劉洪濤，劉 薇

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

天津市北塘排水河河口泵站位于北塘排水河與永定新河交口，為單向排水泵站，建設(shè)目的是提升天津市中心城區(qū)排水能力，緩解北塘排水河兩岸排水壓力，保障河道控制區(qū)域的排水安全。

為合理確定北塘排水河河口泵站的建設(shè)規(guī)模，采用多種算法對(duì)該泵站的規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)各算法的結(jié)果進(jìn)行分析比較，力求科學(xué)合理地確定泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模。

1 北塘排水河基本情況

北塘排水河開挖于1958年，擔(dān)負(fù)著天津市中心城區(qū)東北部地區(qū)和環(huán)外東麗部分地區(qū)的雨水以及東郊、空港等污水處理廠出水的排放任務(wù)，河道全長(zhǎng)33.5 km，原設(shè)計(jì)流量27～81 m3/s。在河道21.6 km處攔河建有山嶺子泵站（裝機(jī)27臺(tái)，設(shè)計(jì)流量54 m3/s），將北塘排水河分為上下游兩段。北塘排水河最終匯入永定新河，河口建有永和閘，過水?dāng)嗝鏋?孔3 m×3 m，設(shè)計(jì)流量81 m3/s。

2002—2011年，已分期分段對(duì)北塘排水河完成清淤、擴(kuò)挖和堤岸治理。山嶺子泵站上游河道，長(zhǎng)21.6 km，河底高程為-1.0～-2.3 m（大沽高程，下同），河道底寬為24～32 m，河道兩岸邊坡1∶1.5～1∶2.5，堤頂高程為2.2～4.5 m。山嶺子泵站的下游河段長(zhǎng)11.9 km，河底高程為-1.0～-1.4 m，河道底寬為32～42 m，河道兩岸邊坡1∶2.5，堤頂高程為3.8～5.8 m。

由于受永定新河汛期高水位頂托的影響，永和閘泄流不暢，致使北塘排水河經(jīng)常出現(xiàn)高水位運(yùn)行情況，危及兩岸地區(qū)的排澇安全。受跨河公路、鐵路橋梁底高程以及兩岸地形條件的制約，北塘排水河不具備再擴(kuò)挖河道、加高堤防的條件，其最高水位為3.40 m，而其河口處永定新河5年一遇設(shè)計(jì)水位達(dá)4.40 m，澇水不能自流入永定新河。因此，為解決北塘排水河遇永定新河高水位無法外排的問題、保障中心城區(qū)及河道沿線的排水安全，在北塘排水河口新建排水泵站是必要的。

2 設(shè)計(jì)澇水

北塘排水河收水范圍包括中心城區(qū)北塘排水河雨水系統(tǒng)、外環(huán)河?xùn)|部雨水系統(tǒng)、東郊污水處理廠出水，環(huán)外居住區(qū)、園區(qū)、農(nóng)田和環(huán)外的污水處理廠出水。

按照《天津市排澇總體規(guī)劃》確定的澇水計(jì)算方法，進(jìn)行河道澇水組合計(jì)算。設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)選用24 h，農(nóng)田區(qū)設(shè)計(jì)排澇流量采用10年一遇標(biāo)準(zhǔn)2 d 排除；建成區(qū)和規(guī)劃城區(qū)的設(shè)計(jì)排澇流量采用20年一遇標(biāo)準(zhǔn)1 d排除。經(jīng)計(jì)算，山嶺子泵站以上河段規(guī)劃入流84.01 m3/s、以下河段規(guī)劃入流為17.34 m3/s，合計(jì)承泄101.35 m3/s，見表1。

3 泵站規(guī)模分析

在滿足規(guī)劃排水要求的前提下，為合理確定新建泵站規(guī)模，設(shè)計(jì)采用了以下4種方法進(jìn)行計(jì)算。

3.1 面積比法

根據(jù)河道控制排水面積按不同下墊面情況推算需排放的水量，考慮河道提前降低水位可調(diào)蓄的容積（或水量），由剩余水量計(jì)算出流流量。

山嶺子泵站以上河段長(zhǎng)21.6 km，按照汛前將山嶺子泵站站前水位提前降至0.0 m計(jì)算，山嶺子以上河段調(diào)蓄量為139萬m3。

表1 規(guī)劃入北塘排水河區(qū)域雨污水流量

山嶺子泵站以下河段長(zhǎng)11.9 km，按照汛前將擬建河口泵站站前水位降至0.0 m計(jì)算，山嶺子以下河段調(diào)蓄量為172萬m3。

3.2 水庫調(diào)洪法

將山嶺子泵站以上河段、以下河段概化為2 個(gè)河道型水庫，采用水庫調(diào)洪方法計(jì)算。其中，山嶺子以上河段入流為沿程澇水流量，出流即為所求山嶺子泵站流量；山嶺子以下河段入流為山嶺子泵站出流加上沿程澇水入流，出流即為所求河口泵站流量。上下河段提前降低水位的運(yùn)用方式及河道調(diào)蓄量均與面積比法一致。

3.3 削峰法

以北塘排水河控制范圍內(nèi)的不同下墊面特性為依據(jù)，將匯水區(qū)的產(chǎn)流分為以下4種性質(zhì)考慮。

Ⅰ類，城區(qū)排水：通過管道匯入泵站后直排入河道，按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定在達(dá)到設(shè)計(jì)流量峰值后衰減，分析時(shí)根據(jù)其排入位置不同，折減計(jì)算流量。

Ⅱ類，農(nóng)業(yè)區(qū)排水：時(shí)間按2 d考慮，大于河道在匯入永定新河前形成設(shè)計(jì)水位的時(shí)間，直接計(jì)入排入流量。

Ⅲ類，支流匯水：計(jì)入在上游區(qū)充分利用當(dāng)?shù)睾雍{(diào)蓄錯(cuò)峰后的流量。對(duì)于無法調(diào)蓄的，直接計(jì)入排水流量。

Ⅳ類，污水處理廠出水：為日平均排水，直接計(jì)入流量。

根據(jù)上述對(duì)產(chǎn)流區(qū)的分類，河道設(shè)計(jì)流量計(jì)算將分為3個(gè)步驟。步驟一：對(duì)第Ⅰ類產(chǎn)流，按極限強(qiáng)度法模擬泵站出口流量，并繪制各泵站服務(wù)區(qū)的流量和時(shí)間關(guān)系曲線，即Q-T 曲線；步驟二：對(duì)上述Q-T 曲線進(jìn)行趨零修正；步驟三：根據(jù)沿河各個(gè)產(chǎn)流區(qū)的匯入位置，將Ⅰ類產(chǎn)流的Q-T 曲線與Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類產(chǎn)流的流量疊加，形成北塘排水河的Q-T曲線圖。

各泵站入流概化如下：平均按下雨1 h后流量達(dá)到最大值，然后1～3 h 持續(xù)按最大值入流，隨后在3～4 h衰減至0，并向下游傳遞。

削峰處理后的Q-T曲線，如圖1所示。

圖1 河口Q-T曲線

3.4 平原河網(wǎng)一維水動(dòng)力模塊模擬算法

（1）基本方程。采用一維非恒定流基本方程，即圣維南方程組：

連續(xù)方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：X、t 為距離（m）和時(shí)間（s），為自變量；A為過水面積（m2）；Q 為斷面流量（m3/s）；Z 為水位（m）；α為動(dòng)量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；ql為旁側(cè)入流（m3/s），入流為正，出流為負(fù)；νx為入流沿水流方向的速度（m/s），若旁側(cè)入流垂直于主流，則νx=0。在水流運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算中，采用流量（Q）和水位（Z）作為變量比較方便，采用Preiss?mann 加權(quán)四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散，采用追趕法進(jìn)行求解。

（2）邊界條件的設(shè)定。在進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算時(shí)，上游邊界一般采用流量過程或水位過程，下游邊界一般采用水位流量關(guān)系。明渠水力學(xué)計(jì)算中采用的外部邊界條件可以3種形式給出：①水位邊界條件，即在邊界明渠上給定水位隨時(shí)間的變化過程，Z=Z（t），Z 為水位（m），t 為時(shí)間（s）；②流量邊界條件，即在邊界明渠上給定流量隨時(shí)間的變化過程，Q=Q（t），Q 為斷面流量（m3/s），t 為時(shí)間（s）；③水位流量關(guān)系，Q=Q（z），Q為斷面流量（m3/s），Z為水位（m）。

根據(jù)這3 種類型的明渠邊界條件，對(duì)任一河段采用雙消元法形成首末斷面流量與水位的線性函數(shù)式，進(jìn)而計(jì)算追趕系數(shù)，形成節(jié)點(diǎn)水位的方程組，采用迭代算法可得各計(jì)算時(shí)段沿程各計(jì)算斷面的水位和流量。

（3）河道糙率。清淤治理后的北塘排水河河道斷面規(guī)則，沒有淤積，僅岸坡有雜草，糙率取0.025。

（4）模型概化。河道的入流主要為沿途泵站及污水處理廠出水，對(duì)各排水口作為入流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概化處理。

3.5 計(jì)算結(jié)果

上述4種算法的計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 4種計(jì)算方法成果對(duì)比

由表2 可見，本次分析采用的削峰法和模型模擬法未充分考慮到河道的調(diào)蓄作用，計(jì)算出來的結(jié)果比面積比法和水庫調(diào)洪法要大?？紤]北塘排水河在汛期排水調(diào)度時(shí)采取低水位運(yùn)行、河道調(diào)蓄空間較大的特點(diǎn)，本著節(jié)省投資并適當(dāng)留有余地原則，推薦采用第2種方法的計(jì)算結(jié)果，即：將山嶺子以上河段、以下河段概化為2個(gè)河道型水庫，采用水庫調(diào)洪方法，建城區(qū)及規(guī)劃城區(qū)按平均排除法20年一遇流量、農(nóng)田區(qū)域和污水按計(jì)算流量連續(xù)入流24 h 情況的計(jì)算結(jié)果，最終確定河口泵站的設(shè)計(jì)流量為54.6 m3/s。

4 結(jié)語

通過北塘排水河泵站的規(guī)模論證，有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

（1）排水泵站的規(guī)模確定，應(yīng)在充分調(diào)研、摸清現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上開展工作，要滿足地區(qū)排澇規(guī)劃所規(guī)定的任務(wù)，以近期目標(biāo)為主，并適當(dāng)留有安全余地。

（2）有條件時(shí)，可通過調(diào)整排水分區(qū)和排水出路或通過周邊的河湖調(diào)蓄滯留、錯(cuò)峰排河等調(diào)度措施，合理控制出口泵站規(guī)模，以降低工程投資。

（3）泵站規(guī)模論證時(shí)，可考慮不同計(jì)算方法，互相比對(duì)，進(jìn)行成果的可靠性和合理性分析。