梯級泵站排水方案 在濱海感潮河網地區(qū)的應用研究

胡 劍，楊怡青，吳絲瑩，余方順，張 芳

(寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192)

1 概述

自大禹治水至今，人類歷史上從未間斷過與洪水進行斗爭。但近幾十年來，隨著人類活動的日益加劇以及城市化進程的快速推進，原洪澇水天然蓄滯場所大幅縮減，極端氣候事件日益頻發(fā)。目前，我國正面臨著洪澇災害頻度增加、強度加劇、洪澇災害損失由農業(yè)農村為主向城市轉移的客觀現實。

針對城市洪澇治理措施的制定，世界各國大同小異，普遍采用”工程措施+非工程措施”相結合的方式，即以工程措施為主，非工程措施為輔，構建完整的防洪減災體系[1]。其中，工程措施一般依據流域/區(qū)域洪澇水成因及特性，普遍選用“上蓄、中疏、下排、外擋、低圍、內滯”的治理方針，組成包括水庫、堤防、內河、水閘、排澇站(雨水泵站)及滯洪區(qū)等防洪排澇設施在內的完整的城市防洪體系[2]。近年來，隨著城市化進程的加快，以及城市洪澇問題的頻發(fā)，受土地、資金、工期等要素的制約影響，許多專家學者意識到繼續(xù)依靠大規(guī)模的水利工程建設已無法保障重點區(qū)塊的防洪排澇安全。故近年來基于”海綿城市”、”城市深隧排水”等蓄滯理念[3- 9]陸續(xù)應用到城市防洪除澇中，取得了一些值得借鑒的經驗，然而上述研究目前在國內外尚屬起步階段，而且是較為復雜的系統(tǒng)性工程，牽涉因素眾多，需妥善權衡利弊。

鑒于沿海發(fā)達城市土地資源緊缺的客觀實際，為減少土地征占、降低工程投資、加快工程進度，盡早發(fā)揮工程建設效益，有效緩解濱海感潮河網地區(qū)洪澇水外排難問題，本文以點帶面，創(chuàng)新性引入國內外流域/跨流域、大型灌區(qū)等調(輸)水較為常用的梯級泵站手段[10- 14]，即于骨干行洪通道關鍵節(jié)點設置“接力泵”翻水，通過以電能換動能、以動能換勢能，逐級增大水力坡降、加快水流速度、加大行進水頭，提高河道及口門引排水能力[15]。梯級泵站排水工程示意圖如圖1所示。

2 計算方法

鑒于濱海骨干排水網行洪路徑長(普遍河長介于幾公里至幾十公里不等)、沿途構筑物繁多、區(qū)間匯水復雜、出口亦受外海潮水等影響，其洪水演進較為復雜，采用一般的水利計算方法難以進行準確定量分析。故本文采用甬江流域洪水模擬數學模型，該模型將流域水系概化成由河網、水域和陸域組成的體系，通過引入陸域寬度概念，河網、水域和陸域便組成統(tǒng)一的數學模型，或稱混合模型[16- 17]。

2.1 水流方程

采用一維非恒定流模型描述水流在明渠中的運動，基本方程為圣維南偏微分方程組，其中包括連續(xù)方程和動力方程：

圖1 梯級泵站排水工程示意圖

(1)

(2)

式中，q—河道旁側入流，m3/s；BT—當量河寬，m；Z—斷面水位，m；Q—流量，m3/s；K—流量模數；A—過水斷面面積，m2；x—河長，m；t—時間，s。

2.2 堰閘出流模擬

堰閘出流由堰流公式和堰閘調度方式決定。

碶閘的泄洪形式為自由出流時：

(3)

泄洪形式為淹沒出流時：

(4)

式中，m—閘孔自由出流流量系數；φ—閘孔淹沒出流流量系數；Zu—閘前水位；Zd—閘后水位；H—閘前水頭；Hs—閘后水頭；B—閘孔的寬度。

2.3 泵站出流模擬

泵站出流由泵站調度方式和設計泵排能力決定。

2.4 漫灘與漫堤

隨著平原河網水位的升高，洪水會漫溢到平原低洼地區(qū)。為了反映各片低洼區(qū)對洪水的滯蓄功能，根據各分區(qū)的萬分之一地形圖及調查資料，分片制定了河網水位與漫灘庫容的關系曲線，用以模擬漫灘情況下各片區(qū)對洪水的調蓄作用。

對于河道，如果河道水位超過河道堤防高程，則洪水漫過堤防就近進入平原河網。漫堤洪水流量，視漫堤長度、超堤防水頭情況，采用堰流方式予以計算。

2.5 城市雨水管網模擬

當河道水位低于平原澇水位，則按照雨水管網設計排水能力將雨水就近排入河道；若河道水位高于平原澇水位，則限制該時刻雨水管網排水，澇水由平原暫時滯蓄。

2.6 邊界條件

(1)流量邊界：山區(qū)各分區(qū)設計流量過程，有水庫調蓄的分區(qū)先進行水庫調洪計算，然后通過河道洪水演算至平原，其流量過程作為平原河網計算的入流邊界條件。

(2)潮位邊界：將流域出口的外海設計潮位過程作為模型計算的下邊界條件。

(3)工程規(guī)模：通過對河道和水利工程資料調查和收集，建立模型計算的工程數據庫，以確定模型內邊界條件。

3 研究案例分析

3.1 研究概況

姚江流域位于浙江省東部沿海，屬甬江二級流域，在夏秋之間極易遭受“臺暴”——本流域最主要災害性天氣。受本流域地勢北高南低、西高東低的影響，流域歷來排水主要以東排為主、北排為輔，其中東排主要通過姚江經已建姚江大閘、規(guī)劃姚江二閘(姚江二通道工程(大通)方案)東排至甬江后出海，北排則通過北側沿海閘門排至杭州灣。其中流域東排主流姚江屬平原型河流，全長102.4km，河床平坦，水面比降不足0.01‰，其出口除受甬江上溯潮水頂托外，極易遭受南側奉化江流域上游來水影響，因此姚江流域歷來洪澇壓力突出。

近年來，流域接連遭遇“?？?、“菲特”、“燦鴻”等強臺風的襲擊，給流域造成了極其嚴重的洪澇災害損失，2013年“菲特”臺風所造成的洪澇災情之重、損失之大更為歷史罕見。為此，按規(guī)劃要求擴大姚江東排能力即實施姚江二閘工程已是迫在眉睫，但由于該工程位于寧波市區(qū)核心板塊，涉及杭甬運河、區(qū)域城市建設等一系列問題，規(guī)劃至今一直未列入實施計劃。為此，經前期研究提出先期利用姚江支流慈江(即慈江—沿山大河通道)進行適當分洪的設想，以加大姚江干流東排能力。姚江流域總體排水格局示意圖如圖2所示。

慈江—沿山大河通道位于江北鎮(zhèn)海北側山腳，是江北鎮(zhèn)海片主要洪澇水排放通道，工程西起慈江大閘，向東經化子閘進入鎮(zhèn)海境內，再向北行約2.6km至大嚴分為南北兩線，南北兩線又于三七房匯合后東排經澥浦大閘入灰鱉洋。工程全長34.2km，其中江北段全長14.9km，河面寬60m，河道兩岸現狀即全線節(jié)制；鎮(zhèn)海段全長19.3km，河面寬南北支線各為40m，其余段60～120m不等，現狀河道兩岸不節(jié)制。慈江—沿山大河通道示意圖如圖3所示。

圖2 姚江流域總體排水格局示意圖

圖3 慈江—沿山大河通道示意圖

3.2 方案設置

由于慈江—沿山大河通道原設計不承擔姚江干流分洪任務，故為切實發(fā)揮分洪效益，研究以“確保江北鎮(zhèn)海平原防洪排澇安全”為前提，提出了“梯級泵站排水”方案，并將“高水高排”作為比選方案，以分析方案利弊。

(1)梯級泵站排水方案為三級接力泵方案，即：慈江—沿山大河通道按照“下抽上分”原則，通過降低下游水位，在保證下游安全前提下，將上游洪水適量分入，其中三級接力泵規(guī)模由分洪渠首(慈江閘站)至渠末(澥浦閘站)分別為100、150、250m3/s；此外，考慮本方案實施后勢必影響兩側平原排澇及水系原有排水習慣，為消除工程影響，沿線實施堤防整治、圍圩電排等補償配套工程。梯級泵站排水方案工程布置示意圖如圖4所示。

圖4 梯級泵站排水方案工程布置示意圖

(2)高水高排方案為分洪渠首設泵+全線高水高排方案，即于分洪渠首慈江大閘處新建泵站100m3/s，將慈江—沿山大河作為分洪通道全線進行節(jié)制，同時為滿足過流需要，配套鎮(zhèn)海沿山大河8.8km由河面寬40m拓寬至70m。此外，為消除工程建設帶來的不利影響，沿線增設相應補償配套工程。高水高排方案工程布置示意圖如圖5所示。

圖5 高水高排方案工程布置示意圖

3.3 結果分析

方案實施前后水利計算成果對比、慈江閘站分洪量成果對比、各方案工程建設及征地投資對比見表1—3。

(1)兩組分洪方案的實施效益及影響：兩組方案基本相當，即兩組分洪方案均可實現最大3日分洪姚江干流洪水約2300～2500萬m3，降低姚江干流20年一遇洪水位0.06～0.10m，縮短干流超警戒時間5～8h；同時，分洪方案實施后江北鎮(zhèn)海平原除慈江—沿山大河通道由于額外承擔姚江干流分洪任務，水位有所抬升外(但可通過堤防加高等手段確保安全)，其余片區(qū)排澇能力均有所提升。

(2)進一步對比兩組分洪方案的工程建設及征地投資等方面，梯級泵站排水方案工程建設通過以點帶面，較傳統(tǒng)高水高排方案征地更少、投資更省、工期更短。

4 結論

為有效克服濱海感潮河網地區(qū)河道輸水流速低、排水慢且易受外海潮位頂托等問題，以切實緩解流域泄洪壓力，研究引入的梯級泵站排水設計理念，相比傳統(tǒng)高水高排方式，在發(fā)揮同等分洪效益的情況下，可有效節(jié)省土地資源、減少工程投資、降低實施難度、加快工程建設周期。鑒于沿海發(fā)達地區(qū)土地資源較為緊缺的客觀實際，研究認為梯級泵站排水方案總體性價比更高，更符合本地區(qū)實際。該設計理念亦可為沿海發(fā)達城市類似領域研究提供重要的借鑒意義和參考價值。

表1 方案實施前后水利計算成果對比(P=5%)

注：P為降水頻率。下同。

表2 方案實施前后慈江閘站分洪量成果對比(P=5%)

表3 各方案工程建設及征地投資對比表