邵衛(wèi)東,查方能

(1.黃岡市水利水電規(guī)劃設(shè)計院,湖北黃岡438000;2.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北黃岡438002)

泵站是水利工程建設(shè)中不可缺少的一部分。它承擔(dān)著所在區(qū)域的防洪、排澇、灌溉、調(diào)水等工作任務(wù),對合理配置水資源起著積極的作用。其運(yùn)行管理是供排水管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容,應(yīng)根據(jù)供排水計劃,對供排水區(qū)內(nèi)所轄水利工程設(shè)施,進(jìn)行科學(xué)調(diào)度,聯(lián)合運(yùn)用,以達(dá)到泵站節(jié)能、灌區(qū)節(jié)水、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。本文就湖北省蘄春縣赤東湖區(qū)灌溉、排澇工程現(xiàn)狀,結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn),對如何使泵站的調(diào)度適應(yīng)新環(huán)境、新條件科學(xué)運(yùn)用進(jìn)行了探討。

一、基本情況

(一)概述

赤東湖水系位于蘄春縣南部、武穴市西部,北依橫崗山脈,西靠蘄河,南臨長江,橫跨蘄春、武穴兩縣市。它包括赤東湖湖區(qū)與四十八圩及八里湖農(nóng)場(簡稱圩區(qū))等地?？倎硭娣e為552.8平方公里。其中蘄春縣境內(nèi)面積為411.8平方公里,武穴市境內(nèi)面積為141.0平方公里。全流域境內(nèi)有七個鄉(xiāng)鎮(zhèn)場,132個村,16.7萬人,耕地面積18.78萬畝。是蘄春縣的糧棉主要產(chǎn)地,同時蘄春縣城漕河、沿江重鎮(zhèn)蘄州都在該流域內(nèi),故是該縣政治、文化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展要地。

赤東湖流域汛期排水的主要任務(wù)分別:湖區(qū)由赤東湖泵站(6×800kw)、夏坳泵站(2×800kw)共同承擔(dān);圩區(qū)八里湖農(nóng)場32.8平方公里來水面積的汛期排水任務(wù)由龍鳳寺泵站(3×630kw)單獨(dú)承擔(dān)。

(二)歷史上所形成的規(guī)劃治理方案

隨著時間的推移,人們對湖區(qū)治理的認(rèn)識不斷深化,同時客觀條件都在發(fā)生變化。因此,不同的時期都提有不同的規(guī)劃治理方案。先后提出了:⑴等高截流,自排出江方案。⑵湖區(qū)河流下段沿河筑堤,湖中做夾堤或單邊堤,將湖區(qū)來水?dāng)D排出江方案。⑶以電排為主、自排為輔的排水方案。⑷自排為主,電排為輔,等高截流的排水方案。⑸汛期電排確保圩區(qū)的排水方案等一系列治理方案。

自開始規(guī)劃籌建夏坳泵站時就提出“電排為主、自排為輔、電排增容、統(tǒng)一調(diào)度、先圩后湖、先分區(qū)管理、后統(tǒng)一管理”的方案。具體實(shí)施內(nèi)容包括四個方面。

1、電排增容,興建夏坳泵站:從整個湖圩區(qū)排水統(tǒng)一調(diào)度出發(fā),按現(xiàn)實(shí)的資料和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算整個湖區(qū)所需的電排流量(一級排水),從而定出所需增加的流量。為了更好地達(dá)到先圩后湖、分區(qū)管理的目的,此增加流量的電排站建于四十八圩靠蘄河邊的夏坳處。

2、治理雷溪河:雷溪河流經(jīng)蘄春縣城及糧倉四十八圩。由于河道彎曲,河床狹窄,遇暴雨期對該縣縣城及四十八圩造成極大威脅,是一個迫切需要解決的問題。鑒于實(shí)際情況,計劃在雷溪河經(jīng)過的縣城段,采取截彎取直,擴(kuò)寬河床,邊坡護(hù)砌的方法,擴(kuò)大該段過洪流量。在雷溪河下段采取加高培厚河堤的方法,確保四十八圩安全。

3、興建洪湖渡口隔堤及分洪閘:為分區(qū)管理打下基礎(chǔ)。它的興建將使洪頭湖與赤東湖分開,成為兩個調(diào)蓄區(qū)。從湖區(qū)排水科學(xué)管理的角度講,湖區(qū)排水應(yīng)該是統(tǒng)一調(diào)度指揮。這樣從總體上才能達(dá)到少花錢、高效益的目的。但是從實(shí)際情況看,這種辦法一時難以實(shí)行,即使是行政命令,也還是阻力重重,一遇到具體問題仍不能解決,反而使已有的電排裝機(jī)不能充分發(fā)揮作用。為此而提出分區(qū)管理的方法,即從整個排水規(guī)劃方案上是著眼于統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理的,只是在實(shí)施的步驟上采用先分區(qū)管理,后統(tǒng)一管理的辦法。計劃隔斷洪湖渡口,將赤東湖水系分為三個排水區(qū)(汛期),即八里湖排水區(qū)、三渡排水區(qū)、赤東排水區(qū)。八里湖排水區(qū)由龍鳳寺泵站提排,三渡排水區(qū)由夏坳、白池泵站等提排,赤東排水區(qū)由赤東湖泵站提排,從而形成各自的排水區(qū)分區(qū)管理。

4、逐步向統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度過渡,真正做到確保圩區(qū)安全、減輕湖區(qū)災(zāi)害、發(fā)揮工程效益、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會。

(三)現(xiàn)已形成的排水格局和調(diào)蓄情況

赤東湖流域是由赤東湖區(qū)、八里湖農(nóng)場、四十八圩圩區(qū)和周邊山區(qū)自然形成。赤東湖汛期排水的主要任務(wù)是由赤東湖泵站(6×800kw)承擔(dān)。八里湖農(nóng)場32.8平方公里的來水面積汛期排水任務(wù),由龍鳳寺泵站(3×630kw)單獨(dú)承擔(dān)。夏坳泵站(2×800kw)主要承擔(dān)四十八圩的排水任務(wù)。另外,四十八圩還有白池(4×155kw)和龔大圍(2×100kw)二個一級排水泵站。它們分別承擔(dān)各自然排區(qū)的排水任務(wù)。本著先圩后湖的原則,充分利用夏坳泵站所在四十八圩范圍內(nèi)僅有的45萬方港道調(diào)蓄能力。汛前靈活運(yùn)用農(nóng)場閘將一部分洪水排入湖區(qū),汛期利用夏坳泵站的搶排能力,確保四十八圩的安全渡汛。在此前提下,根據(jù)汛期來水情況,運(yùn)用農(nóng)場閘與湖區(qū)勾通,突擊搶排湖水,以減輕赤東湖泵站的排水壓力。

赤東湖流域內(nèi)由七條河流及沿湖丘陵湖叉和圩區(qū)構(gòu)成,其基本情況如下表:

表1

八里湖農(nóng)場32.8平方公里汛期來水由龍鳳寺泵站直接排入長江,故在上表中沒有計算在內(nèi)。赤東湖流域內(nèi),已建中小型水庫34座。其中,蘄春縣境內(nèi)20座,控制面積46.78平方公里,有效庫容3686.9萬方。武穴市境內(nèi)14座,控制面積28.54平方公里,有效庫容1613.0萬方。實(shí)際上能夠加以考慮的是那些每年汛期能保證遭遇十年一遇降雨而不發(fā)生溢洪的水庫。它們是蘄春縣的鷂鷹巖、黃河廠、陳云和武穴市的三八水庫。其控制來水總面積為41.85平方公里,有效庫容3782.7萬方。

赤東湖水位與面積、容積的關(guān)系如表2:

表2

赤東湖泵站自1976年建成投產(chǎn)以來,多年實(shí)際運(yùn)行的起排水位在18.5米左右,設(shè)計最高水位20.0米,允許最高運(yùn)行水位19.5米。此間調(diào)蓄湖容為2706.7萬方至4142.9萬方。

二、存在的問題

(一)排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的幾個問題

湖北省的除澇標(biāo)準(zhǔn)是10年一遇一日降雨三日排干,三日降雨五日排干。至于標(biāo)準(zhǔn)問題中應(yīng)該考慮以下幾個問題:

1、排澇標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)有設(shè)計與校核之分,10年一遇一日降雨三日排干設(shè)計,三日降雨五日排干校核,這樣的理解是否成立。

2、一日降雨是否指的是24小時降雨。

3、排澇標(biāo)準(zhǔn)中是否有湖區(qū)、圩區(qū)之分。

4、湖區(qū)的調(diào)蓄容積應(yīng)該如何確定。

5、是否還作長歷時降雨的計算。

就上述幾個問題,筆者認(rèn)為:蘄春縣赤東湖區(qū),有西河驛、牛皮坳兩個雨量測站的降雨資料可以借用。有了1日、24小時、3日、7日降雨標(biāo)準(zhǔn)之后,再通過具體實(shí)際情況所得的結(jié)果進(jìn)行分析。

下面就以一定來水面積的湖圍地區(qū),計算其排水流量之后再進(jìn)行討論。其降雨徑流系數(shù)α=0.65;不計算調(diào)蓄湖容積,泵站開機(jī)按每日運(yùn)行22小時計算。

1、計算同一頻率一日降雨三日排干流量為23.068秒立方。三日降雨五日排干流量為22.656秒立方,兩數(shù)較為接近,應(yīng)取23.068秒立方作為計算機(jī)組排澇流量的取值。由此可以這樣說:在某已定頻率以最大一日降雨三日排干設(shè)計,與三日降雨五日排干校核,其計算結(jié)果基本一致,沒有矛盾。從農(nóng)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,因降雨延續(xù)兩天,從而排干時間也隨之延長兩天所致。

2、計算10年一遇頻率24小時降雨三日排干流量為29.15秒立方,大于同頻率一日降雨三日排干的流量23.068秒立方,同時也大于頻率為20年一遇一日降雨三日排干流量26.84秒立方。回過頭來再看三日降雨五日排干中的含義,在連續(xù)最大三日降雨中考慮到24小時降雨寓于三日降雨之中。因此,筆者認(rèn)為,用24小時降雨三日排干設(shè)計是欠妥的。

3、水利部提出:提高易澇耕地的除澇標(biāo)準(zhǔn)。是否是將現(xiàn)在實(shí)行的10年一遇標(biāo)準(zhǔn)提高到20年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。同樣,計算某圍區(qū)的20年一遇標(biāo)準(zhǔn)的排水流量,一日降雨三日排干流量為26.84秒立方,三日降雨五日排干流量為26.878秒立方主。標(biāo)準(zhǔn)由10年一遇提高到20年一遇,其流量增值為16.5%左右。從西河驛水文站的33年資料中可以查到,10年一遇一日降雨為173.5毫米,而20年一遇一日降雨為160.2毫米,兩者差值為13.3毫米。這個增值并不大。因此,我認(rèn)為是可行的。

4、長歷時在排水流量的計算中,七日降雨九日排干的流量遠(yuǎn)小于一日降雨三日排干流量。這樣沒有必要再提長歷時降雨計算了,而湖區(qū)泵站運(yùn)行時間長。主要是預(yù)留調(diào)蓄湖容過大所致,沒有必要從排澇標(biāo)準(zhǔn)上做文章。

5、預(yù)留調(diào)蓄湖容,預(yù)留調(diào)蓄湖容不能太大,雨前運(yùn)行費(fèi)用太高。預(yù)留調(diào)蓄湖容亦不能過小,否則無搶排機(jī)會。最多雨前與雨中排水的時間相等,也就是說,預(yù)留調(diào)蓄湖容為設(shè)計(10年一遇一日降雨)總來水量的一半以下。赤東湖的來水面積扣除四十八圩、八里湖農(nóng)場的來水面積之后,實(shí)有來水面積為458.74平方公里,10年一遇一日降雨的來水量為4105.95萬方。按總來水量的50%來確定調(diào)蓄湖容為2052.975萬方,小于內(nèi)湖起排水位(18.5m)與允許最高水位(19.5m)之間的湖容(2706.7萬方)?，F(xiàn)在設(shè)計的預(yù)留調(diào)蓄湖容是按計算來水總量1/2的調(diào)蓄湖容的65.92%,按理講還是偏大。

(二)排澇調(diào)度運(yùn)行中的幾個問題

從歷年實(shí)際運(yùn)行情況看:1976～1981年間,除1978、1981兩年未運(yùn)行外,四年的起排水位在17.94m～18.55m之間,也即是在18.55m以下。在這個水位區(qū)間起排,6年發(fā)生的最高內(nèi)湖水位是19.56m(77.5.15)。1982～1986年間,1985、1986、1994年三年未開機(jī),各年起排水位有明顯提高趨勢,且無一定的起排水位標(biāo)準(zhǔn),起排水位的機(jī)動性過大,在18.24m～20.09m之間。最高內(nèi)湖水位達(dá)20.55m(83.7.8),最高水位持續(xù)時間為14天(水位在20.00m以上)。1987～1992年間,起排水位在18.24m～18.84m之間,基本控制在19.00m以下,發(fā)生的最高水位為20.50m(91.7.14),最高水位持續(xù)時間僅4天(水位在20.00m以上)。1993～1996年間,起排水位在18.99m～19.95m之間,基本在19.00m以上,發(fā)生的最高水位為20.91m(96.7.22),最高水位持續(xù)時間達(dá)15天(水位在20.00m以上)。1982年以后15年三個階段產(chǎn)生三個高水位,原因與起排水位偏高和天氣形勢預(yù)測、調(diào)度運(yùn)用有直接關(guān)系。

從歷年實(shí)際運(yùn)行情況分析,泵站的調(diào)度運(yùn)用主要存在:

1、起排水位偏高,預(yù)留調(diào)蓄湖容太小,致使搶排能力大大減弱,遇有強(qiáng)度較大的連續(xù)降雨就沒有喘息機(jī)會,最終使湖水位不斷上漲。

2、預(yù)測天氣形勢能力缺乏,帶來起排時機(jī)、開機(jī)運(yùn)行時間長短把握不好,造成要不浪費(fèi)能源和財力,要不就形成災(zāi)害造成損失。

3、調(diào)度機(jī)構(gòu)不健全,沒有專門負(fù)責(zé)泵站調(diào)度運(yùn)用的科學(xué)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

三、對策與措施

為使泵站的調(diào)度運(yùn)用既具科學(xué)性又緊密地結(jié)合實(shí)際,更好地發(fā)揮泵站的社會效益,達(dá)到抗災(zāi)減災(zāi)的目的,提出如下對策:

(一)推求合理的湖區(qū)暴雨匯流規(guī)律

赤東湖區(qū)10年一遇三日暴雨為285mm,暴雨點(diǎn)面系數(shù)0.818,暴雨徑流系數(shù)0.65,設(shè)計凈雨深R=285×0.818×0.65=151.5mm,湖區(qū)來水面積F=520km2。參考有關(guān)文獻(xiàn)資料及經(jīng)驗(yàn),洪水要素計算如下:

1.匯流速度:

2.河道長度:

3.流域匯流時間:

4.產(chǎn)流歷時:

5.洪峰滯時:

6.洪峰流量:

7.徑流總量:

從計算看,赤東湖區(qū)洪水的匯流歷時為129.9h,即暴雨從產(chǎn)流開始到匯流結(jié)束的時間約5.5d。按湖區(qū)排澇泵站現(xiàn)有裝機(jī)(赤東湖6×8+夏坳2×8)流量Q裝=64m3/s,湖區(qū)調(diào)蓄水量為6480.4萬方(其中上游水庫的調(diào)蓄為3782.7萬方),扣除水庫調(diào)蓄水量后,泵站開機(jī)歷時為177.75h,即約8d排干?？紤]暴雨匯流時間后,排干時間未超過三天。

借鑒資料、經(jīng)驗(yàn)及結(jié)合上述計算和赤東湖區(qū)的實(shí)際情況,總結(jié)匯流情況有如下四個方面。

1、當(dāng)暴雨匯流量等于提排流量時,湖水位保持不變。

2、當(dāng)暴雨匯流量大于提排流量時,泵站滿載運(yùn)行,湖水位上漲。泵站搶排與水庫、河湖調(diào)蓄削峰聯(lián)合運(yùn)用,共同消化洪峰流量。這就是平時觀察到的泵站滿載運(yùn)行而湖水位還繼續(xù)上漲的原因所在。

3、削峰流量在匯流量等于提排流量時,這時的河湖水位為次暴雨徑流的最高水位。所以,河湖最高水位發(fā)生時,并不是洪峰流量最大的時候,而是削峰調(diào)蓄流量正好結(jié)束。

4、最大洪峰流量發(fā)生與湖內(nèi)最高洪水位發(fā)生的間隔時間,是隨暴雨量和排澇流量的大小而變化的。最大洪峰流量在前,湖內(nèi)最高洪水位在后,這是平原湖區(qū)有人工控制的暴雨匯流規(guī)律。

(二)解決好湖區(qū)種植、養(yǎng)殖蓄水和增加調(diào)蓄湖容的矛盾

赤東湖區(qū)泵站排澇水位,在治理規(guī)劃和泵站設(shè)計中,是根據(jù)當(dāng)時的歷史和湖區(qū)現(xiàn)狀確定的,汛前控制水位16.5m,汛期最高限制水位18.5m。原設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇一日暴雨173.5mm十天排干。但自上世紀(jì)80年代以來,沿湖各圍區(qū)加堤筑壩,退田還湖,引起湖容曲線有所變化,加之沿湖低層農(nóng)田基本還湖,20.00m高程以下基本沒有種植農(nóng)田,或即使有農(nóng)田也可以靠加高的圍堤,抵御洪水,不致受災(zāi)。還有因沿湖農(nóng)田和漁場的種植、養(yǎng)殖需要一定蓄水,甚至遇干旱年份還打開牛皮坳閘倒引長江水入湖確保種養(yǎng)需要。故此,湖區(qū)泵站起排水位有逐年提高的趨勢,而因湖區(qū)的泵站、涵閘調(diào)度運(yùn)用不太合理,且缺乏科學(xué)性,致使時有災(zāi)情發(fā)生,并表現(xiàn)出湖區(qū)調(diào)蓄能力過弱。為解決這一矛盾,本人認(rèn)為應(yīng)從以下幾個方面著手考慮。

1、起排水位確定為18.50m,汛期最高限制水位確定在20.00m?？紤]到節(jié)約與效益并舉的原則,如遇干旱年份,或在一個時期內(nèi)沒有降雨的情況下,起排水位可以適當(dāng)放寬到19.00m,但到19.00m水位時一定要起排！若充分肯定近一個時期內(nèi)確無集中降雨過程則除外。根據(jù)歷史資料,以1996年7月、8月的兩次降雨為例:一次時段降雨137.7mm,用13日排干。一次時段降雨222.0mm,需23天排干(據(jù)1996年赤東湖泵站實(shí)際運(yùn)行記載資料綜合分析而得)。通過上述實(shí)際資料分析,可知,赤東湖泵站每天排水能力僅能排干約10mm降雨的來水量。而由泵站每日運(yùn)行排澇水量為507萬方(按單機(jī)流量8.0m3/s,6臺機(jī)組每日運(yùn)行22小時計算),即可反過來推算出每10mm降雨所形成的湖容約為507萬方。根據(jù)湖容曲線可得:赤東湖18.50m～20.00m的湖容為4142.9萬方。所以,赤東湖在18.50m～20.00m高程能調(diào)蓄的降雨為(4142.9÷507)×10=81.7mm。赤東湖19.00m～20.00m的湖容為3559萬方,所以赤東湖在19.00m～20.00m高程能調(diào)蓄的降雨為(3559÷507)×10=70.2mm。 那么,在這兩個不同水位起排且保證湖區(qū)不出現(xiàn)災(zāi)情(20.0m高程以下)的情況下,包括湖區(qū)調(diào)蓄和機(jī)組運(yùn)行排水,10天抗雨分別可達(dá)到181.7mm和170.2mm。按原設(shè)計為10年一遇一日暴雨173.5mm10天排干的排澇標(biāo)準(zhǔn),是基本沒有問題。如果按10年一遇一日降雨3天排干的標(biāo)準(zhǔn)來分析,考慮暴雨匯流時間的同時機(jī)組同步排水加上可調(diào)蓄的湖容約可抗雨136.7mm(18.50m起排),扣除作物耐淹深0.17m,完全在3天之內(nèi)可排至作物耐淹深以下。

2、排空調(diào)蓄湖容。每次開機(jī)排水必須使湖水位降到18.50m以下才可停機(jī)。

3、預(yù)測天氣形勢。這一點(diǎn)是兼顧節(jié)約與效益并舉的重點(diǎn)。確定是18.50m起排還是19.00m起排;開閘自排還是關(guān)閘蓄水?預(yù)測是關(guān)鍵！

4、對泵站的運(yùn)行調(diào)度應(yīng)由專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé),對包括湖區(qū)的泵站和排水涵閘(牛皮坳閘、農(nóng)場閘、金牛洞底閘、金牛洞節(jié)制閘等),結(jié)合降雨和水位情況,進(jìn)行資料集中、分析預(yù)測、綜合調(diào)度、合理運(yùn)用。

泵站的運(yùn)行調(diào)度是一項(xiàng)涉及情況復(fù)雜而范圍廣的系統(tǒng)工程。要切合實(shí)際科學(xué)運(yùn)用,在實(shí)際操作過程中要克服泵站運(yùn)行調(diào)度的隨意性,提高湖區(qū)泵站運(yùn)行綜合調(diào)度的科學(xué)性。從而更進(jìn)一步提高排澇工程的抗災(zāi)能力,充分發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

[1]湖北省水利勘測設(shè)計院.大型電力排灌站[M].北京:水利電力出版社,1984.

[2]湖北省水利廳農(nóng)水處.電力排灌泵站經(jīng)營管理[M].武漢.武漢測繪科技大學(xué)出版社,1993.

[3]嚴(yán)登豐.泵站工程[M].北京.中國水利水電出版社.2005.

[4]SL 255-2000.泵站技術(shù)管理規(guī)程[Z].