各計算方法結(jié)果對比見表5。

圖1 500 km2 匯水面積3 d 降雨計算結(jié)果比較

圖2 200 km2 匯水面積3 d 降雨計算結(jié)果比較

圖3 50 km2 匯水面積24 h 降雨計算結(jié)果比較

表5 各計算方法結(jié)果對比（m3/s）

表6 計算結(jié)果對比表

5 結(jié)論

表6 給出了各種計算結(jié)果對比情況。從表6 可以看出，平均排除法計算結(jié)果受降雨歷時及排除時間影響程度大。3 d 降雨4 d 排除可作為以水田為主的農(nóng)區(qū)排水要求；24 h降雨2 d 排除可作為以旱作物為主的農(nóng)區(qū)排水要求；24 h 降雨1 d 排除可作為以經(jīng)濟作物為主的農(nóng)區(qū)排水要求。

除了經(jīng)濟作物農(nóng)區(qū)，平均排除法計算成果明顯小于瞬時單位線法計算成果。因此，對于非經(jīng)濟作物區(qū)域，區(qū)域治澇水文計算應(yīng)采用可以反映匯流過程的經(jīng)驗公式法、瞬時單位線法、總?cè)肓鞑坌罘?；對大面積種植經(jīng)濟作物的農(nóng)區(qū)，區(qū)域治澇應(yīng)滿足區(qū)域內(nèi)排水要求，水文計算方法宜采用反映區(qū)域內(nèi)排水要求的平均排除法。