孫 正 蘭

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 工程概況

江都水利樞紐為南水北調(diào)東線工程的源頭[1]，也是江蘇省江水北調(diào)工程的起點(diǎn)[2]，其中4座大型泵站為江都水利樞紐的主體工程。在北方發(fā)生干旱時，4座泵站抽引長江水通過京杭大運(yùn)河及其平行河道北送，在滿足沿線江都、高郵、寶應(yīng)、淮安等地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水的基礎(chǔ)上，通過淮安、泗陽、皂河等9級泵站將長江水北送徐州、東輸連云港，沿途串聯(lián)洪澤湖、駱馬湖、微山湖[3]，溝通長江、淮河、沂沭泗水系，實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)度[4]，有效解決了蘇北地區(qū)的缺水問題[5]。國家南水北調(diào)東線工程正是在江蘇江水北調(diào)工程基礎(chǔ)上的擴(kuò)大規(guī)模和向北延伸[6]。當(dāng)蘇北里下河地區(qū)發(fā)生洪澇時，通過4座泵站將地勢低平、河網(wǎng)交錯的里下河腹部澇水抽排入長江[7-8]，為極具水鄉(xiāng)特色和生態(tài)價值的蘇北里下河地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要保障[9-12]。

4座大型電力抽水站(簡稱一、二、三、四站)位于揚(yáng)州市江都區(qū)境內(nèi)，在京杭大運(yùn)河、新通揚(yáng)運(yùn)河和淮河入江尾閭芒稻河的交匯處，共裝有立式軸流泵33臺，1994～2010年完成了更新改造，現(xiàn)抽水能力為508.2 m3/s，裝機(jī)容量55 800 kW。江都抽水站基本情況及工程運(yùn)用見表1和圖1。

表1 江都抽水站基本情況

注:第三站為10臺可逆式機(jī)組，正轉(zhuǎn)時抽水，反轉(zhuǎn)時發(fā)電；第一、二、四站均為不可逆式機(jī)組。

江都抽水站水文站為國家重要水文站，中央報汛站，常年駐測，為一類精度的流量控制站[13]。本文基于建站以來尤其是近年來主汛期江都4座泵站運(yùn)行的實(shí)測資料，對江都抽水泵站在抽引江水和抽排澇水時流量變化及其原因進(jìn)行了探討，為大型泵站的安全運(yùn)用、科學(xué)管理提供參考，對區(qū)域防汛抗旱和水資源調(diào)配具有重要的指導(dǎo)意義。

2 工程運(yùn)用

由圖1可見，抽排澇水時，里下河腹部地區(qū)澇水經(jīng)新通揚(yáng)運(yùn)河由江都東閘進(jìn)入4座泵站下游引河，由4座泵站抽出，經(jīng)芒稻河排入長江(此時江都西閘關(guān)閉)。第四站臨近江都東閘入水口，機(jī)組流量為4座泵站中最大，河流中的浮游水草雜物大部分隨著強(qiáng)大的水流速進(jìn)入四站站口攔污柵。因此，抽排里下河澇水期間，第四站站口攔污柵上吸附的雜物垃圾為4座泵站中最多，流量減小的幅度也為4座泵站中最大[14]。2007年汛前在江都東閘成功安裝了攔截打撈垃圾的清污機(jī)(2006年底江都東閘完成加固改造)，主汛期抽排里下河澇水期間，清污機(jī)打撈攔截的水草垃圾最多時每天達(dá)1 615 m3。因此，河流入口處的清污機(jī)有效緩解了江都抽水站尤其是第四抽水站安全運(yùn)行的壓力，但隨著運(yùn)行時間較長，仍然有部分水草或細(xì)小垃圾雜物隨著水流越過清污機(jī)進(jìn)入吸附在泵站進(jìn)水口的攔污柵上，導(dǎo)致流量明顯減小。

抽引江水北送與抽排里下河澇水不同，長江水從長江干流三江營經(jīng)芒稻河由江都西閘進(jìn)入4座泵站下游引河。主汛期長江水位高，江都西閘受設(shè)計(jì)流量和泵站下游引河水位低于4.8 m(廢黃河口基面)控制，閘門大多處于控制水流狀態(tài)，進(jìn)入泵站下游引河的水草及生活垃圾很少[15]。第一、二站臨近入水口，江水中浮游水草雜物隨著較大的水流速首先進(jìn)入第一、二站站口攔污柵，盡管第三、四站機(jī)組流量較大，由于距離較遠(yuǎn)，到達(dá)第三、四站站口攔污柵的雜物垃圾相對較少，尤其在江都東閘同時自流引江水東送里下河地區(qū)灌溉時，河流中少部分水草垃圾隨著水流進(jìn)入新通揚(yáng)運(yùn)河。因此，江水中少量的水草垃圾及浮游雜物多被擋于閘門前，或被4座泵站平分且隨著水流被泵站抽出。多年來，4座泵站在引水期間分別實(shí)測率定的歷年水位流量關(guān)系曲線均為穩(wěn)定的單一線。

近年來，隨著三江營至江都西閘引河沿途兩岸土地開發(fā)，江水中浮游雜物及生活垃圾也逐漸增多，但抽引江水時4座泵站流量受水草垃圾影響相對較小且減小的程度基本接近。

3 流量變化分析

基于抽引江水時多年穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線，對4座泵站抽排里下河澇水或長時間抽引江水時流量受水草影響的程度進(jìn)行分析比較。

4座泵站的測流斷面均設(shè)在遠(yuǎn)離出水口的上游(見圖1)，第一、二站測流斷面與總出口斷面重合。由于大型泵站群建在同一條河道上，在防汛抗旱緊張時期，4座泵站均處于運(yùn)行狀態(tài)，此時僅能實(shí)測江都第四站和4座泵站的總出口流量。根據(jù)4座泵站建成投入運(yùn)行后1975～2019年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一年中6月引水最多，多年平均引水時長為23 d；7月排水最多，多年平均排水時長為13 d，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和淮北氣候特點(diǎn)相一致[16]。主汛期尤其7～8月為河道中水生植物生長最茂盛的時期，故主要利用主汛期江都第四站或泵站總出口斷面實(shí)測資料定量分析歷年引水、排澇期間的流量變化情況。

圖1 江都4座大型泵站工程運(yùn)用示意

3.1 流量歷年變化情況

在建站之初至1983年，河道中水草雜物及生活垃圾很少，這也正是4座泵站建站時只在站口設(shè)置攔污柵的緣故。隨著改革開放和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，里下河地區(qū)人口急劇增長和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[17]，河道中的生活垃圾也隨之增多，加之主汛期水草長勢旺盛，水草垃圾隨著強(qiáng)大的水流吸附到泵站進(jìn)水口的攔污柵上。運(yùn)行時間越長，攔污柵上覆蓋的水草雜物屏障越厚，導(dǎo)致柵前柵后水位差增大，嚴(yán)重時局部柵孔無水流通過，導(dǎo)致機(jī)組振動持續(xù)上升，不僅大大減小了泵站的出水量，嚴(yán)重時甚至?xí)绊憴C(jī)組的安全運(yùn)行[18]，泵站不得不經(jīng)常停機(jī)撈除水草雜物、搶修機(jī)組。4座泵站流量受河水中水草垃圾影響而減小首先在20世紀(jì)80年代中期抽排里下河澇水運(yùn)行中反映明顯。

選取《水文年鑒》中有一定年際間隔且主汛期排澇時間較長的1977，1980年和1983年實(shí)測資料，分別點(diǎn)繪江都第四站凈揚(yáng)程和效率關(guān)系曲線，如圖2所示?？梢?，排澇與引水期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)均為一個系列且點(diǎn)據(jù)一致性較好，1977年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.95，1980年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.94，1983年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)只有0.78，在1983年排澇期間的點(diǎn)據(jù)已經(jīng)較分散且部分偏小，表明點(diǎn)據(jù)相關(guān)性隨著時間的推移逐漸減小。1984，1985年排澇時間較短，7～8月排澇期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)較少。1986年引水、排澇期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)明顯分為兩個系列，且排澇期間機(jī)組效率明顯偏小，流量也相應(yīng)程度偏小[19]。

從1987年開始，抽引江水與抽排澇水水位時，各站水位流量關(guān)系需要分別定線推流，即主汛期抽排澇水時間較長時，在總出口斷面重新率定水位流量關(guān)系曲線，用于推求受水草影響下4座泵站的總流量?？梢姡芎铀兴堇绊憣?dǎo)致流量偏小是一個隨時間漸變增大的過程，突變時間與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程時間相一致。

3.2 流量受水草影響程度分析

3.2.1抽排里下河澇水

2016年6月21日至7月19日，江蘇省里下河“鍋底洼”最有代表性的興化市及其周邊發(fā)生強(qiáng)降雨，持續(xù)一兩日后，其水位從正常水位迅即進(jìn)入警戒水位，江都4座泵站33臺機(jī)組全力投入排澇運(yùn)行，期間水情變化過程見表2。

6月21日發(fā)生強(qiáng)降雨，6月22日33臺機(jī)組全部投入運(yùn)行，6月24～25日江都第四站實(shí)測流量表明：因開機(jī)時間較短，抽排澇水流量與同一工況下抽引江水時穩(wěn)定單一線所推算流量基本一致，無系統(tǒng)偏小[20]，說明受水草影響程度不明顯，如表3所示。

圖2 第四抽水站歷年引水、排澇時實(shí)測流量點(diǎn)據(jù)變化

表2 2016年6～7月興化發(fā)生強(qiáng)降水時水情變化過程

表3 抽排里下河澇水期間總出口和四站實(shí)測流量變化情況

6月25～30日興化及其周邊僅有局部零星小雨，經(jīng)過江都抽水站30多臺機(jī)組持續(xù)抽排，興化水位回落至較低水位。7月1日下午開始興化及周邊發(fā)生第二輪強(qiáng)降雨，河道水位漲勢迅猛，隨著河道中水位的抬高，抽排流量加大，江都東閘清污機(jī)整日處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。即使如此，7月4日總出口和第四站實(shí)測流量分別偏小11.7%和13.2%，說明受水草影響程度很大，且第四站流量減小的幅度大于4座泵站總流量減小的幅度。為此，7月4日開始以吊機(jī)、人工聯(lián)合清理各站口攔污柵上的水草雜物(平均1～2 d完成1座泵站)，隨著每天不間斷清理，實(shí)測結(jié)果顯示流量受水草影響程度呈逐漸減小態(tài)勢。

從表3抽排澇水實(shí)測資料與不受水草影響穩(wěn)定關(guān)系線推算比較可知：6月26日運(yùn)行至7月4日實(shí)測流量偏小11.7%，即在水草生長旺盛的7月，水草雜物在攔污柵上阻水導(dǎo)致總流量以每天約1.5%的速度減小。7月8日實(shí)測流量偏小9.3%，7月12日實(shí)測流量偏小7.2%，表明人為持續(xù)清理后，總流量以每天0.5%～0.6%的速度增大。在興化水位降落至正常水位且后續(xù)無降雨、抽排澇水漸止的情形下，7月14日停止了各站口攔污柵清理，7月18日實(shí)測資料顯示流量減小程度增大近10%，總流量平均每天偏小約為1.7%。

3.2.2抽引江水

2019年淮河流域發(fā)生特大干旱，第四站于5月6日首先開機(jī)，5月17日4座泵站全力投入抽引江水北送，江都東、西閘自4月開始即大流量自流引江水東送里下河地區(qū)。5月22日根據(jù)下游漲落潮水位過程在江都第四站實(shí)測流量7次，與穩(wěn)定關(guān)系線推算誤差為-3.9%～3.3%，測次平均誤差為-0.7%，表明第四站抽引江水運(yùn)行了16 d時流量受影響程度不明顯。6月27日在總出口斷面實(shí)測4座泵站總流量偏小4.8%，5月22日至6月27日間隔36 d，平均每天偏小約0.1%；第四站實(shí)測流量偏小2.5%，小于4座泵站總流量減小的幅度。

為了實(shí)測主汛期抽引江水時水草垃圾對泵站流量影響的變化過程，在6月27～28日對4座泵站攔污柵完成了清理后，于6月29日至7月26日對4座泵站總流量持續(xù)進(jìn)行實(shí)測并與穩(wěn)定關(guān)系線推流結(jié)果進(jìn)行比較(見表4)。運(yùn)行期間，在江都西閘外側(cè)持續(xù)進(jìn)行江水中的樹枝、廢棄漁網(wǎng)等大體積雜物垃圾的打撈。近年來，主汛期長時間抽引江水時，均在江都西閘外側(cè)根據(jù)實(shí)際情況不間斷進(jìn)行人為攔截打撈，避免大體積的雜物垃圾進(jìn)入泵站站口攔污柵。

表4 抽引江水期間實(shí)測流量與穩(wěn)定關(guān)系線推流結(jié)果比較

由表4可知，4座泵站主汛期運(yùn)行前20 d，實(shí)測流量基本與穩(wěn)定關(guān)系線計(jì)算流量一致，誤差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。運(yùn)行20 d后，流量偏小大于1%，且隨著流量的減小每日減小幅度增大，表明水草垃圾吸附在攔污柵上一旦形成阻水，累積效應(yīng)明顯增大。6月29日至7月26日間隔27 d，平均每天偏小約0.1%，與5月22日至6月27日運(yùn)行實(shí)測分析結(jié)果基本一致。可見，盡管多日平均后流量偏小幅度較小，以運(yùn)行30 d左右統(tǒng)計(jì)，前20 d運(yùn)行時流量基本不受影響，主要集中于后期近10 d流量較大幅度的減??；運(yùn)行時間越長，阻水累積效應(yīng)越大，泵站流量減小幅度越大，但4座泵站流量減小的程度遠(yuǎn)小于抽排澇水時的影響。

4 結(jié) 語

江都抽水站是1949以來自行設(shè)計(jì)、制造、施工、安裝和管理的大型泵站，富有前瞻性、科學(xué)性的規(guī)劃設(shè)計(jì)為本世紀(jì)南水北調(diào)東線工程的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。在多年的建設(shè)管理中，通過對泵站加固改造，不斷克服社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給泵站運(yùn)行帶來的新難題，使得這座亞洲規(guī)模最大的泵站群，對保障人民生命財產(chǎn)安全和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。本文通過分析實(shí)測資料數(shù)據(jù)，真實(shí)反映了主汛期運(yùn)行中泵站流量受水草垃圾影響的演變過程，為泵站在新形勢下進(jìn)一步科學(xué)管理、安全運(yùn)行提供參考。

歷年實(shí)測資料分析表明：河道中水草垃圾對泵站流量影響是一個漸變過程，與河流所在區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展程度相一致。自20世紀(jì)80年代中期開始，抽排里下河澇水受到影響，長時間運(yùn)行后流量明顯偏?。唤陙砗拥牢廴炯八葑躺鷮Υ笮捅谜玖髁坑绊懙某潭雀?，若河流入口清污機(jī)正常工作，4座泵站總流量平均每天至少減少1.5%；利用吊機(jī)、人工聯(lián)合持續(xù)清理各站口攔污柵后，4座泵站總流量平均每天增大0.5%。因江水中水草垃圾較少和江都水利樞紐布局特點(diǎn)，抽引江水時4座泵站流量多年基本不受影響，歷年水位流量關(guān)系曲線均為穩(wěn)定的單一線；近年來江水引河沿途兩岸土地開發(fā)，抽引江水運(yùn)行時間較長時泵站流量也已受到較大影響。為此，須加強(qiáng)河道治理和水環(huán)境管理，同時在大型泵站群的河流入口分別增設(shè)有效攔截打撈水草雜物垃圾的設(shè)備，以保證大型泵站群安全運(yùn)行，在防汛抗旱和水資源供給中充分發(fā)揮巨大社會經(jīng)濟(jì)效益