鰲江南港流域江西垟平原排澇工程泵站布局優選

余玉龍

（溫州市水利電力勘測設計院有限公司,浙江 溫州 325000）

1 流域概況

江西垟平原位于鰲江下游南港流域。鰲江為江西省八大水系中最小的一條水系,流域面積1580.4 km2,干流全長90 km,主要分屬平陽、蒼南兩縣。鰲江水系呈樹枝狀,根據地形、地理位置可分為北港和南港兩個流域。其中北港都屬于平陽縣范圍,流域面積826.8 km2。南港流域面積為753.6 km2,大部分屬于蒼南縣,主要支流有橫陽支江、滬山內河、蕭江塘河,其中橫陽支江為南港流域排洪、灌溉的主要河道,全長27.3 km,將鰲江流域的最大平原—南港平原分割成江西垟平原和江南垟平原。

江西垟平原西面靠山區,東南緊鄰橫陽支江堤塘,集雨面積156 km2,其中山區64.9 km2,平原91.1 km2。平原內主要有滬山內河和蕭江塘河兩大排水河道。

2 現狀排澇能力

江西垟平原總面積156 km2,其中山區面積64.9 km2,平原91.1 km2。耕地面積10.15 萬畝,其中水田8.7萬畝,田面高程在3.5 m～4.5 m左右,根據最新的1∶10000地形圖及相關資料,江西垟平原現狀蓄澇曲線見表1。

表1 江西垟平原現狀蓄澇曲線

江西垟平原現狀受澇情況見表2。

表2 江西垟平原規劃排澇情況表

根據1∶10000地形圖,區域一般田面高程在3.8 m左右,主要為水田,水稻耐淹水深考慮0.25 m,且耐淹時間為4 d～6 d,因此本次區域受淹時間主要統計一般田面水位達到4.05 m以上的時間。在現狀水利設施情況下,一旦降雨,山區洪水漫入平原,平原積水只能向北排入鰲江,如遇鰲江洪潮影響,內水難以外排,致使大片農田受淹,江西垟的排澇標準不足10年一遇。是南港流域的重澇區之一。

3 泵站布局優選

3.1 水利計算數學模型

江西垟平原集雨面積156.0 km2,其中山區64.9 km2,平原91.1 km2。耕地面積10.15萬畝,其中水田8.7 萬畝,田面高程一般在3.3 m～4.5 m之間。平原內有靈溪、蕭江等鎮,主要河流為沿山內河、滬山內河、蕭江塘河,蕭江塘河～橫陽支江片面積36.6 km2,滬山內河～蕭江塘河片面積21.91 km2,沿山內河片集雨面積20.17 km2。山區主要支流為洛溪、鳳溪、仙塘溪、狀元溪。

3.1.1 計算方法

鰲江及江西垟等平原河網主干河道的水力要素隨時隨地都在變化,屬典型的非恒定流,水利計算方法采用一維圣維南方程組進行數值解；平原河網中的澇區或圍圩內部水流以及水位漫河堤后的水流隨時間變化較小,為了計算方便,將其劃分為網格單元,采用簡化法計算。

（1）圣維南微分方程組。圣維南方程組由以水位高程Z及流量Q為變量的連續方程與運動方程組成：

式中：Z為水位,m；Q為流量,m3/s；X為河道沿程位移,m；t為時間,s；Q為河流總寬度,m；q為單位長度河流的旁側入流,m3/（s·m）；ζ±、M、a均為計算參數。

計算中將微分方程組進行數值解,計入河叉、閘叉方程、邊界條件和初始條件,并考慮橋堰的阻水、水流漫灘等水利條件。

（2）簡化法。假定簡化單元i內水體體積僅與水位有關,則可得連續方程：

式中：Pi（t）、Ai為單元i的降水量、水面面積；Qi為單元i的流量交換。

計算中流量Qi的交換主要為明渠恒定流、堰閘等形式,根據劃定單元實際交換情況予以計列。

3.1.2 計算模型

依據規劃區地理、地形和水系特點進行河網排澇計算。結合計算需要,搭建兩套計算模型：一是鰲江大流域計算模型,為江西垟等平原排澇計算提供下邊界,同時計算分析其對鰲江、橫陽支江規劃工程措施的影響等；二是江西垟等平原排澇模型（見圖1）,具體細化其平原排澇的各工程措施規模等事宜。

圖1 江西垟平原水利計算模型圖

①初始條件：計算開始時刻鰲江各斷面水位等于此刻下邊界潮位；平原河道各斷面水位相等,綜合考慮實際調度,取常年河道水位2.70 m等；流量為0。

②外邊界條件：鰲江大模型中計算上邊界鰲江干流為埭頭、橫陽支江橋墩水庫下泄及各支流,下邊界為鰲江潮位站和琵琶門潮位站；各平原設計頻率降雨＋洪水＋下邊界鰲江,組合頻率采用水文分析的推薦組合,下邊界過程線采用鰲江流域大模型計算成果提取的過程線。各平原上邊界為山區集中入流處,河道初始水位和流量根據河床坡降推算取值。

③邊界條件：鰲江大模型在計算河段內選取具有代表性的斷面并適當修正,河汊口各段面水面相等且流量連續；各平原模型在計算河網主河道上選取具有代表性的斷面,將主排水河道上的阻水橋梁簡化為閘堰,共布置414 個斷面,4 個水閘,5個泵站,7個集中入流,20 個概湖進行數值模擬計算。

④降雨與潮汐組合：由水文分析可知,不同重現期降雨過程線都是以2007年8 月18 日～20 日降水典型過程線為基礎,潮位過程線同樣選用鰲江流域防洪規劃潮汐成果（見表3）,此組合降雨雨峰與高潮位遭遇,對排澇災害偏不利。

表3 鰲江潮位站統計潮位特征表 單位：m

⑥汛期水閘開啟內河常水位。江西垟平原常水位為2.70 m；汛期內高潮頂時泵站開啟水位為2.90 m,關泵水位為2.50 m。

3.1.3 驗證計算

2007 年8 月17 日～22 日,受9號臺風“圣帕”影響,浙江省的溫州、臺州、麗水3市17縣240個鄉鎮198萬人受災。江西垟平原普降暴雨,又遇天文大潮汛期,整個流域江河水位猛漲,靈溪、麻步、蕭江等鎮一片汪垟,內澇情況嚴重,104國道等道路基本全線癱瘓。

經分析,該場暴雨降水量集中、強度大,內河水位高,鰲江高潮位與降水雨峰幾乎同時出現,比較符合本流域洪澇災害實際情況。其中,實測一日降雨為238.5 mm,三日降雨為386.6 mm,埭頭站實測洪峰流量為2450 m3/s,鰲江三天最高潮位為5.18 m。

同時也針對該場臺風中的江西垟平原各點受澇情況進行詳細調查,現場調查照片見圖2。

圖2 蕭江鎮塘河橋附近

江西垟平原內設有靈溪水位站,本次就實測水位、計算水位、調查水位進行對比,成果見表4。

表4 江西垟洪水驗證成果表

洪水演進計算表明：計算洪水位過程線靈溪站實測水位符合較好,最大水位差值為0.02 m～0.03 m,說明本計算模型比較符合江西垟平原的實際情況,可以用于排澇工程計算。

3.2 閘泵布局比選

計算方法采用3.1計算模型,根據各泵站特性,擬定主要泵站比較方案見表5。

表5 排澇泵站比較方案表

各方案水利計算成果見表6。

表6 泵站不同規模代表點水利計算成果

根據以上計算成果可知：

（1）隨著總泵站流量的增加,片區洪澇水位逐漸降低。方案二相對方案一,沿山內河沿程水位下降7 cm～10 cm,滬山內河沿程水位下降0～10 cm,蕭江塘河沿程水位下降1 cm～10 cm；方案三相對方案二,沿山內河沿程水位下降4 cm～8 cm,滬山內河沿程水位下降0～9 cm,蕭江塘河沿程水位下降1 cm～11 cm。

（2）滬山內河和蕭江塘河水位變動區主要位于河道中下游,對上游影響不大,因此隨泵站規模加大,靈溪鎮水位變化不大,麻步鎮水位下降6 cm和7 cm,蕭江鎮水位下降12 cm和8 cm。

（3）結合區域地形,方案一蕭江鎮難以滿足設防標準,方案二基本能滿足設防標準,方案排澇效果最好,故泵站規模布局按照方案二進行。

3.3 實施后各頻率澇水位參數

實施后各頻率澇水位參數見表7。

表7 主要代表點水位計算成果表

采取上述保留農田約6.10 萬畝、水域面積不減少、滬山內河治理、新建泵站及水閘等措施后,保留了平原調蓄能力,增大了河道與水閘排水流量,有效增加泵站強排能力,因此,可以降低河道最高水位和縮短排水時間。

（1）10 年一遇平原河道下游最高水位3.90 m,20 年一遇平原下游河道最高水位4.12 m～4.20 m；低于城鎮代表地坪高程4.50 m,滿足內河水位不超過地坪高程的排澇要求。

（2）20 年一遇工況下,各區域最高水位可有效降低0.20 m～0.30 m,其鎮區基本不受淹,田面一般淹沒時間從49 h降至 8 h～30 h。

4 結語

江西垟平原排澇既受到鰲江干流高水位的影響,又受流域內山區主要支流為洛溪、鳳溪、仙塘溪、狀元溪等洪峰影響。故在泵站布局過程必須考慮到泵站流量、各個代表點及鄉鎮水位之間的關系,通過實際的情況進行分析計算優化比較,進而落實到項目建設,才能真正提高區域排澇能力標準,從而滿足江西垟平原排澇20年一遇的標準。