基于Matlab的展茅流域圩區(qū)防洪排澇分析

羅煒華,潘柏仁,何曉鋒,胡建平

(1.富陽市水利水電局,浙江 富陽 311400;2.富陽市湖源鄉(xiāng)人民政府,浙江 富陽 311425;3.杭州市水利設(shè)施監(jiān)管中心,浙江 杭州 310016;4.浙江水利水電專科學(xué)校,浙江 杭州 310018)

1 圩區(qū)概況

展茅街道位于舟山本島東北部,街道辦事處位置是北緯30°3′24″,東徑122°16′13″,距普陀區(qū)政府所在地沈家門8 km.展茅小流域在展茅街道境內(nèi).本流域?qū)俦眮啛釒暇壓Ｑ笮图撅L(fēng)氣候,具有四季分明,冬暖夏涼,光照充足,夏、秋季節(jié)受熱帶風(fēng)暴(臺風(fēng))影響頻繁等特征.多年平均氣溫 16.1℃,多年平均降水量1259.4 mm.

展茅流域?qū)俸u丘陵區(qū),地勢南高北低,東西南三面環(huán)山,北面臨海.其中部和北部為海積平原.展茅流域的水系主要由大展河、茅洋河、螺門河、上潘孫河及一些支流(溪溝)組成.主河道大展河長約7.15 km,發(fā)源于田公岙南風(fēng)尖山,至張家村為上游段,長約2.8 km,河道斷面成V形,縱坡約2%～5%,河道寬度6～10 m;僅雨季有水,屬山溪河流.此段具有坡降大、水流急、洪量小、季節(jié)變化大等特點(diǎn).

自張家村至大門山嘴為中游段,長約2 km,其中有上潘孫河、大使岙溪匯入,此段坡度變緩,縱坡約0.3%左右,河道兩岸砌石護(hù)岸,河道斷面為矩形,深2.0 m左右,寬6～15 m.該段河道具有水流較急、受下游水頂托和降水影響,水位變化較大.

大門山嘴以下為下游段,長約2.3 km,此段為典型的平原河網(wǎng),河道寬度12～25 m,河底高程-0.5～0.5.主流與一些人工溝渠縱橫交叉,在靠近二線海塘處分為兩支,分別經(jīng)螺門閘和長峙山水閘出海.

下游段河道比降為0.05%左右,經(jīng)中塘閘和螺門閘控制一般常年有水,水位變化較小,水流緩慢.平時(shí)用節(jié)制閘控制淡水入海,水流基本為靜止水狀態(tài).

茅洋河發(fā)源于黃楊尖山北麓,全長約3.2 km.河道斷面為梯形土堤,河寬10～15m左右,底高程0.0～1.0.有吳家溪、廟后王溪、路下徐溪支流匯入,始向東北流后折向北.原在洪家山嘴附近茅洋閘入海.1990年后,由于圍筑海塘等原因,茅洋閘入海通道逐漸廢棄.改流向東南,經(jīng)橫河匯入大展河,成為大展河的一條最大支流.

流域內(nèi)平原地區(qū)河網(wǎng)較為發(fā)達(dá),渠溝縱橫交錯,具有排蓄兼容功能,河道總長約21 km,平均寬度15 m左右,河道總蓄水容積約68萬m3,正常蓄水容積約50萬m3.

該流域雨量充沛,特別是臺風(fēng)降雨時(shí),上游山地縱坡大,因河短流急,水位暴漲暴落,容易形成山洪而沖毀房屋、橋梁、道路,造成人員傷亡等;下游河道縱坡平緩,受海潮頂托,排水不暢,低洼地區(qū)的耕地、民房、工業(yè)企業(yè)容易被淹,易造成一定的國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)損失.展茅鎮(zhèn)水系圖見圖1.

圖1 展茅鎮(zhèn)水利工程現(xiàn)狀圖

2 流域防洪排澇演算

2.1 防洪排澇計(jì)算方法

展茅流域下游河網(wǎng)較為發(fā)達(dá),河道滯洪能力較強(qiáng).因此,本次防洪排澇驗(yàn)算采用組合外海潮位的圩區(qū)排澇水文模擬法[1-3].基本計(jì)算公式如下:

式中 :t1、t2— 計(jì)算時(shí)刻,s;

Δt=t2-t1,選定的計(jì)算時(shí)段長,s;

Wt1、Wt2— 時(shí)刻 t1、t2對應(yīng)累積洪量,萬 m3;

ΔWt=Wt2-Wt1,即 t2到 t1時(shí)間內(nèi)的來洪量,m3/s;

Qt1、Qt2—時(shí)刻 t1、t2對應(yīng)的水閘排水量,m3/s;

ΔW—從t1到t2時(shí)間內(nèi)河網(wǎng)蓄水變化量,萬m3.

具體計(jì)算過程如下:

(1)按洪水與潮位不利組合選定起調(diào)點(diǎn),即確定內(nèi)河水位Bt1、外海潮位Ht1、內(nèi)河蓄水量W1和過閘流量Qt1;

(2)選定計(jì)算時(shí)段長Δt,t2=t1+Δt;

(3)假定Bt2,并由潮位曲線查得Ht2,由水閘流量公式算得過閘流量Qt2;

(4)按上式算得±ΔW,并算得內(nèi)河蓄水量W2=W1±ΔW;

(5)由W2查河網(wǎng)水位容積曲線得B′t2;

(6)若計(jì)算時(shí)假定的Bt2≠B′t2,重復(fù)上述b到e計(jì)算過程,直至兩者相等,算畢此時(shí)段,進(jìn)入下一時(shí)段的計(jì)算.按此逐一計(jì)算各時(shí)段,使內(nèi)河水位回到起調(diào)水位,全部計(jì)算完成;

(7)上述計(jì)算中,當(dāng)Ht1≥Bt2時(shí)關(guān)閉水閘,反之開閘排水.

計(jì)算過程中,根據(jù)河道斷面勘測基本資料,將主河道按矩形斷面計(jì)算確定河道的水位容積曲線.

2.2 設(shè)計(jì)潮型與潮位選擇

2.2.1 排澇設(shè)計(jì)潮型

展茅流域內(nèi)無實(shí)測潮位資料,而定海潮位站有長系列的實(shí)測資料.考慮本流域距定海潮位站較近,本文直接采用(套用)定海潮位站資料,以潮型與洪水不利組合為原則,影響排澇的控制要素主要是高潮位及其持續(xù)時(shí)間.由于當(dāng)?shù)剌^大暴雨多發(fā)生在臺汛期.因此,以多年平均最高潮位相近的實(shí)測潮型作為設(shè)計(jì)潮型.

定海站1976-2002年實(shí)測歷史最高潮位3.14 m,27年的多年平均最高潮位2.39 m,通過實(shí)測潮位資料的分析,選擇1979年8月22～25日實(shí)測潮位過程為本次驗(yàn)算潮位過程線.設(shè)計(jì)潮型的平均潮位0.69 m,最高潮位2.38 m,實(shí)測潮過程見圖2.

2.2.2 排澇設(shè)計(jì)潮位

對定海潮位站1976-1997年實(shí)測資料用PⅢ曲線適線,得出不同頻率的設(shè)計(jì)潮位與《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》給定的十分接近.本規(guī)劃的排澇設(shè)計(jì)潮位,采用《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》值,100年一遇的設(shè)計(jì)高潮位為3.39 m.

按定海潮位站1976-1997年實(shí)測資料,進(jìn)行不同頻率分析得出的設(shè)計(jì)高潮位和《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》給定的設(shè)計(jì)高潮位,見表1.3日(22～24日)72小時(shí)潮位,見圖2.

表1 不同頻率設(shè)計(jì)潮位表 m

圖2 設(shè)計(jì)潮型實(shí)測潮位過程(潮位值為1985國家高程基準(zhǔn))

2.3 排水閘(出口)情況

目前,展茅流域的主要排水出口有兩個,一是利用螺門閘泄水入海,二是利用長峙山水閘排放入海.而長峙山海塘西端排水閘(1孔),由于其渠道廢棄,僅能排泄魷魚市場的少量積水.各排水水閘的特征參數(shù)見表2.

表2 水閘基本情況一覽表

2.4 基于Matlab防洪排澇計(jì)算的實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)洪水過程線、設(shè)計(jì)潮位過程線、河道水位容積曲線,對現(xiàn)狀和規(guī)劃狀況下長峙山閘和螺門閘出海排水情況進(jìn)行排澇演算.選起調(diào)水位0.13 m,起調(diào)潮位-0.29 m(潮位曲線中23日6時(shí),即第30小時(shí)),根據(jù)圩區(qū)排澇水文模擬法使用數(shù)學(xué)軟件[4-5]Matlab編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算,只調(diào)用簡單源程序(由于篇幅問題,這里不詳細(xì)敘述).程序計(jì)算步驟:①河道容積數(shù)據(jù)、排澇設(shè)計(jì)潮位數(shù)據(jù)、水閘基本情況等;②用polyiit(x,S,2)擬和各函數(shù);③按照圩區(qū)排澇水文模擬法基本公式編寫程序;④導(dǎo)出數(shù)據(jù).得到防洪排澇驗(yàn)算成果見表3、表 4.

表3 現(xiàn)狀情況下20年一遇防洪排澇驗(yàn)算成果表

由表3可見,現(xiàn)狀河道和出海水閘條件下,遇20年一遇的洪水情況下,閘前河道最高位達(dá)3.21 m,已大大超過不受淹的控制水位1.80 m.在現(xiàn)狀情況下,河道兩岸農(nóng)田及部分居民區(qū)、工業(yè)區(qū),已經(jīng)被洪水淹沒.

針對現(xiàn)狀防洪排澇計(jì)算的結(jié)果,擬定工程規(guī)劃.長峙山至螺門碼頭海塘建成后,螺門閘出?？谘卦Ｍ坑野缎藿ǔ鏊?并沿原右側(cè)海塘方向直線通到新建標(biāo)準(zhǔn)海塘,在于海塘相交處建排水擋潮閘(凈寬10 m).規(guī)劃閘底板高程為-1.0,排水流量大于螺門閘.因此,需擴(kuò)建螺門閘到25 m或重建螺門閘(降低閘底板高程至-0.8,凈寬18 m),使其泄流量與新建水閘配套.

新建河道采用梯形斷面,渠底高程-1～-0.8 m;底寬15 m,兩岸邊坡1∶2.5(土坡),渠深約3～3.5 m,長約1300 m(自螺門閘).

表4 規(guī)劃方案20年一遇防洪排澇驗(yàn)算成果表

由表4可見,通過基本可以保障20年一遇的降雨,基本不產(chǎn)生淹沒,魷魚市場、螺門閘上游左岸居民區(qū)等低洼區(qū)域相對安全;但遇20年一遇的洪水時(shí),一些低洼地區(qū)仍會造成洪水災(zāi)害,必須進(jìn)一步采取排洪蓄洪等工程措施.

3 結(jié)論和建議

(1)本防洪排澇驗(yàn)算,是在外潮水位較低時(shí)進(jìn)行試算,此種算法受洪水過程、潮位過程、洪水總量等條件約束.因此,應(yīng)加強(qiáng)水閘的安全管理,及時(shí)了解天氣變化的動態(tài)、對內(nèi)河水位和潮水位實(shí)施監(jiān)控等措施,以進(jìn)一步增強(qiáng)防洪排澇的有效性.

(2)針對目前圩區(qū)治澇工程建設(shè)較為薄弱的現(xiàn)狀,應(yīng)加快圩區(qū)治澇規(guī)劃的前期工作,合理劃分排水區(qū),高水高排,采取”排、滯、蓄、截”相結(jié)合的有效治理措施,建立完整的排水系統(tǒng),擴(kuò)大排水出路.同時(shí)針對設(shè)計(jì)排澇模計(jì)算結(jié)果比以往計(jì)算結(jié)果提高的趨勢,做到排灌系統(tǒng)分開,以進(jìn)一步降低溝塘預(yù)降水深,達(dá)到減小排澇模、從而減小泵站裝機(jī)的目的.

(3)Matlab軟件提供了三次樣條函數(shù)擬合、plot函數(shù)繪制、二元有序點(diǎn)和散亂點(diǎn)上的插值、指定次數(shù)和不定次數(shù)重復(fù)循環(huán)語句等工具,使用Matlab進(jìn)行圩區(qū)防洪排澇計(jì)算過程簡單,結(jié)果明確,可供設(shè)計(jì)、施工參考.

[1]魏永霞 王麗學(xué).工程水文學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2]余鐘波.流域分布式水文學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[3]王 燕.安徽省沿江圩區(qū)農(nóng)田排澇模計(jì)算[J].水利經(jīng)濟(jì),2007(7):40-45.

[4]陽明盛,熊西文,林建華.MATLAB基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)軟件[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2006.

[5]周建康,朱春龍,羅國平.太湖流域小圩區(qū)設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算[J].中國給水排水,2004(12):64-66.