温州市瑞平灌区防洪调度决策分析

王忠明,王丽丽,林佳明

(温州市瑞平水系水利管理处,浙江 瑞安 325207)

1 灌区概况

瑞平灌区位于浙江省东南沿海温州市飞云江河口南岸,是瑞安市与平阳县相结合地区。灌区北沿飞云江,东临东海,西南面环山,流域面积347.9 km2,其中平原 234.2 km2,山丘113.7 km2。灌区以西太山、万盘尖山为界,分东、西2片,东片灌区称瑞平平原,平原地面高程3.1～3.5m;西片灌区称马屿江南平原,平原地面高程3.2～4.6 m。灌区内有大小河流249条,总长329 km,水面面积16.68 km2,总容积3 651万m3。灌区主干河道有瑞平塘河、东塘河、吴桥河、天井河和石牌河。吴桥河是联接东、西2片灌区的唯一河道[1].。飞云江是灌区排涝的唯一出口。灌区流域水系见图1。

瑞平灌区由于特殊的地理位置和气候因素的影响,历来水旱灾频繁,涝、洪、旱兼有,以涝为主交替出现,严重阻碍了灌区经济社会的发展。为了防灾减灾促进经济社会的发展,从20世纪50年代以来,瑞平灌区相继建成了一系列骨干水利工程:

图1 瑞平灌区流域图

1.1 江堤海塘

沿飞云江现建有防洪标准50 a一遇的江堤海塘18.2 km,20 a一遇的4.4 km,低标准的土堤10多公里。这些海塘、江堤是抵御台风暴潮袭击的主要工程措施。

1.2 水 库

山丘区建有水库23座,山塘42座,总库容905万m3。其中小(1)型水库2座。

1.3 翻水站

建有翻水站1座,设计提水流量为10m3/s,是瑞平灌区重要的抗旱水源工程。

1.4 水 闸

沿飞云江南岸建有骨干水闸10座,设计总排水流量811m3/s,其中3座属中型水闸。这些水闸有挡潮、排涝和拦蓄淡水的功能,是瑞平灌区的最重要水利工程设施。东片灌区有南码道水闸、宋家埭水闸、塘头水闸、乔里水闸和头水闸,西片灌区有江溪水闸、江上水闸、江浦水闸、沙洲水闸、岩头水闸。

瑞平灌区这些骨干水利工程的建成,为防灾减灾奠定了硬件基础,但要充分发挥效益,水利工程运行的科学调度就成了关键。

瑞平灌区所有水利工程的运行调度,水闸运行调度决策难度最大。瑞平灌区属平原河网地区,河网密布,水流流态复杂,水流方向不定,是典型的复杂河网地区;下垫层有水田、旱地、水面、城镇和建设区,降水产流计算非常复杂;水闸排涝能力受飞云江潮水位的影响很大;对调度决策影响最大的降雨量的预报,按现有的科技水平却难以报得准确。

瑞平灌区水闸运行调度决策,对灌区来说,却是非常重要的。若灌区水闸运行调度不当,会造成水资源的极大浪费或极端条件下的洪水溢出,给灌区带来很大的损失[2].。

2 灌区水利工程的控制运用原则

飞云江5 a一遇的高潮位是4.25m,而灌区东片平原地面高程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,在飞云江南岸不同的江岸段,建设不同挡潮标准的水闸和海塘,以阻挡海潮的入侵。

灌区多年平均降水量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。为解决灌区1 a里降水时空不均的问题,必须利用灌区的河网和山塘水库,在每年的丰水时段,拦蓄降水,以确保灌区贫水时段的用水需要。当灌区遇到干旱年份,灌区降水不足或严重不均时,就只能依靠灌区唯一的抗旱水源工程(潘山翻水站),从飞云江中游提水补充河网水量,以确保灌区贫水年份的用水需要。

当灌区遇到丰水年份或台风暴雨,降水产流超过灌区的蓄水能力时,调度沿江水闸排水或进行预排水,把河网水位控制在安全高度。不然,会发生洪水溢出,灌区受灾,遭受巨大损失。

瑞平灌区只有通过海塘、水闸、河网、山塘水库和翻水站这些骨干水利工程科学控制运用,既确保灌区防汛安全,又满足灌区的用水需要,为灌区经济社会的发展提供水利支撑[3].。

3 防洪调度决策过程分析

分析瑞平灌区的涝灾原因,绝大多数是台风暴雨引起的。因为台风暴雨往往强度大,历时长,产流很难及时排出,容易成灾。瑞平灌区的防洪调度,就是要根据降水量预报,估算产流量,预测洪水位,计算灌区河网、山塘水库接纳洪水的库容,预测飞云江的潮水位及水闸的实时排涝能力,综合各种影响因子,顾及灌区降雨和排涝在空间及时间上的矛盾,确定合理的防洪调度方案,做到避灾和水资源利用二者兼顾[4].。

3.1 灌区蓄水量

瑞平灌区纳洪库容主要由灌区河网的水位决定。平阳站水位与瑞平灌区河网蓄水量关系见图2。

图2 平阳站水位与瑞平灌区河网蓄水量关系图

由图2可计算出在Z水位下的相应蓄水量值W,并依据公式△W=W1-W2,计算出河网可接纳洪水的库容,也可以计算出降雨前后的蓄水量差值,即蓄水增量。

灌区山塘水库总库容只有905万m3,但在防洪调度中也不能忽略,对大南、水亭这2座小 (1)型水库更是如此。

3.2 水闸排涝能力

瑞平灌区的排涝是在闸前水位超过控制水位且高于外江潮位时,开启挡潮排涝闸自流排涝,水闸排涝能力受到飞云江潮水位和内河水位的影响。在计算灌区排涝能力时,飞云江潮水位采用瑞安站数据。典型潮水位过程线见图3。

图3 瑞安站典型潮水位过程线图

排涝闸排水量计算采用宽顶堰公式:

式中:Q为排水量(m3);b为水闸总净宽(m);H0为水头(m);m为流量系数。经校核,流量系数 m取0.3[5].。

以目前实测数据为基础,对每座挡潮排涝闸现有的排水能力进行计算。10座挡潮排涝闸现有的总排水流量674 m3/s。但由于灌区河道现在淤积非常严重,河道被侵占现象时有发生,河道断面变小,排水不畅,现有水闸的排涝能力充分发挥受到影响。根据灌区排涝实例的数据分析,平阳站水位在2.97m,又没有降水产流时,1个潮波的排水总量能使灌区河网水位下降0.34～0.47m。

3.3 降水产流分析

对于流域降水产流计算,影响的因素很多,归纳起来主要分为3类:

(1)流域下垫面因素:包括地形地貌特征、地质条件、植被类型及分布、土壤类型及分布、包气带的分布特征及土壤含水率的分布等。

(2)流域降雨特性:主要指降雨的时程及空间分布。

(3)流域蒸发特性:指蒸发的时程及空间分布。

瑞平灌区内有平原河网和山丘,平原河网地带的下垫层有水田、旱地、水面、城镇、建设区。对于瑞平灌区这样的流域下垫面,降水产流计算非常复杂,为了简化产水量计算,采用预估产流系数的方法来计算产水量,具体产水量的计算公式如下:

式中:W产为本时段内流域产水量(万m3);∑P为本时段内灌区累计平均降水量 (mm);F为计算降雨区区域面积 (km3);α为预估产流系数,根据灌区前期土壤含水率、降雨量、水利工程现状等具体情况,可取不同的数值,从而确定不同的排水方案[6].。

4 灌区防洪调度方案

东片灌区地面高程一般为3.1～3.5m,代表站平阳站的正常蓄水位2.79 m,警戒水位为 2.94 m,危急水位为3.44m。

在非用水高峰季节,河网水位控制在2.79 m以下。当平阳站水位＞2.79m,闸前水位高于外江洪潮位时,沿江排涝挡潮闸开闸排涝;外江潮位高于闸前水位时,沿江水闸关闸挡潮;当河网平均水位下降至2.79 m时,排涝闸关闭。

每年 “出梅”后至9月份,是灌区的用水高峰季节,水位最高控制在2.84 m,保持河网最大的蓄水量。河网水位＞2.84m时,调度水闸排涝。瑞平灌区河网不同时段的控制水位见表1。

有台风暴雨的确切预报时,根据预报的降雨量和当时河网的实时水雨情,预测平阳站最高洪水位。当预测的最高洪水位超过警戒水位时,可采用预排,使河网腾出一定蓄水容量。

预测平阳站的最高洪水位超过危急水位时,采用预排,降低河网水位,增加纳洪库容,降低未来的最高洪水位。预排的提前时间和预排水量根据预报的雨情、河网当前水位和排涝能力确定。在做预排决策和预排的实施过程中,要注意以下几个问题:

表1 瑞平灌区河网不同时段的控制水位表 m

(1)合理采用气象信息。防洪调度决策是在降水量预报的基础上做出的,以现在的气象预报技术,难以报得非常准确,调度决策必须结合灌区当前的实际情况和灌区调度的历史经验,不然,调度决策就会出现很大的偏差。在预排实施的过程中,还要及时关注台风暴雨的相关信息,比如台风移动的路径、风力大小等参数的变化,及时调整预排方案。

(2)考虑灌区的排水能力变化。灌区的排水能力受飞云江的潮水位影响很大,台风暴雨期间,飞云江上游泄洪和台风增水 (减水)的影响,会使灌区原有的排水能力发生变化。因此,确定预排方案时,要根据灌区水雨情和飞云江潮位的变化,在进行排水计算时,要对排水能力进行合理的调整。

(3)灌区水雨情的采集要准确、及时,水雨情测报站点设置的位置和密度要符合灌区防洪调度的要求。

5 防洪调度实例

2008年8号台风 “凤凰”7月25日在南太平洋生成,28日穿过台湾中部在福建登陆,瑞平灌区受这个台风影响降大暴雨,本文对这次台风暴雨的防洪调度过程进行分析。

5.1 河网水量预排

对这次台风,气象预报瑞平灌区的过程雨量为150～250mm。灌区河网现状水位2.65 m,经瑞平塘河水位—容积曲线查得灌区河网有285万m3纳洪库容,山塘水库当时有196万m3的纳洪库容,灌区总共只有481万m3的纳洪库容。用预估产流系数的方法计算预测产水量,预估产流系数取0.7,过程雨量用预报降雨量的下限值150mm,预测产水量达3 643万m3,大大超过灌区的纳洪库容。为了防止洪水不能及时排出而溢出,需要调度水闸预排水。在27日12时,调度灌区7座主要水闸预排水,至27日23时,排水467万m3,河网水位降到2.37 m,灌区的纳洪库容增加到948万m3。

5.2 雨水情概况

受台风“凤凰”影响,瑞平灌区雨量站平阳站7月28日8时起开始降雨,初始雨量不大,至29日8时,面雨量累计117.6mm,至30日8时面雨量累计161.5mm,至30日17时降雨结束,面雨量累计170.4mm。曹村站短历时暴雨统计见表2。

表2 2008年8号台风期间曹村站短历时暴雨统计表 mm

灌区河网水位代表站平阳站7月28日9时开始起涨,起涨水位2.37m,至29日11时出现洪峰水位2.94m,涨幅0.57m,刚到警戒水位。

5.3 水文分析计算

水位采用平阳站台风期间逐时实测水位资料,降水量采用灌区的平阳、南码道、林、曹村4水雨情测站的算术平均值。本次计算时段:2008年7月27日12时至30日23时 (实际降水至30日17时已止)。

产水量分析:产水量计算采用估算法,预估产流系数取0.7。本次台风降雨计算结果瑞平灌区过程总产水量4 138万m3(见表3)。

表3 2008年8号台风期间灌区产水量计算结果表

5.4 排水量计算

本次台风期间瑞平灌区主要启用排水闸有8个 (见表4)。

5.5 河道蓄水量计算

平阳站水位预排水前2.65 m,通过预排水水位降到2.37m。7月28日9时2.37 m起涨,至 30日17时水位至2.78m,根据台风前后平阳站水位和瑞平塘河水位—容积曲线查得,河道总蓄水量增加216万m3,统计到灌区山塘水库蓄水量增加196万m3,灌区总蓄水量比台风前增加了413万m3。

表4 2008年8号台风期间瑞平灌区排水量计算成果表 万m3

5.6 瑞平河网水量平衡计算

此次降水面过程总雨量170.4mm,总净雨119.3mm,总产水量4 138万m3,水闸总排水量3 803万m3,灌区蓄水增量413万m3,水量误差47万m3(见表5)。

表5 2008年8号台风期间瑞平灌区水量计算成果表 万m3

6 结 语

分析8号台风瑞平灌区台风雨洪过程及水量调度,得出以下结论:

(1)本次降雨强度较大、持续时间长;

(2)本次暴雨过程产水量明显大于灌区蓄水能力,但由于降雨量预报比较准确,前期的预排水和降雨期间的排水方案科学合理,最大限度发挥了灌区水利工程的作用,灌区河网最高洪水位没有超警,既确保了灌区的防洪安全,又使灌区水利工程充分蓄水,这是一次成功的灌区水量调度,取得了很好的效益。

[1].温平水系水利管理处.瑞平灌区志[R]..瑞安:温平水系水利管理处,1998.

[2].石林,曾光明,刘卡波,等.复杂河网平原地区的防洪调度决策 [J]..自然灾害学报,2010,19(2):30-31.

[3].蔡朝煌.莆田木兰灌区防洪减灾经验 [J]..水利科技与经济,2009(1):66-67.

[4].严雪华,陈培竹.嘉兴平原河网地区降雨径流关系探讨[J]..浙江水利科技,2009(4):20-21.

[5].李炜.水力计算手册 [M].,2版.北京:中国水利水电出版社,2006.

[6].浙江省水文局.温州市平原河网水量调度分析与研究 [R]..杭州:浙江省水文局,2006.