基于Matlab的展茅流域圩区防洪排涝分析

罗炜华,潘柏仁,何晓锋,胡建平

(1.富阳市水利水电局,浙江 富阳 311400;2.富阳市湖源乡人民政府,浙江 富阳 311425;3.杭州市水利设施监管中心,浙江 杭州 310016;4.浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

1 圩区概况

展茅街道位于舟山本岛东北部,街道办事处位置是北纬30°3′24″,东径122°16′13″,距普陀区政府所在地沈家门8 km.展茅小流域在展茅街道境内.本流域属北亚热带南缘海洋型季风气候,具有四季分明,冬暖夏凉,光照充足,夏、秋季节受热带风暴(台风)影响频繁等特征.多年平均气温 16.1℃,多年平均降水量1259.4 mm.

展茅流域属海岛丘陵区,地势南高北低,东西南三面环山,北面临海.其中部和北部为海积平原.展茅流域的水系主要由大展河、茅洋河、螺门河、上潘孙河及一些支流(溪沟)组成.主河道大展河长约7.15 km,发源于田公岙南风尖山,至张家村为上游段,长约2.8 km,河道断面成V形,纵坡约2%～5%,河道宽度6～10 m;仅雨季有水,属山溪河流.此段具有坡降大、水流急、洪量小、季节变化大等特点.

自张家村至大门山嘴为中游段,长约2 km,其中有上潘孙河、大使岙溪汇入,此段坡度变缓,纵坡约0.3%左右,河道两岸砌石护岸,河道断面为矩形,深2.0 m左右,宽6～15 m.该段河道具有水流较急、受下游水顶托和降水影响,水位变化较大.

大门山嘴以下为下游段,长约2.3 km,此段为典型的平原河网,河道宽度12～25 m,河底高程-0.5～0.5.主流与一些人工沟渠纵横交叉,在靠近二线海塘处分为两支,分别经螺门闸和长峙山水闸出海.

下游段河道比降为0.05%左右,经中塘闸和螺门闸控制一般常年有水,水位变化较小,水流缓慢.平时用节制闸控制淡水入海,水流基本为静止水状态.

茅洋河发源于黄杨尖山北麓,全长约3.2 km.河道断面为梯形土堤,河宽10～15m左右,底高程0.0～1.0.有吴家溪、庙后王溪、路下徐溪支流汇入,始向东北流后折向北.原在洪家山嘴附近茅洋闸入海.1990年后,由于围筑海塘等原因,茅洋闸入海通道逐渐废弃.改流向东南,经横河汇入大展河,成为大展河的一条最大支流.

流域内平原地区河网较为发达,渠沟纵横交错,具有排蓄兼容功能,河道总长约21 km,平均宽度15 m左右,河道总蓄水容积约68万m3,正常蓄水容积约50万m3.

该流域雨量充沛,特别是台风降雨时,上游山地纵坡大,因河短流急,水位暴涨暴落,容易形成山洪而冲毁房屋、桥梁、道路,造成人员伤亡等;下游河道纵坡平缓,受海潮顶托,排水不畅,低洼地区的耕地、民房、工业企业容易被淹,易造成一定的国民经济和人民生命财产损失.展茅镇水系图见图1.

图1 展茅镇水利工程现状图

2 流域防洪排涝演算

2.1 防洪排涝计算方法

展茅流域下游河网较为发达,河道滞洪能力较强.因此,本次防洪排涝验算采用组合外海潮位的圩区排涝水文模拟法[1-3].基本计算公式如下:

式中 :t1、t2— 计算时刻,s;

Δt=t2-t1,选定的计算时段长,s;

Wt1、Wt2— 时刻 t1、t2对应累积洪量,万 m3;

ΔWt=Wt2-Wt1,即 t2到 t1时间内的来洪量,m3/s;

Qt1、Qt2—时刻 t1、t2对应的水闸排水量,m3/s;

ΔW—从t1到t2时间内河网蓄水变化量,万m3.

具体计算过程如下:

(1)按洪水与潮位不利组合选定起调点,即确定内河水位Bt1、外海潮位Ht1、内河蓄水量W1和过闸流量Qt1;

(2)选定计算时段长Δt,t2=t1+Δt;

(3)假定Bt2,并由潮位曲线查得Ht2,由水闸流量公式算得过闸流量Qt2;

(4)按上式算得±ΔW,并算得内河蓄水量W2=W1±ΔW;

(5)由W2查河网水位容积曲线得B′t2;

(6)若计算时假定的Bt2≠B′t2,重复上述b到e计算过程,直至两者相等,算毕此时段,进入下一时段的计算.按此逐一计算各时段,使内河水位回到起调水位,全部计算完成;

(7)上述计算中,当Ht1≥Bt2时关闭水闸,反之开闸排水.

计算过程中,根据河道断面勘测基本资料,将主河道按矩形断面计算确定河道的水位容积曲线.

2.2 设计潮型与潮位选择

2.2.1 排涝设计潮型

展茅流域内无实测潮位资料,而定海潮位站有长系列的实测资料.考虑本流域距定海潮位站较近,本文直接采用(套用)定海潮位站资料,以潮型与洪水不利组合为原则,影响排涝的控制要素主要是高潮位及其持续时间.由于当地较大暴雨多发生在台汛期.因此,以多年平均最高潮位相近的实测潮型作为设计潮型.

定海站1976-2002年实测历史最高潮位3.14 m,27年的多年平均最高潮位2.39 m,通过实测潮位资料的分析,选择1979年8月22～25日实测潮位过程为本次验算潮位过程线.设计潮型的平均潮位0.69 m,最高潮位2.38 m,实测潮过程见图2.

2.2.2 排涝设计潮位

对定海潮位站1976-1997年实测资料用PⅢ曲线适线,得出不同频率的设计潮位与《浙江省海塘工程技术规定》给定的十分接近.本规划的排涝设计潮位,采用《浙江省海塘工程技术规定》值,100年一遇的设计高潮位为3.39 m.

按定海潮位站1976-1997年实测资料,进行不同频率分析得出的设计高潮位和《浙江省海塘工程技术规定》给定的设计高潮位,见表1.3日(22～24日)72小时潮位,见图2.

表1 不同频率设计潮位表 m

图2 设计潮型实测潮位过程(潮位值为1985国家高程基准)

2.3 排水闸(出口)情况

目前,展茅流域的主要排水出口有两个,一是利用螺门闸泄水入海,二是利用长峙山水闸排放入海.而长峙山海塘西端排水闸(1孔),由于其渠道废弃,仅能排泄鱿鱼市场的少量积水.各排水水闸的特征参数见表2.

表2 水闸基本情况一览表

2.4 基于Matlab防洪排涝计算的实现及结果分析

根据上述设计洪水过程线、设计潮位过程线、河道水位容积曲线,对现状和规划状况下长峙山闸和螺门闸出海排水情况进行排涝演算.选起调水位0.13 m,起调潮位-0.29 m(潮位曲线中23日6时,即第30小时),根据圩区排涝水文模拟法使用数学软件[4-5]Matlab编程实现计算,只调用简单源程序(由于篇幅问题,这里不详细叙述).程序计算步骤:①河道容积数据、排涝设计潮位数据、水闸基本情况等;②用polyiit(x,S,2)拟和各函数;③按照圩区排涝水文模拟法基本公式编写程序;④导出数据.得到防洪排涝验算成果见表3、表 4.

表3 现状情况下20年一遇防洪排涝验算成果表

由表3可见,现状河道和出海水闸条件下,遇20年一遇的洪水情况下,闸前河道最高位达3.21 m,已大大超过不受淹的控制水位1.80 m.在现状情况下,河道两岸农田及部分居民区、工业区,已经被洪水淹没.

针对现状防洪排涝计算的结果,拟定工程规划.长峙山至螺门码头海塘建成后,螺门闸出海口沿原海涂右岸修建出水渠道,并沿原右侧海塘方向直线通到新建标准海塘,在于海塘相交处建排水挡潮闸(净宽10 m).规划闸底板高程为-1.0,排水流量大于螺门闸.因此,需扩建螺门闸到25 m或重建螺门闸(降低闸底板高程至-0.8,净宽18 m),使其泄流量与新建水闸配套.

新建河道采用梯形断面,渠底高程-1～-0.8 m;底宽15 m,两岸边坡1∶2.5(土坡),渠深约3～3.5 m,长约1300 m(自螺门闸).

表4 规划方案20年一遇防洪排涝验算成果表

由表4可见,通过基本可以保障20年一遇的降雨,基本不产生淹没,鱿鱼市场、螺门闸上游左岸居民区等低洼区域相对安全;但遇20年一遇的洪水时,一些低洼地区仍会造成洪水灾害,必须进一步采取排洪蓄洪等工程措施.

3 结论和建议

(1)本防洪排涝验算,是在外潮水位较低时进行试算,此种算法受洪水过程、潮位过程、洪水总量等条件约束.因此,应加强水闸的安全管理,及时了解天气变化的动态、对内河水位和潮水位实施监控等措施,以进一步增强防洪排涝的有效性.

(2)针对目前圩区治涝工程建设较为薄弱的现状,应加快圩区治涝规划的前期工作,合理划分排水区,高水高排,采取”排、滞、蓄、截”相结合的有效治理措施,建立完整的排水系统,扩大排水出路.同时针对设计排涝模计算结果比以往计算结果提高的趋势,做到排灌系统分开,以进一步降低沟塘预降水深,达到减小排涝模、从而减小泵站装机的目的.

(3)Matlab软件提供了三次样条函数拟合、plot函数绘制、二元有序点和散乱点上的插值、指定次数和不定次数重复循环语句等工具,使用Matlab进行圩区防洪排涝计算过程简单,结果明确,可供设计、施工参考.

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