由国武

(辽宁省阜新市水文局，辽宁 阜新 123000)

涝灾是危害农业生产和降低农民收入的主要原因之一[1]。制定合理的农田排水措施，可有效防御涝渍灾害促进农作物正常生长，改善田间耕作管理，从而促进国民经济发展[2]。因此，如何制定合理的农田排水措施成为了农业生产面临的突出问题。明沟排水、暗管排水和竖井排水是目前使用较多的农田排水措施[3]，而在确定不同农田排水措施的尺寸规格时，需要确定不同地区的设计标准，选取设计暴雨，计算排涝模数。除涝水文计算是分析排涝流量，计算排涝模数，从而得出农田排水设施建设规模的重要工具，目前除涝水文计算的方法主要包括平均排除法、水量平衡法、排模公式法和河网水力学模型法[4]。不同模型的适用范围不同，目前针对不同模型，国内已有研究。张凯铭等[5]在江苏省泗洪县城区，基于河网水动力学模型法对城区进行了除涝水文计算，设计标准为20年一遇暴雨，对当地产汇流进行了计算，指出该城区河网满足排涝要求；刘曾美[6]等分析了不同除涝水文计算方法在感潮地区的应用，分析了潮水位对排涝过程的影响，并通过实例分析验证了结论。本文以辽宁省阜新市为研究区域，通过不同选取设计暴雨的选样法，同时选取平均排除法、水量平衡法和排模公式法3种除涝水文计算方法，分析比较不同选样法下不同公式的计算精度，以期找出辽宁省阜新区精度最高的除涝水文计算方法，为当地农田排水措施规模的制定提供科学依据。

阜新市位于辽宁省西部，面积1200km2，年平均降水480mm，其人均水资源占有量不到全国平均水平的1/5，农业水资源总量是全国平均水平的1/12，是辽宁省内严重缺水的城市之一[7]。由于目前阜新市水资源总量匮乏，地下水资源开采严重，如何保证农业的高效生产以成为当地有关部门急需解决的问题。因此，找到合适的方法做好除涝水文计算，制定有效的农田排水措施，对阜新市农业产值的增加有着极其重要的意义。本文根据阜新市实际情况，分别选择年最大值法和多次选样法2种方法选择设计暴雨，选择经验公式法和平均排除法2种除涝水文计算方法，以当地实测水文资料为基础，选择10年一遇暴雨重现期，计算50km2、100km2、200km2、500km2不同流域面积的排涝模数，通过结果拟作出所需排涝所需水闸净宽和泵站流量，以此为依据比较不同选样法不同计算模型的计算结果，找出最优方案。

1 除涝水文计算模型

1.1 经验公式法

计算平原区设计排涝模数的经验公式为：

q=KRmAn

(1)

式中，q—设计排涝模数，m/(s·km2)；R—径流量，mm；A—控制面积，km2；K—综合系数；m—峰量系数；n—递减系数。

1.2 平均排除法

平原区水田排涝模数设计排涝模数计算公式为：

(2)

式中，qw—平原区水田设计排涝模数，m/(s·km2)；p—暴雨量，mm；h1—水田滞蓄水深，mm；T—排涝历时，h；ET—农田蒸发量，mm；F—水田渗漏量，mm。

平原区旱地设计排涝模数计算公式为：

(3)

式中，qd—平原区旱地设计排涝模数，m/(s·km2)；Rd—旱地设计暴雨产生的径流深，mm。

平原区水流河面设计排涝模数计算公式为：

(4)

式中，qr—平原区水流河面设计排涝模数，m/(s·km2)；Rr—水流河面设计暴雨产生的径流深，mm。

平原区水流河面设计排涝模数计算公式为：

(5)

式中，qr—平原区水流河面设计排涝模数，m/(s·km2)；Rr—水流河面设计暴雨产生的径流深，mm。

平原区其他情况设计排涝模数计算公式为：

(6)

式中，qa—平原区其他情况设计排涝模数，m/(s·km2)；Ra—其他情况设计暴雨产生的径流深，mm。

综上所述，平均排除法综合排涝模数的计算公式为：

(7)

式中，qc—平原区平均排除法综合设计排涝模数，m/(s·km2)；Aw、Ad、Ar、Aa—水田、旱地、水流河面、其他情况的控制面积，km2，其余参数与前文一致。

平均排除法综合考虑了平原区水田、旱地、村庄等不同下垫面情况，通过计算设计暴雨历时、设计暴雨强度等因素，综合计算平原地区排涝模数，具体计算过程如下。

1.3 设计暴雨选择方法

年最大值法是指每年不同历时选择最大暴雨，在不同年份中选择相应的不同最大暴雨组成一个序列，这种方法可能造成小重现期的设计暴雨值偏小。多次选样法是指在多年降雨资料中，每年选取6～8次最大暴雨，将不同降雨历时按大小顺序排列，选取最前面的多组数据，平均每年选取3～4组，但此方法工作量较大[8]。

2 结果分析

2.1 不同方法排涝模数计算结果

表1为不同选样方法不同除涝计算模型的排涝模数计算结果。从表1看出，采用年最大值法抽样选取设计暴雨时，其结果普遍低于多次选样法，这可能是由于在10年一遇的重现期内，年最大值法选择的设计暴雨小于多次选样法，使得计算的排涝模数较低。其中，选样采用多次选样法，计算采用平均排除法时，不同流域面积的排涝模式差别不大，而其余方法不同面积排涝模数差距明显较高，表明在辽宁省阜新市进行除涝水文计算时，多次选样法和平均排除法不宜同时使用；选样法采用年最大值法、计算采用经验公式法，计算结果均普遍偏低，而选样法采用多次选样法、计算采用平均排除法在流域面积较小时，其排涝模数计算结果偏大，而选样法采用年最大值法、计算采用平均排除法时，当流域面积为50km2时，排涝模数与其余2种方法基本一致。综上所述，流域面积较大时选样法采用多次选样法、计算采用经验公式法时，可保证排涝模数计算的准确性，而选样法采用年最大值法、计算采用平均排除法，在4种流域面积下，计算结果均较好。

表1 不同选样方法不同除涝计算模型排涝模数 单位：m/(s·km2)

2.2 不同方法确定的水闸泵站规模

根据计算得出的不同面积的排涝模数，假定需在当地修建泵站和水闸，由泵站控制面积与排涝模数的乘积，定为泵站的流量来确定泵站的规模，根据泵站总排水量和当地总径流量，得出水闸排水量，通过水闸单宽流量，确定水闸净宽，以确定水闸的排水能力，更加直观比较各方法的优越性。

表2、表3分别为不同选样方法不同除涝计算模型确定的泵站流量和水闸净宽。从表2看出，采用年最大值法抽样选取设计暴雨时，其结果普遍低于多次选样法，这与前文的结论一致。其中，选样采用多次选样法，计算采用平均排除法时，不同流域面积的泵站流量和水闸净宽差别不大，而其余方法不同面积排涝模数差距明显较高，表明在辽宁省阜新市进行除涝水文计算时，多次选样法和平均排除法不宜同时使用，由于这种方法在不同情况下所确定的水闸净宽基本相同，这说明该水闸无明显的调控和自排能力，或无法满足要求，或水闸净宽较大，经济不合理；选样法采用多次选样法、计算采用平均排除法在流域面积较小时，其水闸净宽和泵站流量计算结果偏大，而选样法采用年最大值法、计算采用平均排除法时，当流域面积为50km2时，水闸净宽和泵站流量计算结果与其余2种方法基本一致。综上所述，流域面积较大时宜采用的方法是：选样法采用多次选样法、计算采用经验公式法，而选样法采用年最大值法、计算采用平均排除法，在4种流域面积下，计算结果均较好，这与2.1节的结论基本一致，验证了前文的结论。

3 结语

本文通过综合比较2种不同选样方法和2种不同除涝水文计算方法，形成4种计算模式，选择10年一遇暴雨重现期，分别计算了当流域面积为50km2、100km2、200km2、500km2时4种不同模式下的排涝模数、泵站流量和水闸净宽，通过比较不

表2 不同选样方法不同除涝计算模型计算泵站流量 单位：m/s

同计算结果，指出年最大值计算结果普遍低于多次选样法，为保证水闸和泵站的自排能力，应选择的计算模式应在不同流域面积时的差异较大。因此，流域面积较大时选样法采用多次选样法、计算采用经验公式法时，可保证排涝模数计算的准确性，而选样法采用年最大值法、计算采用平均排除法，在4种流域面积下，计算结果均较好。综上所述，选样法采用年最大值法、除涝水文计算采用平均排除法的综合计算模式是辽宁省阜新市最优除涝水文计算模式，可为当地排涝措施的指定提供科学指导。

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