劉志軍，蔡劍波

(1.廣東省源天工程有限公司, 廣東 廣州 511340；2.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060)

集水面積不足10 km2的小流域治理是城鎮(zhèn)水務(wù)工程常遇的情況，往往由于缺乏實(shí)測洪水資料，只能通過設(shè)計(jì)暴雨推求洪水過程線進(jìn)行調(diào)排計(jì)算。本文通過對白云湖配套夏茅西圍排澇閘站的提標(biāo)改造分析，為城鎮(zhèn)特小流域調(diào)排計(jì)算提供參考。

1 流域概況

西圍排澇閘站集水面積為64 hm2，作為白云湖東南側(cè)的配套工程，當(dāng)時(shí)考慮到泵站流域尚有大面積農(nóng)田，特別是下游承接中游城鎮(zhèn)雨水主干管涵的明渠東側(cè)即為農(nóng)田，具有一定的耐淹時(shí)限，因此采用20年一遇6 h暴雨6 h排干農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)，泵站規(guī)模為2.92 m3/s，裝機(jī)容量為190 kW，出口水閘寬為2.44 m，閘底高程為-0.94 m(珠基高程，下同)。

西圍閘站控制流域西臨白云湖，東為均和涌，流域內(nèi)澇水經(jīng)西圍閘站全部排往石井河。

出口石井河斷面屬于感潮河段，汛期既受來自上游的洪水影響，又受珠江潮水的頂托，洪潮水流態(tài)復(fù)雜，斷面5年一遇和20年一遇洪水位分別為2.26 m和3.48 m[10]。本流域所在城鎮(zhèn)地坪面高程為1.90～6.60 m，田面高程多介于0.70～1.10 m。

日常排澇雖然以水閘自排為主，但在外江石井河水位較高時(shí)，需關(guān)閉水閘，用排澇站抽排，閘前控制淹沒水位為1.0 m[10]。

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 暴雨量計(jì)算

根據(jù)水文圖集查算的項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)20年一遇24 h暴雨量為241 mm，各頻率設(shè)計(jì)暴雨量參數(shù)(點(diǎn)暴雨)成果見表1。

表1 各頻率暴雨量計(jì)算成果

2.2 洪峰流量計(jì)算

本流域無實(shí)測流量資料，根據(jù)本地區(qū)降雨量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。本次計(jì)算貫徹“多種方法、綜合分析、合理選定”的方針，對各種計(jì)算方法所得成果進(jìn)行分析對比，選用較為合理的成果。計(jì)算方法包括：廣東省綜合單位線法、推理公式法、《城市水文學(xué)》中的推理公式(與前述推理公式法不同，類似于市政排水，采用暴雨強(qiáng)度、洪峰徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算)、廣東省洪峰流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，共4種方法進(jìn)行分析計(jì)算，匯總見表2所示。

表2 洪峰分析計(jì)算成果(P=5%)

經(jīng)多種方法計(jì)算比較，經(jīng)驗(yàn)公式法成果明顯偏小，不采用，其余3種方法相差在6%以內(nèi)，較為接近，考慮到流域上游地坪高差大，上游及中游均為城鎮(zhèn)區(qū)域，且歷年已有內(nèi)澇水浸災(zāi)害的實(shí)際情況，偏安全起見，擬采用偏大的廣東省綜合單位線成果20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為13.27 m3/s，24 h洪量為11.04萬m3。

2.3 洪水過程線

根據(jù)前述洪峰流量計(jì)算成果，通過單位線法得到整治渠道西圍排澇站前DM3斷面的洪水過程線(見表3所示，計(jì)算時(shí)段Δt取0.33 h)。

表3 洪水過程線(DM3西圍排澇泵站前斷面，P=5%)

從表3中可見：控制斷面節(jié)點(diǎn)的洪峰流量整體上呈尖瘦形狀，洪峰主要集中在32～36 h的4 h時(shí)段，特別是33.67～35.33 h不足2 h的時(shí)段內(nèi)，洪峰出現(xiàn)在34.33 h時(shí)段，且峰值時(shí)段流量超出前后臨近時(shí)段流量30%以上，但持續(xù)時(shí)間短。上述洪峰特征與本流域集水面積小，匯流長度和時(shí)間短的特征相吻合。

3 洪(潮)水遭遇

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50265)，承泄區(qū)為感潮河道時(shí)，承泄區(qū)設(shè)計(jì)水位取重現(xiàn)期5年一遇洪潮水位，最高運(yùn)行水位取重現(xiàn)期20年一遇洪潮水位。由于夏茅西圍排澇站缺乏實(shí)測水位資料，只能借助老鴉崗水位站和浮標(biāo)廠水位站及石井河的規(guī)劃成果進(jìn)行推算。根據(jù)資料[10]查得，西圍排澇站外石井河設(shè)計(jì)5年一遇洪潮水位2.26 m，20年一遇水位3.48 m。

閘站外5年一遇設(shè)計(jì)洪潮水與內(nèi)涌20年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇時(shí)，外水位為2.26 m比內(nèi)涌20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為1.00 m高出1.26 m，且已高于中下游大部分城鎮(zhèn)區(qū)域的地坪標(biāo)高，因此，遇外江高洪(潮)水位頂托期間，主要依靠內(nèi)涌下游調(diào)蓄后經(jīng)排澇站抽排到外江。

4 排澇閘站調(diào)度運(yùn)行原則

根據(jù)涌口排澇閘站排澇功能及農(nóng)田灌溉等功能要求，確定涌口排澇站和水閘運(yùn)行管理和調(diào)度原則如下：

1) 自排為主——遇暴雨洪水，閘內(nèi)水位高于閘外洪潮水位時(shí)，需及時(shí)開閘泄洪。

2) 及時(shí)抽排——排澇泵站承擔(dān)著防止區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害的責(zé)任，當(dāng)閘內(nèi)水位達(dá)到抽排水位，且受閘外水位頂托無法自排時(shí)，需利用排澇站抽排閘內(nèi)洪水。

3) 防洪擋潮——當(dāng)閘外洪潮水位高于閘內(nèi)水位時(shí)，應(yīng)關(guān)閘，防止洪潮水灌入。

5 現(xiàn)狀排澇泵站流量

現(xiàn)狀西圍排澇泵站采用排澇模數(shù)法排澇流量計(jì)算公式，以20年一遇暴雨，6 h降雨量6 h排出的農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，公式如下：

(1)

式中Q為排澇流量,m3/s；H6為相應(yīng)頻率P下最大6 h降雨量,mm；φ為綜合徑流系數(shù)，取值0.53；F為匯水面積,km2。

復(fù)核后西圍河口匯水面積為0.64 km2，現(xiàn)狀排澇站設(shè)計(jì)排澇流量為2.92 m3/s。

由于現(xiàn)狀泵站采用農(nóng)田設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以平均排除法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，難以滿足片區(qū)城鎮(zhèn)20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)的排澇要求，需要及時(shí)進(jìn)行提標(biāo)升級改造的復(fù)核。

6 排澇泵站流量調(diào)算

排澇泵站所需流量調(diào)算采用來水與抽排流量水量平衡的方法進(jìn)行計(jì)算。

在確定排澇站的閘站外設(shè)計(jì)水位(取P=20%洪潮水位2.26 m)、閘站內(nèi)設(shè)計(jì)低水位(取最低運(yùn)行水位0.00 m)和設(shè)計(jì)控制水位(取最高運(yùn)行水位1.00 m)后，通過水量平衡計(jì)算推求西圍排澇泵站的設(shè)計(jì)排澇流量，并與設(shè)計(jì)控制水位進(jìn)行復(fù)核，使設(shè)計(jì)最高水位低于或等于設(shè)計(jì)控制水位，以滿足設(shè)計(jì)要求。

6.1 水位—庫容關(guān)系

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，擬建西圍排澇閘站內(nèi)明渠設(shè)計(jì)渠底標(biāo)高-1.00～-0.50 m，渠道長度為614 m，渠底寬為10.0 m，兩側(cè)采用1.5 m高格賓籠護(hù)腳，再從石籠頂后緣按≤1:2.5放坡至堤頂高程。

明渠段水位—庫容關(guān)系如圖1所示。

圖1 明渠水位—庫容關(guān)系曲線示意

根據(jù)明渠段水位—庫容關(guān)系曲線，設(shè)計(jì)起抽水位為0.00 m對應(yīng)的渠道槽蓄容積為4 605 m3，最高控制淹沒水位為1.00 m對應(yīng)的渠道槽蓄容積為11 173 m3，0.00～1.00 m抽排區(qū)間的調(diào)蓄容積為6 568 m3。

6.2 泵站啟閉條件

明渠段排澇按平湖法進(jìn)行調(diào)算，來水按前述設(shè)計(jì)洪水過程線，庫容如圖1所示，抽排泵站流量分別按現(xiàn)狀2.92 m3/s開始，水位根據(jù)時(shí)段末水體積，反查水位—庫容關(guān)系曲線，通過逐級試算，達(dá)到排澇站前控制淹沒水位不高于1.0 m，推求出所需泵站流量。

調(diào)算時(shí)泵站的具體操作原則如下：

1) 起調(diào)水位

起調(diào)水位為0.0 m。

2) 啟泵水位

由于明渠段調(diào)蓄容積有限，結(jié)合閘外洪潮位預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)情況，如從0.0 m開始啟泵抽排，由于來水流量小于單臺水泵流量(1.46 m3/s)，以0.33 h時(shí)段計(jì)，且渠道容積較小，明渠段水位將迅速降至-0.3m，造成泵站進(jìn)水深度偏小，且此時(shí)段，來水流量偏小，因此，啟泵水位需要適當(dāng)抬高至0.20 m。

3) 泵站運(yùn)行最低水位

當(dāng)泵站抽排流量大于來水流量時(shí)，明渠段水位將自0.20 m開始下降，本次調(diào)算允許的泵站臨時(shí)短歷時(shí)最低運(yùn)行水位取-0.25 m。

4) 水泵依次啟動(dòng)控制條件

① 0.20 m啟動(dòng)1臺水泵(Q1=1.46 m3/s)；

② 抽至低于0.00m，由于來水量大于1.46 m3/s，明渠水位再次上升至0.20 m后，需要啟動(dòng)第2臺水泵(Q2=2×1.46=2.92 m3/s)；

③ 當(dāng)現(xiàn)狀2臺1.46 m3/s調(diào)算的水泵能力仍不足時(shí)，按擴(kuò)建考慮，進(jìn)行調(diào)算；依次啟動(dòng)第3臺、第4臺水泵，直到水位不超過調(diào)算最高控制水位條件為止，從而得到調(diào)排計(jì)算所需泵站規(guī)模。

5) 水泵依次關(guān)閉控制條件

當(dāng)明渠段水位得到有效控制，進(jìn)入下降階段，則依次停泵，水位由0.8～0.9 m，穩(wěn)定下降至0.5 m以下時(shí)，關(guān)閉1臺水泵，降至0.3 m，則再關(guān)閉1臺水泵，直至水位降至0.0 m以下，關(guān)閉所有水泵。

6.3 西圍排澇站各工況分析計(jì)算過程

以現(xiàn)狀泵站流量2.92 m3/s(2×1.46)、擴(kuò)建至5.84 m3/s(2×1.46+2×1.46)和擴(kuò)建至9.50 m3/s(2×1.46+4×1.46+0.74)，共3種工況分別進(jìn)行調(diào)算。

1) 工況1：現(xiàn)狀2.92 m3/s

渠道整治后按現(xiàn)狀西圍排澇站2臺1.46 m3/s進(jìn)行調(diào)算，調(diào)算成果如圖2所示。

2) 工況2：擴(kuò)建至5.84 m3/s

調(diào)算成果如圖3所示。

圖3 擴(kuò)建至5.84 m3/s洪水及抽排流量過程線(a圖)及水位過程線成果對比(b圖)

3) 工況3：擴(kuò)建至9.50 m3/s

調(diào)算成果如圖4所示。

圖4 擴(kuò)建至9.50 m3/s洪水及抽排流量過程線(a圖)及水位過程線成果對比(b圖)

6.4 西圍排澇站各工況分析結(jié)論

上述泵站啟閉條件下，各計(jì)算工況匯總見表4所示。

表4 西圍排澇站調(diào)排計(jì)算工況匯總

工況1：現(xiàn)狀泵站規(guī)模，不能滿足片區(qū)排澇安全要求，需加以擴(kuò)建。調(diào)算分析成果，體現(xiàn)了現(xiàn)狀泵站采用農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)6 h降雨6 h排出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，水位過高，難以滿足城鎮(zhèn)化排澇的要求。

工況2：即使現(xiàn)狀泵站擴(kuò)大1倍規(guī)模至5.84 m3/s，水位過高，仍不能滿足片區(qū)排澇安全要求，需進(jìn)一步加大擴(kuò)建的容量，進(jìn)行調(diào)算。

工況3：調(diào)算過程，得到排澇站擴(kuò)建至9.5 m3/s，可以滿足片區(qū)20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)要求。

7 結(jié)語

在西圍排澇閘站特小流域提標(biāo)改造中運(yùn)用廣東省綜合單位線法得到洪水過程線，結(jié)合閘上明渠水位—庫容關(guān)系曲線，進(jìn)行排澇站調(diào)排計(jì)算。

1) 西圍排澇閘站64 hm2特小流域20年一遇洪峰流量為13.27 m3/s。

2) 西圍閘泵站前長度600 m，底寬10 m生態(tài)斷面明渠調(diào)深1 m槽蓄條件下，調(diào)算對應(yīng)的泵站規(guī)模為9.50 m3/s；明渠調(diào)蓄削峰3.77 m3/s，占洪峰的28%，說明一定寬度的泵站上段明渠可以起到顯著的洪峰削減、降低泵站規(guī)模的作用。

3) 由于洪水過程線初期來水量不大，不同泵站規(guī)模的初始調(diào)算過程是一樣的，同時(shí)明渠調(diào)蓄容積較小，易使得排澇站在-0.1～0.3 m水位間開關(guān)頻繁，水位過程線陡變；如進(jìn)一步增加泵站前渠道調(diào)蓄容量，不但可以進(jìn)一步減小泵站規(guī)模，同時(shí)前渠道水位對泵站的啟停敏感度亦有所降低，可顯著簡化泵站操作。

4) 針對排泵站開關(guān)頻繁的問題，建議通過設(shè)置變頻電機(jī)設(shè)備，靈活調(diào)整水泵抽排流量；另外，通過水位—水泵自適應(yīng)控制系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)澇水位繼續(xù)上漲時(shí)，則增加水泵抽排流量直到最大流量，當(dāng)水位回落時(shí)，則逐漸減小抽排流量。

5) 農(nóng)田片區(qū)城鎮(zhèn)化過程中，由于農(nóng)田與城鎮(zhèn)排澇標(biāo)準(zhǔn)不同，如維持既有地坪高程和排澇泵站流量，則存在較大內(nèi)澇隱患，需復(fù)核增加排澇泵站規(guī)模；否則需系統(tǒng)性抬升流域內(nèi)低洼地坪，以提高控制淹沒水位、增加調(diào)蓄容量；或者綜合性的采取調(diào)高豎向和增加泵站裝機(jī)規(guī)模的措施，以達(dá)到城鎮(zhèn)防澇安全功能需求與工程建設(shè)成本的匹配。