張麗娟，沈 優(yōu)，閆輝雪，林 農(nóng)，李曉坤

（淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

珠江三角洲平原地區(qū)資源豐富、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口眾多。然而，由于密集的水網(wǎng)分布和復(fù)雜的氣象水文情勢，該地區(qū)經(jīng)常遭受洪水、暴潮和臺(tái)風(fēng)的威脅[1]。中順大圍位于珠江三角洲下游，地勢低洼平坦，極易受到外江洪潮水位頂托，導(dǎo)致澇水無法自行排出[2]。隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，加之近年極端暴雨天氣頻發(fā)，圍內(nèi)內(nèi)澇問題愈發(fā)突出，嚴(yán)重影響了居民生活與企業(yè)生產(chǎn)安全。在2021 年第17 號(hào)臺(tái)風(fēng)“獅子山”帶來的暴雨影響下，中順大圍現(xiàn)有的外排泵站已明顯無法滿足圍內(nèi)澇水的抽排需求。因此，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)加建泵站成為主要措施，以加強(qiáng)排澇能力、緩解內(nèi)澇問題[3，4]。

目前，關(guān)于感潮河網(wǎng)地區(qū)排澇泵站規(guī)模的確定尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》的要求，并結(jié)合地區(qū)的工程實(shí)踐，常用的排澇流量計(jì)算方法包括平均排除法、洪峰流量法、水量平衡法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法。其中，平均排除法適用于面積較小的澇區(qū)；洪峰流量法未考慮河涌調(diào)蓄、水閘自排等因素，直接排除洪峰所確定的規(guī)模往往偏大；水量平衡法適用于具有較大湖泊等水面調(diào)蓄能力的澇區(qū)，以及各排水河道水位差異不明顯的水網(wǎng)區(qū)；河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型適用于排水區(qū)域較大、河流湖泊眾多、各河排水水位差異明顯、水力條件復(fù)雜的河網(wǎng)地區(qū)[5-7]。

1 研究區(qū)概況

西河泵站工程位于中順大圍西干堤，岐江河西出口與磨刀門水道交匯處。中順大圍地處珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)下游，全圍總集雨面積為779.21 km2，瀕臨南海，屬于珠江流域的西北江三角洲水系。圍內(nèi)由400 多個(gè)小圍聯(lián)合形成一個(gè)大圍，共有298 條河渠道。中順大圍屬珠江三角洲殘丘平原，圍內(nèi)北部為沖積平原，地形平坦，地勢自西北向東南傾斜，地面高程在0.50～2.50 m之間，河網(wǎng)密布；圍內(nèi)南部則以低山、丘陵和臺(tái)地為主，最高處海拔531.00 m。在汛期，中順大圍主要采用自排為主、抽排為輔的方式進(jìn)行排澇，即利用自然潮差，在每天兩次低潮位時(shí)進(jìn)行自排，在遭遇外江高潮位頂托無法自排時(shí)則需利用泵站抽排。然而，目前圍內(nèi)大部分地區(qū)外排能力未達(dá)到10年一遇標(biāo)準(zhǔn)，排澇規(guī)模和泵站布局遠(yuǎn)不能滿足20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，圍內(nèi)低洼地區(qū)的澇水往往延遲數(shù)小時(shí)才能排出，極易形成內(nèi)澇。針對(duì)此排澇困局，計(jì)劃新建西河泵站進(jìn)行抽排。

根據(jù)澇區(qū)水文條件、現(xiàn)狀地形、匯流條件及日常調(diào)度運(yùn)行等因素并結(jié)合相關(guān)規(guī)劃，將中順大圍共分為6 個(gè)片區(qū)，其中一整體片區(qū)和5 個(gè)獨(dú)立片區(qū)，獨(dú)立片區(qū)的劃分原則是澇水獨(dú)立外排不進(jìn)入西河泵站匯水范圍。

2 泵站規(guī)模論證方法

本文采用水量平衡法、等流時(shí)法及一維水動(dòng)力模型MIKE 11 分別對(duì)泵站規(guī)模進(jìn)行論證，從多角度驗(yàn)證泵站規(guī)模合理性并驗(yàn)證泵站開發(fā)后對(duì)研究片區(qū)排澇能力的改善與提升效果。

2.1 水量平衡法

水量平衡法根據(jù)不同來水條件，在現(xiàn)有閘泵規(guī)模的基礎(chǔ)上，考慮未來發(fā)展規(guī)劃，對(duì)排澇過程進(jìn)行調(diào)算，得到西河泵站應(yīng)設(shè)排澇規(guī)模。根據(jù)以下假設(shè)開展水量平衡計(jì)算：1）在進(jìn)行蓄排澇（洪）演算時(shí)，將該區(qū)內(nèi)平原區(qū)主要內(nèi)河涌組成的蓄澇（洪）區(qū)視為一個(gè)平湖，即不考慮河道比降。2）各主要河涌過水?dāng)嗝娼?jīng)整治后完全滿足規(guī)劃行洪要求。3）范圍內(nèi)其他待建泵站規(guī)模均按照相關(guān)規(guī)劃。4）為了充分利用河涌調(diào)蓄庫容，提高預(yù)排效果，在暴雨來臨之前，先將中順大圍內(nèi)河涌水位通過水閘和泵站聯(lián)合調(diào)度，具體規(guī)則為預(yù)排至-0.50 m→最高控制水位1.30 m→至0.50 m以下即視為排干。5）圍內(nèi)城鎮(zhèn)道路按20 年一遇最大24 h 設(shè)計(jì)暴雨1 d 排干不致災(zāi)；農(nóng)田、經(jīng)濟(jì)作物、魚塘按20年一遇最大24 h 設(shè)計(jì)暴雨1 d 排干（允許受淹數(shù)小時(shí)）。6）調(diào)蓄演算按圍內(nèi)20 年一遇24 h 設(shè)計(jì)暴雨，遭遇西河水閘外5年一遇高潮位工況進(jìn)行。

水量平衡原理是首先將整個(gè)調(diào)節(jié)周期劃分為24 個(gè)時(shí)段，然后逐時(shí)段進(jìn)行水量平衡計(jì)算，單位時(shí)段水量平衡公式：

式中：Vt，Vt-1分別為第t時(shí)段末、初槽蓄量，萬m3；Q來，Q排分別為第t時(shí)段來水流量、排水流量，m3/s；△T為計(jì)算時(shí)段的時(shí)長，h。

按水量平衡法進(jìn)行排澇調(diào)蓄演算，得到時(shí)段末的槽蓄水量，再根據(jù)排澇區(qū)高程～容積曲線得到相應(yīng)時(shí)段末的內(nèi)水位，以內(nèi)水位是否滿足要求來確定泵站的規(guī)模。

對(duì)于閘孔泄流能力，根據(jù)兩種不同情況，依照SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，作如下計(jì)算。

1）當(dāng)為堰流時(shí)，水閘的泄流能力計(jì)算公式：

式中：Q為水閘泄流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)，按水力學(xué)的弗朗西斯公式計(jì)算確定；m為流量系數(shù)，取m=0.385；B0為水閘過流凈寬，m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；hs為堰頂算起的下游水深，m；g為重力加速度。

2）當(dāng)為堰流處于高淹沒度（hs/H0≥0.9）時(shí)，水閘的泄流能力計(jì)算公式：

式中：μ0為淹沒堰流的綜合流量系數(shù)。

2.2 等流時(shí)法

假設(shè)流域中任意位置的降雨流速相同，那么該位置的凈降雨水質(zhì)點(diǎn)到達(dá)出口斷面的時(shí)間取決于其與出口斷面的距離。根據(jù)這一假設(shè)，將流域內(nèi)匯流時(shí)間相等的點(diǎn)連接起來，形成等流時(shí)線，即等流時(shí)線上的降水在形成地表徑流后同時(shí)到達(dá)出口斷面。

在區(qū)域產(chǎn)匯流的計(jì)算上，總來水包括平原區(qū)、山區(qū)設(shè)計(jì)洪水與其他內(nèi)排泵站。首先根據(jù)各時(shí)區(qū)洪水流出出口斷面的時(shí)間，進(jìn)行疊加得出平原區(qū)洪水。然后采用綜合單位線法，根據(jù)山區(qū)各條河末端匯入岐江河節(jié)點(diǎn)位置，與出口西河泵站的距離估算滯時(shí)，將平原區(qū)洪水與山區(qū)洪水錯(cuò)時(shí)疊加，得到總來水。

得出總來水過程后，進(jìn)行調(diào)蓄演算，得到時(shí)段末的槽蓄水量，再根據(jù)排澇區(qū)水位～涌容曲線得到相應(yīng)時(shí)段末的內(nèi)水位，以最高內(nèi)水位是否滿足要求來確定泵站的規(guī)模。

2.3 一維水動(dòng)力模型法

一維河網(wǎng)模型是主要使用于河口、河流等水體的模擬一維水動(dòng)力、水質(zhì)和泥沙運(yùn)輸?shù)膶I(yè)工程軟件。一維河網(wǎng)非恒定流水力計(jì)算可以靈活模擬洪水調(diào)度和水工建筑物，基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組（Saint-Venant system of equations）來模擬河流的水流狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果包括各斷面實(shí)時(shí)水位、流量等，是解決平原網(wǎng)河地區(qū)水利分析計(jì)算的有效方法。

一維非恒定流圣維南方程組：

式中：t，x分別為時(shí)、空變量；Z，Q，U分別為各斷面的水位、流量和流速；A，R分別為各斷面的過水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑；q為單位河長的均勻旁側(cè)入流（包括降雨產(chǎn)匯流)；n為河道糙率系數(shù)。

本文采用MIKE 11 數(shù)值模擬軟件對(duì)中順大圍內(nèi)主要河涌的水位、流量進(jìn)行模擬，進(jìn)一步論證、校驗(yàn)前面幾種方法確定西河泵站規(guī)模的合理性。模型計(jì)算的范圍為中順大圍整體片區(qū)及其內(nèi)部的橫欄主片區(qū)、板芙河西片區(qū)，集雨面積分別為646.78，64.24 ，32.25 km2。模型定解條件采取以下設(shè)定：1）設(shè)計(jì)暴雨，圍內(nèi)20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)的24 h 降水過程；2）外江高潮位，相應(yīng)5 年一遇標(biāo)準(zhǔn)；3）排澇潮型，2012 年7 月23 至24 日外江潮位過程；4）閘泵預(yù)排水位為-0.5 m。

此次研究將在整體片區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀及已有規(guī)劃的基礎(chǔ)上設(shè)置外排泵站的位置及規(guī)模。在主雨峰來臨后，當(dāng)外江水位高于內(nèi)河水位，關(guān)閘開泵抽排；當(dāng)外江水位低于內(nèi)河水位時(shí)，開閘排水。

3 論證過程與結(jié)果

3.1 水量平衡法與等流時(shí)法

1）水量平衡法

來水按澇區(qū)P=5%（即20 年一遇暴雨）洪水過程線確定；根據(jù)圍內(nèi)主要河涌的規(guī)劃或現(xiàn)狀成果資料，逐段計(jì)算后確定排澇區(qū)高程～容積曲線。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 河涌高程～涌容匯總表

根據(jù)水位～涌容關(guān)系、調(diào)蓄原則和計(jì)算步驟對(duì)中順大圍整體片區(qū)進(jìn)行調(diào)蓄演算：內(nèi)河水位低于外江水位時(shí)，開啟泵站抽水；當(dāng)內(nèi)河水位高于外江水位時(shí)，開啟水閘排水，以河涌最高水位不超過1.30 m為邊界條件對(duì)泵站規(guī)模進(jìn)行調(diào)蓄演算，確定滿足排澇需求且經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)規(guī)模。整體片區(qū)調(diào)蓄演算中來水過程線、水閘外排流量過程線、泵站抽排流量過程線及內(nèi)河水位變化過程線見圖1。根據(jù)計(jì)算，排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇時(shí)，中順大圍整體片區(qū)泵站總設(shè)計(jì)排澇流量為1 365.00 m3/s，扣除已建和已規(guī)劃外排泵站的設(shè)計(jì)總流量為966.20 m3/s，經(jīng)計(jì)算，西河泵站對(duì)應(yīng)的流量為398.80 m3/s，此次取400.00 m3/s。

圖1 泵站調(diào)蓄演算過程圖

2）等流時(shí)法

排澇演算結(jié)果如表2 和圖2 所示，即工況一范圍內(nèi)來水經(jīng)河槽調(diào)蓄后設(shè)計(jì)外排流量為348.00 m3/s。

圖2 排澇調(diào)蓄演算試算過程

3.2 一維水動(dòng)力模型

1）河網(wǎng)概化

經(jīng)過現(xiàn)場查勘及對(duì)中順大圍內(nèi)河流水網(wǎng)的梳理，研究中建立了129 條（段）河涌的整體片區(qū)排澇一維模型。

2）模型率定與驗(yàn)證

計(jì)算采用2020 年8 月實(shí)測東河水閘、岐江河員峰橋、西河水閘內(nèi)水位作為率定數(shù)據(jù)。模型各邊界潮位采用同時(shí)段實(shí)測潮位，部分水閘、泵站無實(shí)測的數(shù)據(jù)則根據(jù)地理位置進(jìn)行插值。

根據(jù)率定結(jié)果，以上3 處水位站點(diǎn)的最大水位計(jì)算誤差為12 cm，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合河道規(guī)劃情況與模型率定結(jié)果，接近天然狀態(tài)處斷面系數(shù)取0.030，接近規(guī)則斷面（矩形、梯形、復(fù)式）處斷面系數(shù)取0.025。

采用2020 年11 月實(shí)測東河水閘、岐江河員峰橋、西河水閘內(nèi)水位作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。2020 年11 月25 日（模擬小時(shí)數(shù)為600 h）以后，模擬誤差較大，最大為13 cm，其余時(shí)段誤差均為5～8 cm，均能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用精度要求。

3）模型結(jié)果

此次模型的降雨徑流計(jì)算采用的是MIKE 11軟件中的NAM模塊，從模擬過程中共產(chǎn)流14 816.31 萬m3，前文規(guī)模計(jì)算的產(chǎn)流量（不含堤防滲漏）為14 472.70萬m3，誤差為2.32%。

模型計(jì)算時(shí)段內(nèi)各河涌水位均小于河道的控制水位。模型計(jì)算12 h 后，外江側(cè)潮位高于圍內(nèi)水位，各水閘關(guān)閉擋潮，圍內(nèi)澇水主要依靠中順大圍周邊的西河泵站、東河泵站、白花頭泵站、濱涌泵站、雞籠泵站、裕安泵站等骨干排澇泵站抽排。模型計(jì)算23 h 后，外江潮位降低，但大部分水閘外側(cè)潮位仍然高于圍內(nèi)河涌水位，需泵排。

模型在現(xiàn)有及規(guī)劃建筑物的基礎(chǔ)上，西河泵站設(shè)置400.00 m3/s 的抽排流量，中順大圍各河道的最高水位均不超過控制水位。中順大圍主要河涌最高水位及控制水位見表3。

表3 泵站抽排模型主要河道最高水位

經(jīng)以上復(fù)核驗(yàn)證，各主要河道的計(jì)算水位均小于河道的控制水位，最終復(fù)核的泵站排澇流量（400.0 m3/s）合理可靠。

4 結(jié)語

泵站規(guī)模的論證方法多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。水量平衡法計(jì)算過程相對(duì)簡單，但計(jì)算精度較低，無法考慮水面比降的影響，也無法體現(xiàn)不同控制斷面的不同控制水位。等流時(shí)線法兼顧了不同下墊面地類的產(chǎn)流計(jì)算及流域匯流過程，但只考慮了匯流的平均流速，未能準(zhǔn)確反映流域上各點(diǎn)的匯流速度差異，其劃分過于理想化。一維河網(wǎng)模型利用數(shù)值計(jì)算動(dòng)態(tài)地反映了河網(wǎng)水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，模擬了水閘、泵站等各類水工建筑物的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，計(jì)算精度較高，但建模過程復(fù)雜，需要大量的數(shù)據(jù)支持，并且需要實(shí)測水文數(shù)據(jù)來對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。

綜合各方法適用條件與優(yōu)缺點(diǎn)，本文針對(duì)感潮河網(wǎng)地區(qū)的水力特征，綜合多種方法確定排澇泵站的規(guī)模，通過水量平衡法和等流時(shí)線法對(duì)泵站規(guī)模進(jìn)行分析論證，并采用一維水動(dòng)力模型法對(duì)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)評(píng)估，為平原河網(wǎng)地區(qū)感潮河段排澇泵站規(guī)模論證提供參考。