武穴市武黃湖泵站排澇流量計算分析

陳暉 周志雄

湖北武穴市水利和湖泊局 湖北 武穴 435400

1 工程簡介

武黃湖泵站位于湖北省武穴市龍坪鎮(zhèn)長江左岸龍坪閘附近，泵站保護對象為武穴市龍坪鎮(zhèn)和萬丈湖農(nóng)場共6萬人口，治澇面積72.8km2，受益耕地面積56.4km2。本文結(jié)合項目保護區(qū)經(jīng)濟狀況、水文數(shù)據(jù)等，計算出泵站設(shè)計排澇能力，從而為泵站的裝機容量奠定理論基礎(chǔ)。

2 工程建設(shè)意義

2.1 工程區(qū)域排澇現(xiàn)狀

項目區(qū)地處亞熱帶大陸性季風濕潤氣候區(qū)，位于長江中游左岸平原湖區(qū)，武穴市東南部，每年夏季降雨量大且持續(xù)時間長。排區(qū)范圍東抵太白湖與武穴市黃梅縣邊界，南臨長江，西至百米港、北以官橋大港為界，是一塊由長江干堤、百米港圩堤、官橋大港圩堤、太白湖圩堤包圍而成的區(qū)域，走向近東西向，面積約72.8km2。區(qū)內(nèi)土地大部分由湖泊圍墾而來，地勢低平，塘堰密布，溝港縱橫，地表高程在15～20m之間，局部地區(qū)低于15m，澇水全靠港渠自排，主要排澇港道為農(nóng)場港和新港。

農(nóng)場港長約19km，寬30～35m，位于項目區(qū)中央，自西向東貫穿整個項目區(qū)，西起武山湖，東至太白湖，并通過若干支渠連通官橋大港，起著灌溉與排水的雙重作用。項目去受河堤、湖堤與自然分水嶺等微地貌的約束，以及各級電排站的人為控制，汛期區(qū)內(nèi)降水主要匯入農(nóng)場港。農(nóng)場港將澇水排入官橋大港與太白湖，由于汛期太白湖水位較高，易對上游河港形成頂托，影響官橋大港和農(nóng)場港的排澇效果，從而易在區(qū)內(nèi)引發(fā)洪澇災害。

新港是在農(nóng)場港中游連接農(nóng)場港和官橋大港的一條港道，長2.2km，寬60～70m，水流可雙向流動，依官橋大港和農(nóng)場港的水位高低而定，用于灌溉與排澇。

項目區(qū)范圍內(nèi)有龍坪鎮(zhèn)和萬丈湖農(nóng)場兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝诩s6萬人。該區(qū)域為武穴市重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，耕地面積約56.4km2，絕大多數(shù)為水田。灌溉水源除大氣降水外，還從北部的官橋大港和南部的長江引水。區(qū)內(nèi)主要作物有水稻、小麥、棉花等，是武穴市主要糧食與農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地之一。

2.2 工程區(qū)域排澇存在的問題

2.2.1 區(qū)域內(nèi)港道由于建設(shè)年限久遠，存在著防洪標準較低，堤頂欠高，堤身單薄，港道淤積、阻塞、岸坡坍塌嚴重，港道渠系構(gòu)筑物不配套等各種問題，導致排澇能力十分有限。遇到大汛大澇的年份，排水不暢，極易引發(fā)洪澇災害，澇水排出困難，嚴重威脅當?shù)厝嗣袢罕姷纳敭a(chǎn)安全[1]。比如，當太白湖水位達到16.8m時，農(nóng)場港下游節(jié)制閘就需要關(guān)閉，擋住太白湖的高水位，平均每年關(guān)閘時間5-7日，關(guān)閘期間項目區(qū)面臨巨大的內(nèi)澇威脅。特別是2016年入汛以來，武穴市連續(xù)遭遇四輪暴雨襲擊，下游太白湖水位高漲，農(nóng)場港澇水無法外排，部分堤段水位超過堤頂1m，同時上游洪水不斷來襲，最終導致洪水滿溢、泛濫，造成巨大的經(jīng)濟損失。

2.2.2 港道過流能力不足。龍坪港為新建泵站進水港，當前龍坪港港道斷面過小，港底寬度在4～6m，北段僅3～5m寬，邊坡系數(shù)在2.0～2.5，加之港道淤積嚴重，水葫蘆瘋長，無法滿足泵站運行的過流要求，須加寬、清淤和護砌處理。

2.2.3 配套水閘過流能力不足。當前項目區(qū)港道上水閘過多，使用效率低下，且閘孔尺寸過小，汛期產(chǎn)生較大壅水，降低港道的過流能力，影響排澇效果。此外，農(nóng)場港上的西橋、朝陽橋、磚瓦廠橋的橋洞尺寸過小，且除保安閘外，農(nóng)場港上的水閘普遍超期服役年久失修，影響工程效益。

2.3 工程建設(shè)意義

本工程的保護對象主要是龍坪鎮(zhèn)和萬丈湖農(nóng)場，人口約6萬，治澇面72.8km2，受益耕地面積56.4km2。工程的建設(shè)將有效提高區(qū)內(nèi)抵御洪澇災害的能力，減輕三湖地區(qū)防汛壓力，保護區(qū)內(nèi)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與居民生命財產(chǎn)安全免遭洪澇危害，保障項目區(qū)乃至整個武穴市社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

3 排澇能力分析

3.1 排澇標準

排水區(qū)位于武穴市沿江平原湖區(qū)，流域范圍內(nèi)人口約6萬人，耕地面積約8.15萬畝，主要作物為水稻和棉花（經(jīng)濟作物）。根據(jù)《治澇標準》（SL723-2016），結(jié)合區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展情況，和防洪排澇安全考慮，本文先分別計算10年一遇最大24h暴雨3日排至作物耐淹水深的流量，與10年一遇最大3日暴雨5日排至作物耐淹水深的流量，對比這兩個流量，取其中較大值作為項目區(qū)設(shè)計排澇流量[2]。

查詢《湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》，得到項目區(qū)中心相應最大24h暴雨量與最大3日暴雨量的均值和Cv值，Cs/Cv值根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)一取3.5，分別計算各重現(xiàn)期對應的最大24小時暴雨量和最大3日暴雨量。經(jīng)計算，10年一遇最大24h點降雨量為192.9mm，最大3日點降雨量為227.5mm。計算結(jié)果見表1。

表1 點降雨量計算結(jié)果

3.2 設(shè)計排澇流量計算方法

泵站設(shè)計排水流量采用平均排除法計算，計算公式為：

式中：

Q：排澇流量（m3/s）；

iF：排澇區(qū)各種地面的面積（km2）；

C：徑流系數(shù)；

P：面雨量（mm）；

ih：各種地面的可蓄水深（mm）；

V：港渠的調(diào)蓄水量（m3）；

D：排澇天數(shù)；

t：泵站每日開機小時數(shù)，t=22h。

3.2.1 面雨量P取值

式中：

P：面雨量（mm）；

α：折算系數(shù)；

0P：點雨量（mm）。

項目區(qū)屬于湖北省第3水文分區(qū)，根據(jù)《湖北省暴雨徑流查算圖表》查算，最大24h點面雨量折算系數(shù)值為0.944，一般而言，3日暴雨在面上的衰減要弱于24h 暴雨，故3日暴雨點面折減系數(shù)取0.96，經(jīng)計算，排區(qū)10年一遇最大24h面降雨量約182.1mm，最大3日降雨量約218.4mm，見表2。

表2 面雨量計算結(jié)果

3.2.2 徑流系數(shù)Ci取值。排區(qū)內(nèi)按土地利用類別可分為水田、旱地、非耕地、坑塘、非耕地和不透水地面等，其中不透水地面指的是居民區(qū)和硬化道路路面，非耕地指的是草地和林地等[3]。采用GIS與遙感解譯技術(shù)并結(jié)合衛(wèi)星影像資料對比分析，可統(tǒng)計得到項目區(qū)內(nèi)各種土地利用類型所占的面積。

各種土地利用區(qū)的徑流系數(shù)各不相同，根據(jù)經(jīng)驗，湖泊、水田、坑塘、港渠等水面的徑流系數(shù)取1.0，旱地取0.7、非耕地取0.8，不透水地面徑流系數(shù)取0.85。

3.2.3 可蓄水深ih取值。各種土地利用區(qū)的可蓄水深根據(jù)經(jīng)驗值確定，水田設(shè)為40mm，坑塘設(shè)為300mm，旱地、非耕地與不透水地面無可蓄水深，考慮到區(qū)內(nèi)港渠較多，有一定的調(diào)蓄能力，港渠的調(diào)蓄水量單獨計算。

3.2.4 港渠的調(diào)蓄水量V取值。區(qū)域內(nèi)農(nóng)場港港渠調(diào)蓄水量為起排水位到設(shè)計排澇水位之間的港渠容量。根據(jù)排區(qū)多年運行規(guī)律，汛期起排水位為15.5m，設(shè)計最高排澇水位為17.5m，港渠面積約為3.1km2，其中部分為水域面積，部分為岸坡面積，根據(jù)經(jīng)驗和綜合考慮，項目區(qū)內(nèi)平均港渠調(diào)蓄能力取3.5萬m3/km2，即區(qū)內(nèi)港渠調(diào)蓄水量為3.5×72.8（區(qū)域面積）等于254.8萬m3。

3.2.5 設(shè)計排澇流量計算。項目區(qū)10年一遇最大24h面雨量為183.06mm，最大3日面雨量為218.4mm，據(jù)此計算兩種設(shè)計暴雨情況下區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的澇水量，計算結(jié)果見表3。

表3 項目區(qū)產(chǎn)水量計算結(jié)果（P=10%）

根據(jù)產(chǎn)水量與排區(qū)溝渠調(diào)蓄水量254.8萬m3，代入公式1中。按平均排除法可計算兩種排水標準下的設(shè)計排澇流量：

從以上計算結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)在10年一遇最大24h暴雨3日排完的標準下，武黃湖泵站設(shè)計排澇流量約29.55m3/s。在10年一遇最大3日暴雨5日排完的標準下，武黃湖泵站的設(shè)計排澇流量約為23.29m3/s。兩者取最大值，即本工程最終確定設(shè)計排澇標準為：10年一遇最大24h暴雨3日排至作物耐淹深度。出于防洪安全考慮，取30m3/s作為設(shè)計排澇流量。

4 結(jié)束語

本文介紹了武黃泵站項目區(qū)域內(nèi)港道現(xiàn)狀，分析了項目區(qū)排澇存在的問題，從而清晰的指出工程建設(shè)意義。通過收集工程項目區(qū)的水文數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)標準，計算出10年一遇1日暴雨量和10年一遇3日暴雨量。采取平均排除法，結(jié)合項目區(qū)實際參數(shù)，分別計算出兩種暴雨量下的泵站設(shè)計排澇流量，最終確定武黃湖泵站設(shè)計排澇流量，為后續(xù)泵站機組設(shè)計、進水港道設(shè)計、相關(guān)閘門設(shè)計等提供了有力依據(jù)。