王忠明,王麗麗,林佳明

(溫州市瑞平水系水利管理處,浙江 瑞安 325207)

1 灌區(qū)概況

瑞平灌區(qū)位于浙江省東南沿海溫州市飛云江河口南岸,是瑞安市與平陽縣相結(jié)合地區(qū)。灌區(qū)北沿飛云江,東臨東海,西南面環(huán)山,流域面積347.9 km2,其中平原 234.2 km2,山丘113.7 km2。灌區(qū)以西太山、萬盤尖山為界,分東、西2片,東片灌區(qū)稱瑞平平原,平原地面高程3.1～3.5m;西片灌區(qū)稱馬嶼江南平原,平原地面高程3.2～4.6 m。灌區(qū)內(nèi)有大小河流249條,總長329 km,水面面積16.68 km2,總?cè)莘e3 651萬m3。灌區(qū)主干河道有瑞平塘河、東塘河、吳橋河、天井河和石牌河。吳橋河是聯(lián)接東、西2片灌區(qū)的唯一河道[1].。飛云江是灌區(qū)排澇的唯一出口。灌區(qū)流域水系見圖1。

瑞平灌區(qū)由于特殊的地理位置和氣候因素的影響,歷來水旱災頻繁,澇、洪、旱兼有,以澇為主交替出現(xiàn),嚴重阻礙了灌區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展。為了防災減災促進經(jīng)濟社會的發(fā)展,從20世紀50年代以來,瑞平灌區(qū)相繼建成了一系列骨干水利工程:

圖1 瑞平灌區(qū)流域圖

1.1 江堤海塘

沿飛云江現(xiàn)建有防洪標準50 a一遇的江堤海塘18.2 km,20 a一遇的4.4 km,低標準的土堤10多公里。這些海塘、江堤是抵御臺風暴潮襲擊的主要工程措施。

1.2 水 庫

山丘區(qū)建有水庫23座,山塘42座,總庫容905萬m3。其中小(1)型水庫2座。

1.3 翻水站

建有翻水站1座,設計提水流量為10m3/s,是瑞平灌區(qū)重要的抗旱水源工程。

1.4 水 閘

沿飛云江南岸建有骨干水閘10座,設計總排水流量811m3/s,其中3座屬中型水閘。這些水閘有擋潮、排澇和攔蓄淡水的功能,是瑞平灌區(qū)的最重要水利工程設施。東片灌區(qū)有南碼道水閘、宋家埭水閘、塘頭水閘、喬里水閘和頭水閘,西片灌區(qū)有江溪水閘、江上水閘、江浦水閘、沙洲水閘、巖頭水閘。

瑞平灌區(qū)這些骨干水利工程的建成,為防災減災奠定了硬件基礎,但要充分發(fā)揮效益,水利工程運行的科學調(diào)度就成了關鍵。

瑞平灌區(qū)所有水利工程的運行調(diào)度,水閘運行調(diào)度決策難度最大。瑞平灌區(qū)屬平原河網(wǎng)地區(qū),河網(wǎng)密布,水流流態(tài)復雜,水流方向不定,是典型的復雜河網(wǎng)地區(qū);下墊層有水田、旱地、水面、城鎮(zhèn)和建設區(qū),降水產(chǎn)流計算非常復雜;水閘排澇能力受飛云江潮水位的影響很大;對調(diào)度決策影響最大的降雨量的預報,按現(xiàn)有的科技水平卻難以報得準確。

瑞平灌區(qū)水閘運行調(diào)度決策,對灌區(qū)來說,卻是非常重要的。若灌區(qū)水閘運行調(diào)度不當,會造成水資源的極大浪費或極端條件下的洪水溢出,給灌區(qū)帶來很大的損失[2].。

2 灌區(qū)水利工程的控制運用原則

飛云江5 a一遇的高潮位是4.25m,而灌區(qū)東片平原地面高程3.1～3.5m,西片平原地面高程3.2～4.6 m,低于5 a一遇的外江高潮位。因此,在飛云江南岸不同的江岸段,建設不同擋潮標準的水閘和海塘,以阻擋海潮的入侵。

灌區(qū)多年平均降水量1 724.7 mm,年最大降水量2 561.3mm,最小降水量1 169 mm,常年降水量又集中在5—9月。為解決灌區(qū)1 a里降水時空不均的問題,必須利用灌區(qū)的河網(wǎng)和山塘水庫,在每年的豐水時段,攔蓄降水,以確保灌區(qū)貧水時段的用水需要。當灌區(qū)遇到干旱年份,灌區(qū)降水不足或嚴重不均時,就只能依靠灌區(qū)唯一的抗旱水源工程(潘山翻水站),從飛云江中游提水補充河網(wǎng)水量,以確保灌區(qū)貧水年份的用水需要。

當灌區(qū)遇到豐水年份或臺風暴雨,降水產(chǎn)流超過灌區(qū)的蓄水能力時,調(diào)度沿江水閘排水或進行預排水,把河網(wǎng)水位控制在安全高度。不然,會發(fā)生洪水溢出,灌區(qū)受災,遭受巨大損失。

瑞平灌區(qū)只有通過海塘、水閘、河網(wǎng)、山塘水庫和翻水站這些骨干水利工程科學控制運用,既確保灌區(qū)防汛安全,又滿足灌區(qū)的用水需要,為灌區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展提供水利支撐[3].。

3 防洪調(diào)度決策過程分析

分析瑞平灌區(qū)的澇災原因,絕大多數(shù)是臺風暴雨引起的。因為臺風暴雨往往強度大,歷時長,產(chǎn)流很難及時排出,容易成災。瑞平灌區(qū)的防洪調(diào)度,就是要根據(jù)降水量預報,估算產(chǎn)流量,預測洪水位,計算灌區(qū)河網(wǎng)、山塘水庫接納洪水的庫容,預測飛云江的潮水位及水閘的實時排澇能力,綜合各種影響因子,顧及灌區(qū)降雨和排澇在空間及時間上的矛盾,確定合理的防洪調(diào)度方案,做到避災和水資源利用二者兼顧[4].。

3.1 灌區(qū)蓄水量

瑞平灌區(qū)納洪庫容主要由灌區(qū)河網(wǎng)的水位決定。平陽站水位與瑞平灌區(qū)河網(wǎng)蓄水量關系見圖2。

圖2 平陽站水位與瑞平灌區(qū)河網(wǎng)蓄水量關系圖

由圖2可計算出在Z水位下的相應蓄水量值W,并依據(jù)公式△W=W1-W2,計算出河網(wǎng)可接納洪水的庫容,也可以計算出降雨前后的蓄水量差值,即蓄水增量。

灌區(qū)山塘水庫總庫容只有905萬m3,但在防洪調(diào)度中也不能忽略,對大南、水亭這2座小 (1)型水庫更是如此。

3.2 水閘排澇能力

瑞平灌區(qū)的排澇是在閘前水位超過控制水位且高于外江潮位時,開啟擋潮排澇閘自流排澇,水閘排澇能力受到飛云江潮水位和內(nèi)河水位的影響。在計算灌區(qū)排澇能力時,飛云江潮水位采用瑞安站數(shù)據(jù)。典型潮水位過程線見圖3。

圖3 瑞安站典型潮水位過程線圖

排澇閘排水量計算采用寬頂堰公式:

式中:Q為排水量(m3);b為水閘總凈寬(m);H0為水頭(m);m為流量系數(shù)。經(jīng)校核,流量系數(shù) m取0.3[5].。

以目前實測數(shù)據(jù)為基礎,對每座擋潮排澇閘現(xiàn)有的排水能力進行計算。10座擋潮排澇閘現(xiàn)有的總排水流量674 m3/s。但由于灌區(qū)河道現(xiàn)在淤積非常嚴重,河道被侵占現(xiàn)象時有發(fā)生,河道斷面變小,排水不暢,現(xiàn)有水閘的排澇能力充分發(fā)揮受到影響。根據(jù)灌區(qū)排澇實例的數(shù)據(jù)分析,平陽站水位在2.97m,又沒有降水產(chǎn)流時,1個潮波的排水總量能使灌區(qū)河網(wǎng)水位下降0.34～0.47m。

3.3 降水產(chǎn)流分析

對于流域降水產(chǎn)流計算,影響的因素很多,歸納起來主要分為3類:

(1)流域下墊面因素:包括地形地貌特征、地質(zhì)條件、植被類型及分布、土壤類型及分布、包氣帶的分布特征及土壤含水率的分布等。

(2)流域降雨特性:主要指降雨的時程及空間分布。

(3)流域蒸發(fā)特性:指蒸發(fā)的時程及空間分布。

瑞平灌區(qū)內(nèi)有平原河網(wǎng)和山丘,平原河網(wǎng)地帶的下墊層有水田、旱地、水面、城鎮(zhèn)、建設區(qū)。對于瑞平灌區(qū)這樣的流域下墊面,降水產(chǎn)流計算非常復雜,為了簡化產(chǎn)水量計算,采用預估產(chǎn)流系數(shù)的方法來計算產(chǎn)水量,具體產(chǎn)水量的計算公式如下:

式中:W產(chǎn)為本時段內(nèi)流域產(chǎn)水量(萬m3);∑P為本時段內(nèi)灌區(qū)累計平均降水量 (mm);F為計算降雨區(qū)區(qū)域面積 (km3);α為預估產(chǎn)流系數(shù),根據(jù)灌區(qū)前期土壤含水率、降雨量、水利工程現(xiàn)狀等具體情況,可取不同的數(shù)值,從而確定不同的排水方案[6].。

4 灌區(qū)防洪調(diào)度方案

東片灌區(qū)地面高程一般為3.1～3.5m,代表站平陽站的正常蓄水位2.79 m,警戒水位為 2.94 m,危急水位為3.44m。

在非用水高峰季節(jié),河網(wǎng)水位控制在2.79 m以下。當平陽站水位＞2.79m,閘前水位高于外江洪潮位時,沿江排澇擋潮閘開閘排澇;外江潮位高于閘前水位時,沿江水閘關閘擋潮;當河網(wǎng)平均水位下降至2.79 m時,排澇閘關閉。

每年 “出梅”后至9月份,是灌區(qū)的用水高峰季節(jié),水位最高控制在2.84 m,保持河網(wǎng)最大的蓄水量。河網(wǎng)水位＞2.84m時,調(diào)度水閘排澇。瑞平灌區(qū)河網(wǎng)不同時段的控制水位見表1。

有臺風暴雨的確切預報時,根據(jù)預報的降雨量和當時河網(wǎng)的實時水雨情,預測平陽站最高洪水位。當預測的最高洪水位超過警戒水位時,可采用預排,使河網(wǎng)騰出一定蓄水容量。

預測平陽站的最高洪水位超過危急水位時,采用預排,降低河網(wǎng)水位,增加納洪庫容,降低未來的最高洪水位。預排的提前時間和預排水量根據(jù)預報的雨情、河網(wǎng)當前水位和排澇能力確定。在做預排決策和預排的實施過程中,要注意以下幾個問題:

表1 瑞平灌區(qū)河網(wǎng)不同時段的控制水位表 m

(1)合理采用氣象信息。防洪調(diào)度決策是在降水量預報的基礎上做出的,以現(xiàn)在的氣象預報技術(shù),難以報得非常準確,調(diào)度決策必須結(jié)合灌區(qū)當前的實際情況和灌區(qū)調(diào)度的歷史經(jīng)驗,不然,調(diào)度決策就會出現(xiàn)很大的偏差。在預排實施的過程中,還要及時關注臺風暴雨的相關信息,比如臺風移動的路徑、風力大小等參數(shù)的變化,及時調(diào)整預排方案。

(2)考慮灌區(qū)的排水能力變化。灌區(qū)的排水能力受飛云江的潮水位影響很大,臺風暴雨期間,飛云江上游泄洪和臺風增水 (減水)的影響,會使灌區(qū)原有的排水能力發(fā)生變化。因此,確定預排方案時,要根據(jù)灌區(qū)水雨情和飛云江潮位的變化,在進行排水計算時,要對排水能力進行合理的調(diào)整。

(3)灌區(qū)水雨情的采集要準確、及時,水雨情測報站點設置的位置和密度要符合灌區(qū)防洪調(diào)度的要求。

5 防洪調(diào)度實例

2008年8號臺風 “鳳凰”7月25日在南太平洋生成,28日穿過臺灣中部在福建登陸,瑞平灌區(qū)受這個臺風影響降大暴雨,本文對這次臺風暴雨的防洪調(diào)度過程進行分析。

5.1 河網(wǎng)水量預排

對這次臺風,氣象預報瑞平灌區(qū)的過程雨量為150～250mm。灌區(qū)河網(wǎng)現(xiàn)狀水位2.65 m,經(jīng)瑞平塘河水位—容積曲線查得灌區(qū)河網(wǎng)有285萬m3納洪庫容,山塘水庫當時有196萬m3的納洪庫容,灌區(qū)總共只有481萬m3的納洪庫容。用預估產(chǎn)流系數(shù)的方法計算預測產(chǎn)水量,預估產(chǎn)流系數(shù)取0.7,過程雨量用預報降雨量的下限值150mm,預測產(chǎn)水量達3 643萬m3,大大超過灌區(qū)的納洪庫容。為了防止洪水不能及時排出而溢出,需要調(diào)度水閘預排水。在27日12時,調(diào)度灌區(qū)7座主要水閘預排水,至27日23時,排水467萬m3,河網(wǎng)水位降到2.37 m,灌區(qū)的納洪庫容增加到948萬m3。

5.2 雨水情概況

受臺風“鳳凰”影響,瑞平灌區(qū)雨量站平陽站7月28日8時起開始降雨,初始雨量不大,至29日8時,面雨量累計117.6mm,至30日8時面雨量累計161.5mm,至30日17時降雨結(jié)束,面雨量累計170.4mm。曹村站短歷時暴雨統(tǒng)計見表2。

表2 2008年8號臺風期間曹村站短歷時暴雨統(tǒng)計表 mm

灌區(qū)河網(wǎng)水位代表站平陽站7月28日9時開始起漲,起漲水位2.37m,至29日11時出現(xiàn)洪峰水位2.94m,漲幅0.57m,剛到警戒水位。

5.3 水文分析計算

水位采用平陽站臺風期間逐時實測水位資料,降水量采用灌區(qū)的平陽、南碼道、林、曹村4水雨情測站的算術(shù)平均值。本次計算時段:2008年7月27日12時至30日23時 (實際降水至30日17時已止)。

產(chǎn)水量分析:產(chǎn)水量計算采用估算法,預估產(chǎn)流系數(shù)取0.7。本次臺風降雨計算結(jié)果瑞平灌區(qū)過程總產(chǎn)水量4 138萬m3(見表3)。

表3 2008年8號臺風期間灌區(qū)產(chǎn)水量計算結(jié)果表

5.4 排水量計算

本次臺風期間瑞平灌區(qū)主要啟用排水閘有8個 (見表4)。

5.5 河道蓄水量計算

平陽站水位預排水前2.65 m,通過預排水水位降到2.37m。7月28日9時2.37 m起漲,至 30日17時水位至2.78m,根據(jù)臺風前后平陽站水位和瑞平塘河水位—容積曲線查得,河道總蓄水量增加216萬m3,統(tǒng)計到灌區(qū)山塘水庫蓄水量增加196萬m3,灌區(qū)總蓄水量比臺風前增加了413萬m3。

表4 2008年8號臺風期間瑞平灌區(qū)排水量計算成果表 萬m3

5.6 瑞平河網(wǎng)水量平衡計算

此次降水面過程總雨量170.4mm,總凈雨119.3mm,總產(chǎn)水量4 138萬m3,水閘總排水量3 803萬m3,灌區(qū)蓄水增量413萬m3,水量誤差47萬m3(見表5)。

表5 2008年8號臺風期間瑞平灌區(qū)水量計算成果表 萬m3

6 結(jié) 語

分析8號臺風瑞平灌區(qū)臺風雨洪過程及水量調(diào)度,得出以下結(jié)論:

(1)本次降雨強度較大、持續(xù)時間長;

(2)本次暴雨過程產(chǎn)水量明顯大于灌區(qū)蓄水能力,但由于降雨量預報比較準確,前期的預排水和降雨期間的排水方案科學合理,最大限度發(fā)揮了灌區(qū)水利工程的作用,灌區(qū)河網(wǎng)最高洪水位沒有超警,既確保了灌區(qū)的防洪安全,又使灌區(qū)水利工程充分蓄水,這是一次成功的灌區(qū)水量調(diào)度,取得了很好的效益。

[1].溫平水系水利管理處.瑞平灌區(qū)志[R]..瑞安:溫平水系水利管理處,1998.

[2].石林,曾光明,劉卡波,等.復雜河網(wǎng)平原地區(qū)的防洪調(diào)度決策 [J]..自然災害學報,2010,19(2):30-31.

[3].蔡朝煌.莆田木蘭灌區(qū)防洪減災經(jīng)驗 [J]..水利科技與經(jīng)濟,2009(1):66-67.

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[5].李煒.水力計算手冊 [M].,2版.北京:中國水利水電出版社,2006.

[6].浙江省水文局.溫州市平原河網(wǎng)水量調(diào)度分析與研究 [R]..杭州:浙江省水文局,2006.