江蘇蘇南地區農村混合型圩區排澇流量計算方法研究

徐 磊， 林茂林， 李 聰， 張亞倩

(1.無錫市水利設計研究院有限公司， 江蘇 無錫 214000； 2.無錫太湖學院商學院， 江蘇 無錫 214100)

1 蘇南農村混合型圩區的特點

蘇南農村經濟發達，居民富足，地少人多，自然村落密集，千畝以上圩區均有居民居住區和工業企業坐落，無概念上的純農業圩區。江陰市共有大小圩區96個，圩區面積1.8萬hm2，共建有大小圩區96個，其中千畝以上圩區有53個，萬畝以上圩區有8個。圩內河網縱橫，水面率超過8%，圩區內排澇泵站規模不大，單泵流量很少超過4 m3/s，且具有以下社會經濟特點：

(1)工業企業多，且有一定的規模。蘇南是鄉鎮企業發展地，改革開放以來，各鎮、村均興辦了大量的工業企業。經過40多年的發展，催生了一大批大型企業乃至龍頭企業。江陰市月城鎮馬甲圩為江陰市的一座萬畝圩區，8.19 km2的圩區內有30多家企業，年工業生產總值超過20億元，一旦受淹，經濟損失巨大。

(2)經濟作物多，傳統農業種植少。隨著農業產業結構的調整及土地流轉，農業規模經營發展加快，一大批企業從工業轉型為農業，高效農業、設施農業發展迅速，高經濟附加值的水果及有機蔬菜的種植面積已超過了水稻等傳統農業。

(3)居民生活條件好，但住房抗災能力不高。2020年江陰市農民人均可支配收入38 225元，農民收入的連年提高，必然使包括住房在內的固定資產增加。但由于農村向城鎮集中的政策，從20世紀90年代開始，蘇南一些地區已控制農村翻建房屋，農民居住房屋多為20世紀80年代建造，房屋抗災能力普遍較低。

(4)各級政府對防洪排澇等抗災工程設施建設十分重視。由于經濟發展，政府財政收入增加，對水利等基礎設施投入也逐年增加。農民由于受淹后損失較大，質疑政府不作為，極易產生社會不穩定因素。不受澇、抗大災的意識在各級政府中形成共識。蘇南農村混合型圩區的排澇能力應達到短時受澇或不受澇的要求，這也是各級政府及群眾的意愿所在。

2 平均排除法存在的問題

《江陰市水系規劃》(2011—2030年)提出，農業圩區執行20年一遇24 h暴雨雨后1日排除標準。圩區排澇流量的計算一般采用平均排除法。計算式如下。

(1)

其中：R水田=P-h田蓄-E

R旱=αP

R水=P-h水蓄-E

式中：Q為設計排澇流量；F水田為圩區水田面積；t為規定的排澇時間；P為設計暴雨量；h田蓄、h水蓄為水田和水面的滯蓄水深；E為歷時為t的水田田間騰發量；α為徑流系數

此方法考慮了各種種植結構及水塘調蓄等綜合情況，目前普遍采用此法計算排澇流量。但對于調蓄能力較差、面積較大的混合型圩區，按此法計算的流量偏小。在規劃圩區排澇流量時，往往根據硬化區域大小，對按平均排除法計算出的排澇流量進行適當增加，隨意性較大，缺乏科學合理的依據。

3 混合型圩區排澇流量計算方法

蘇南混合型圩區經濟總量大，受淹后損失大，規劃排澇流量應以滿足一定頻率暴雨情況不受淹為原則?？紤]以河道允許最高水位作為控制條件，計算設計排澇流量。

3.1 選定允許最高水位

河道控制水位涉及調蓄能力的計算，控制水位越低，排澇流量越高，應選擇科學合理、確保區域不受淹的河道水位作為控制水位。一般以地面最遠或最低處作為圩區的典型點，控制河道水位典型點高程以下0.2 m。

3.2 設計暴雨計算

江陰市圩區執行的排澇標準為20年一遇24 h暴雨1日排出，因此，設計暴雨歷時取24 h，以1 h、6 h為控制時段進行雨量分配。設計暴雨可采用實測暴雨資料。若無實測暴雨資料，可采用《江蘇省洪水暴雨圖集》。

3.3 產流計算

圩區硬化區域與經濟作物區由于不能受淹，在計算設計凈雨過程中，采用后損1 mm/h計算。對于傳統農業區域可受淹1 d以上區域，采用次降雨徑流相關法計算。

3.4 匯流計算

采用瞬時單位線法進行匯流計算。瞬時單位線法是依據水量平衡方程和線性蓄槽方程，經過連續演算和數學處理導出的數學方程式：

(2)

式中：Γ為伽馬函數；n為水庫個數或調節次數的參數；K為水庫滯時，相當于流域匯流的時間參數。

參數m1與m2可以通過數學方法進行優選?？紤]蘇南圩區缺乏比降資料，采用m1=2.25F0.38(F為圩區的面積)。參數m2比較穩定，平原區取0.5。

由m1及m2可以得到區域2 h單位線，乘以時段總徑流量，并錯開相加，可以得到設計洪水過程線。

3.5 圩區設計排澇流量調節計算

假定河道的初始水位一般為預降后的水位，根據水量平衡計算出抽排后水位計算式。

(3)

式中：V1、V2分別為計算時段始末的河道蓄水量；Q1、Q2分別為計算時段始末的入流流量；q為假設的圩區排澇模數。

控制各時段的最高水位不超過控制水位，可計算出設計排澇流量。

4 應用實例

本文選取江陰市月城鎮馬甲圩作為計算實例。馬甲圩面積8.19 km2，圩區內鄉鎮企業多，農民大量種植經濟作物，為典型的混合型圩區。

4.1 設計暴雨

設計暴雨采用圖集法，由《江蘇省暴雨洪水圖集》查得月城片區暴雨統計資料，時段分為1 h、6 h及24 h，結果如表1。

表1 24 h暴雨統計參數

表2 設計暴雨成果表

以1 h和6 h為控制時段，計算出10年一遇及20年一遇1 d暴雨時程分配。

4.2 產流計算

馬甲圩區水果種植面積約333.33 hm2，由于不能受淹，視作建成區，則生態區面積約為32%。生態區凈雨采用降雨徑流相關圖法,可采用下式計算：

Pα=αImax=0.65×95=61.8 mm

(4)

式中：R為凈雨深，P為設計雨量，Cp、Ci為產流參數。

建成區凈雨按每小時扣1 mm來計算，計算出設計凈雨深。

4.3 匯流計算

由瞬時單位線參數m1=2.25×F0.38=5.003，得到該區2 h單位線，將時段凈雨利用公式

(5)

得出時段總徑流量，再乘以時段單位線可得到20年一遇洪水過程線。

4.4 排澇模數計算

根據圩區的平均地面高程確定河道調蓄水深為0.5m，將產匯流作為河道的輸入流量，假定排澇模數進行推演計算，得到河道的蓄水量以及相應的水位，將計算得到的河道最高水位與控制水位進行比較，河道最高水位與控制水位相等時的排澇模數就是所求的排澇模數。用式(6)進行調節計算。

經計算，馬甲圩圩區需要的排澇流量為15.6 m3/s。本計算是針對整個圩區均勻排澇的計算，可作為排澇規劃的參考。具體排澇設計時，由于分區排澇不同，排澇河道標準不一，應分別對分區排澇進行計算。

5 結 論

以達到河道控制水位為標準而計算出的排澇流量能確保一定頻率標準下暴雨該地區不受澇，但該方法未考慮排水河道中水位差因素，因此較適合排水河道不長的中小圩區，蘇南混合型圩區均為這類圩區。對于有多座排澇泵站的圩區，可以按每座排澇站的集水面積單獨進行計算，確保各泵站設計流量的科學合理。