赤东湖区泵站排涝运行调度探讨

邵卫东,查方能

(1.黄冈市水利水电规划设计院,湖北黄冈438000;2.黄冈职业技术学院,湖北黄冈438002)

泵站是水利工程建设中不可缺少的一部分。它承担着所在区域的防洪、排涝、灌溉、调水等工作任务,对合理配置水资源起着积极的作用。其运行管理是供排水管理工作的一项重要内容,应根据供排水计划,对供排水区内所辖水利工程设施,进行科学调度,联合运用,以达到泵站节能、灌区节水、经济运行的目的。本文就湖北省蕲春县赤东湖区灌溉、排涝工程现状,结合笔者多年的工作经验,对如何使泵站的调度适应新环境、新条件科学运用进行了探讨。

一、基本情况

(一)概述

赤东湖水系位于蕲春县南部、武穴市西部,北依横岗山脉,西靠蕲河,南临长江,横跨蕲春、武穴两县市。它包括赤东湖湖区与四十八圩及八里湖农场(简称圩区)等地。总来水面积为552.8平方公里。其中蕲春县境内面积为411.8平方公里,武穴市境内面积为141.0平方公里。全流域境内有七个乡镇场,132个村,16.7万人,耕地面积18.78万亩。是蕲春县的粮棉主要产地,同时蕲春县城漕河、沿江重镇蕲州都在该流域内,故是该县政治、文化、经济发展要地。

赤东湖流域汛期排水的主要任务分别:湖区由赤东湖泵站(6×800kw)、夏坳泵站(2×800kw)共同承担;圩区八里湖农场32.8平方公里来水面积的汛期排水任务由龙凤寺泵站(3×630kw)单独承担。

(二)历史上所形成的规划治理方案

随着时间的推移,人们对湖区治理的认识不断深化,同时客观条件都在发生变化。因此,不同的时期都提有不同的规划治理方案。先后提出了:⑴等高截流,自排出江方案。⑵湖区河流下段沿河筑堤,湖中做夹堤或单边堤,将湖区来水挤排出江方案。⑶以电排为主、自排为辅的排水方案。⑷自排为主,电排为辅,等高截流的排水方案。⑸汛期电排确保圩区的排水方案等一系列治理方案。

自开始规划筹建夏坳泵站时就提出“电排为主、自排为辅、电排增容、统一调度、先圩后湖、先分区管理、后统一管理”的方案。具体实施内容包括四个方面。

1、电排增容,兴建夏坳泵站:从整个湖圩区排水统一调度出发,按现实的资料和设计标准计算整个湖区所需的电排流量(一级排水),从而定出所需增加的流量。为了更好地达到先圩后湖、分区管理的目的,此增加流量的电排站建于四十八圩靠蕲河边的夏坳处。

2、治理雷溪河:雷溪河流经蕲春县城及粮仓四十八圩。由于河道弯曲,河床狭窄,遇暴雨期对该县县城及四十八圩造成极大威胁,是一个迫切需要解决的问题。鉴于实际情况,计划在雷溪河经过的县城段,采取截弯取直,扩宽河床,边坡护砌的方法,扩大该段过洪流量。在雷溪河下段采取加高培厚河堤的方法,确保四十八圩安全。

3、兴建洪湖渡口隔堤及分洪闸:为分区管理打下基础。它的兴建将使洪头湖与赤东湖分开,成为两个调蓄区。从湖区排水科学管理的角度讲,湖区排水应该是统一调度指挥。这样从总体上才能达到少花钱、高效益的目的。但是从实际情况看,这种办法一时难以实行,即使是行政命令,也还是阻力重重,一遇到具体问题仍不能解决,反而使已有的电排装机不能充分发挥作用。为此而提出分区管理的方法,即从整个排水规划方案上是着眼于统一调度、统一管理的,只是在实施的步骤上采用先分区管理,后统一管理的办法。计划隔断洪湖渡口,将赤东湖水系分为三个排水区(汛期),即八里湖排水区、三渡排水区、赤东排水区。八里湖排水区由龙凤寺泵站提排,三渡排水区由夏坳、白池泵站等提排,赤东排水区由赤东湖泵站提排,从而形成各自的排水区分区管理。

4、逐步向统一管理、统一调度过渡,真正做到确保圩区安全、减轻湖区灾害、发挥工程效益、服务经济社会。

(三)现已形成的排水格局和调蓄情况

赤东湖流域是由赤东湖区、八里湖农场、四十八圩圩区和周边山区自然形成。赤东湖汛期排水的主要任务是由赤东湖泵站(6×800kw)承担。八里湖农场32.8平方公里的来水面积汛期排水任务,由龙凤寺泵站(3×630kw)单独承担。夏坳泵站(2×800kw)主要承担四十八圩的排水任务。另外,四十八圩还有白池(4×155kw)和龚大围(2×100kw)二个一级排水泵站。它们分别承担各自然排区的排水任务。本着先圩后湖的原则,充分利用夏坳泵站所在四十八圩范围内仅有的45万方港道调蓄能力。汛前灵活运用农场闸将一部分洪水排入湖区,汛期利用夏坳泵站的抢排能力,确保四十八圩的安全渡汛。在此前提下,根据汛期来水情况,运用农场闸与湖区勾通,突击抢排湖水,以减轻赤东湖泵站的排水压力。

赤东湖流域内由七条河流及沿湖丘陵湖叉和圩区构成,其基本情况如下表:

表1

八里湖农场32.8平方公里汛期来水由龙凤寺泵站直接排入长江,故在上表中没有计算在内。赤东湖流域内,已建中小型水库34座。其中,蕲春县境内20座,控制面积46.78平方公里,有效库容3686.9万方。武穴市境内14座,控制面积28.54平方公里,有效库容1613.0万方。实际上能够加以考虑的是那些每年汛期能保证遭遇十年一遇降雨而不发生溢洪的水库。它们是蕲春县的鹞鹰岩、黄河厂、陈云和武穴市的三八水库。其控制来水总面积为41.85平方公里,有效库容3782.7万方。

赤东湖水位与面积、容积的关系如表2:

表2

赤东湖泵站自1976年建成投产以来,多年实际运行的起排水位在18.5米左右,设计最高水位20.0米,允许最高运行水位19.5米。此间调蓄湖容为2706.7万方至4142.9万方。

二、存在的问题

(一)排涝设计标准的几个问题

湖北省的除涝标准是10年一遇一日降雨三日排干,三日降雨五日排干。至于标准问题中应该考虑以下几个问题:

1、排涝标准中应有设计与校核之分,10年一遇一日降雨三日排干设计,三日降雨五日排干校核,这样的理解是否成立。

2、一日降雨是否指的是24小时降雨。

3、排涝标准中是否有湖区、圩区之分。

4、湖区的调蓄容积应该如何确定。

5、是否还作长历时降雨的计算。

就上述几个问题,笔者认为:蕲春县赤东湖区,有西河驿、牛皮坳两个雨量测站的降雨资料可以借用。有了1日、24小时、3日、7日降雨标准之后,再通过具体实际情况所得的结果进行分析。

下面就以一定来水面积的湖围地区,计算其排水流量之后再进行讨论。其降雨径流系数α=0.65;不计算调蓄湖容积,泵站开机按每日运行22小时计算。

1、计算同一频率一日降雨三日排干流量为23.068秒立方。三日降雨五日排干流量为22.656秒立方,两数较为接近,应取23.068秒立方作为计算机组排涝流量的取值。由此可以这样说:在某已定频率以最大一日降雨三日排干设计,与三日降雨五日排干校核,其计算结果基本一致,没有矛盾。从农作物水稻的耐淹能力而定出的是一日降雨三日排干,而三日降雨五日排干,因降雨延续两天,从而排干时间也随之延长两天所致。

2、计算10年一遇频率24小时降雨三日排干流量为29.15秒立方,大于同频率一日降雨三日排干的流量23.068秒立方,同时也大于频率为20年一遇一日降雨三日排干流量26.84秒立方。回过头来再看三日降雨五日排干中的含义,在连续最大三日降雨中考虑到24小时降雨寓于三日降雨之中。因此,笔者认为,用24小时降雨三日排干设计是欠妥的。

3、水利部提出:提高易涝耕地的除涝标准。是否是将现在实行的10年一遇标准提高到20年一遇的标准。同样,计算某围区的20年一遇标准的排水流量,一日降雨三日排干流量为26.84秒立方,三日降雨五日排干流量为26.878秒立方主。标准由10年一遇提高到20年一遇,其流量增值为16.5%左右。从西河驿水文站的33年资料中可以查到,10年一遇一日降雨为173.5毫米,而20年一遇一日降雨为160.2毫米,两者差值为13.3毫米。这个增值并不大。因此,我认为是可行的。

4、长历时在排水流量的计算中,七日降雨九日排干的流量远小于一日降雨三日排干流量。这样没有必要再提长历时降雨计算了,而湖区泵站运行时间长。主要是预留调蓄湖容过大所致,没有必要从排涝标准上做文章。

5、预留调蓄湖容,预留调蓄湖容不能太大,雨前运行费用太高。预留调蓄湖容亦不能过小,否则无抢排机会。最多雨前与雨中排水的时间相等,也就是说,预留调蓄湖容为设计(10年一遇一日降雨)总来水量的一半以下。赤东湖的来水面积扣除四十八圩、八里湖农场的来水面积之后,实有来水面积为458.74平方公里,10年一遇一日降雨的来水量为4105.95万方。按总来水量的50%来确定调蓄湖容为2052.975万方,小于内湖起排水位(18.5m)与允许最高水位(19.5m)之间的湖容(2706.7万方)。现在设计的预留调蓄湖容是按计算来水总量1/2的调蓄湖容的65.92%,按理讲还是偏大。

(二)排涝调度运行中的几个问题

从历年实际运行情况看:1976～1981年间,除1978、1981两年未运行外,四年的起排水位在17.94m～18.55m之间,也即是在18.55m以下。在这个水位区间起排,6年发生的最高内湖水位是19.56m(77.5.15)。1982～1986年间,1985、1986、1994年三年未开机,各年起排水位有明显提高趋势,且无一定的起排水位标准,起排水位的机动性过大,在18.24m～20.09m之间。最高内湖水位达20.55m(83.7.8),最高水位持续时间为14天(水位在20.00m以上)。1987～1992年间,起排水位在18.24m～18.84m之间,基本控制在19.00m以下,发生的最高水位为20.50m(91.7.14),最高水位持续时间仅4天(水位在20.00m以上)。1993～1996年间,起排水位在18.99m～19.95m之间,基本在19.00m以上,发生的最高水位为20.91m(96.7.22),最高水位持续时间达15天(水位在20.00m以上)。1982年以后15年三个阶段产生三个高水位,原因与起排水位偏高和天气形势预测、调度运用有直接关系。

从历年实际运行情况分析,泵站的调度运用主要存在:

1、起排水位偏高,预留调蓄湖容太小,致使抢排能力大大减弱,遇有强度较大的连续降雨就没有喘息机会,最终使湖水位不断上涨。

2、预测天气形势能力缺乏,带来起排时机、开机运行时间长短把握不好,造成要不浪费能源和财力,要不就形成灾害造成损失。

3、调度机构不健全,没有专门负责泵站调度运用的科学调度机构。

三、对策与措施

为使泵站的调度运用既具科学性又紧密地结合实际,更好地发挥泵站的社会效益,达到抗灾减灾的目的,提出如下对策:

(一)推求合理的湖区暴雨汇流规律

赤东湖区10年一遇三日暴雨为285mm,暴雨点面系数0.818,暴雨径流系数0.65,设计净雨深R=285×0.818×0.65=151.5mm,湖区来水面积F=520km2。参考有关文献资料及经验,洪水要素计算如下:

1.汇流速度:

2.河道长度:

3.流域汇流时间:

4.产流历时:

5.洪峰滞时:

6.洪峰流量:

7.径流总量:

从计算看,赤东湖区洪水的汇流历时为129.9h,即暴雨从产流开始到汇流结束的时间约5.5d。按湖区排涝泵站现有装机(赤东湖6×8+夏坳2×8)流量Q装=64m3/s,湖区调蓄水量为6480.4万方(其中上游水库的调蓄为3782.7万方),扣除水库调蓄水量后,泵站开机历时为177.75h,即约8d排干。考虑暴雨汇流时间后,排干时间未超过三天。

借鉴资料、经验及结合上述计算和赤东湖区的实际情况,总结汇流情况有如下四个方面。

1、当暴雨汇流量等于提排流量时,湖水位保持不变。

2、当暴雨汇流量大于提排流量时,泵站满载运行,湖水位上涨。泵站抢排与水库、河湖调蓄削峰联合运用,共同消化洪峰流量。这就是平时观察到的泵站满载运行而湖水位还继续上涨的原因所在。

3、削峰流量在汇流量等于提排流量时,这时的河湖水位为次暴雨径流的最高水位。所以,河湖最高水位发生时,并不是洪峰流量最大的时候,而是削峰调蓄流量正好结束。

4、最大洪峰流量发生与湖内最高洪水位发生的间隔时间,是随暴雨量和排涝流量的大小而变化的。最大洪峰流量在前,湖内最高洪水位在后,这是平原湖区有人工控制的暴雨汇流规律。

(二)解决好湖区种植、养殖蓄水和增加调蓄湖容的矛盾

赤东湖区泵站排涝水位,在治理规划和泵站设计中,是根据当时的历史和湖区现状确定的,汛前控制水位16.5m,汛期最高限制水位18.5m。原设计排涝标准为10年一遇一日暴雨173.5mm十天排干。但自上世纪80年代以来,沿湖各围区加堤筑坝,退田还湖,引起湖容曲线有所变化,加之沿湖低层农田基本还湖,20.00m高程以下基本没有种植农田,或即使有农田也可以靠加高的围堤,抵御洪水,不致受灾。还有因沿湖农田和渔场的种植、养殖需要一定蓄水,甚至遇干旱年份还打开牛皮坳闸倒引长江水入湖确保种养需要。故此,湖区泵站起排水位有逐年提高的趋势,而因湖区的泵站、涵闸调度运用不太合理,且缺乏科学性,致使时有灾情发生,并表现出湖区调蓄能力过弱。为解决这一矛盾,本人认为应从以下几个方面着手考虑。

1、起排水位确定为18.50m,汛期最高限制水位确定在20.00m。考虑到节约与效益并举的原则,如遇干旱年份,或在一个时期内没有降雨的情况下,起排水位可以适当放宽到19.00m,但到19.00m水位时一定要起排！若充分肯定近一个时期内确无集中降雨过程则除外。根据历史资料,以1996年7月、8月的两次降雨为例:一次时段降雨137.7mm,用13日排干。一次时段降雨222.0mm,需23天排干(据1996年赤东湖泵站实际运行记载资料综合分析而得)。通过上述实际资料分析,可知,赤东湖泵站每天排水能力仅能排干约10mm降雨的来水量。而由泵站每日运行排涝水量为507万方(按单机流量8.0m3/s,6台机组每日运行22小时计算),即可反过来推算出每10mm降雨所形成的湖容约为507万方。根据湖容曲线可得:赤东湖18.50m～20.00m的湖容为4142.9万方。所以,赤东湖在18.50m～20.00m高程能调蓄的降雨为(4142.9÷507)×10=81.7mm。赤东湖19.00m～20.00m的湖容为3559万方,所以赤东湖在19.00m～20.00m高程能调蓄的降雨为(3559÷507)×10=70.2mm。 那么,在这两个不同水位起排且保证湖区不出现灾情(20.0m高程以下)的情况下,包括湖区调蓄和机组运行排水,10天抗雨分别可达到181.7mm和170.2mm。按原设计为10年一遇一日暴雨173.5mm10天排干的排涝标准,是基本没有问题。如果按10年一遇一日降雨3天排干的标准来分析,考虑暴雨汇流时间的同时机组同步排水加上可调蓄的湖容约可抗雨136.7mm(18.50m起排),扣除作物耐淹深0.17m,完全在3天之内可排至作物耐淹深以下。

2、排空调蓄湖容。每次开机排水必须使湖水位降到18.50m以下才可停机。

3、预测天气形势。这一点是兼顾节约与效益并举的重点。确定是18.50m起排还是19.00m起排;开闸自排还是关闸蓄水?预测是关键！

4、对泵站的运行调度应由专门的机构负责,对包括湖区的泵站和排水涵闸(牛皮坳闸、农场闸、金牛洞底闸、金牛洞节制闸等),结合降雨和水位情况,进行资料集中、分析预测、综合调度、合理运用。

泵站的运行调度是一项涉及情况复杂而范围广的系统工程。要切合实际科学运用,在实际操作过程中要克服泵站运行调度的随意性,提高湖区泵站运行综合调度的科学性。从而更进一步提高排涝工程的抗灾能力,充分发挥工程的经济、社会效益。

[1]湖北省水利勘测设计院.大型电力排灌站[M].北京:水利电力出版社,1984.

[2]湖北省水利厅农水处.电力排灌泵站经营管理[M].武汉.武汉测绘科技大学出版社,1993.

[3]严登丰.泵站工程[M].北京.中国水利水电出版社.2005.

[4]SL 255-2000.泵站技术管理规程[Z].