城区与农田混排区排涝泵站流量计算方法的探讨

刘 超

（安徽省蚌埠市水利勘测设计院 蚌埠 233000）

近年来，随着城镇化进程不断加快，特别是城市新城区和工业园区的建设，导致城市新区原有的农田排涝区泵站排涝能力不能满足新建城区和农田的排涝要求，须重建和新建排涝泵站，增加排涝流量，提高防涝减灾能力。但由于城区雨水设计以城市短历时暴雨强度公式和雨水设计流量公式为主，而农田排水流量公式主要为推理公式法、瞬时单位线法水文公式，这两种计算方法在暴雨样本选样及采用的重现期上有较大差异，排涝设计流量成果相差较大。因此，目前还没有统一排涝标准与方法确定城区与农田混排区排泄涝泵站的设计流量。现以五河县沫河口工业园区三铺湖排涝泵站规模计算为例进行研究探讨。

1 排涝区概况

三铺排涝区位于蚌埠市五河县沫河口镇境内，总面积51.0km2，五河县沫河口工业园区座落在排涝区南部，三铺大沟两侧，工业园区规划面积10.0 km2。

排涝区内有三铺大沟和沫冲引河两条排涝骨干大沟，其中三铺大沟为南北向，沟长6.2km，集水面积23.4km2；沫冲引河为东西向，沟长7.62km，集水面积27.6km2。两沟在沫河口镇东交汇后向南穿淮北大堤入淮河，当淮河水位不顶托时，三铺湖涝水汇入沫冲引河和三铺大沟，通过三铺涵自排入淮河。

为解决汛期受淮河高水位顶托时的涝水出路问题，于20世纪60年代中期在三铺大沟入淮处修建三铺湖排涝泵站，在淮河高水位时抽排涝水入淮河，几经改造，总装机1660kW，抽排能力18.2m3/s，抽排模为0.3 m3/s/km2，约合3年一遇的标准。

但由于沫河口工业园区沿三铺大沟南段两岸规划建设，地势相对较低，地面高程在16.0m左右，加之三铺湖泵站排涝能力不足，汛期易受涝灾，成为制约沫河口工业园区建设和发展的主要因素之一。为保障工业园区内的正常建设和生产，规划重建三铺排涝泵站。

2 泵站规模确定方法的选取

目前在蚌埠地区城市排水流量计算主要采用短历时暴雨强度公式和室外排水设计规范中的雨水量计算公式。农田区主要是采用《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》（1981年）进行计算，即按3d暴雨中后2d暴雨所产生的净雨（R2d），扣除水田滞蓄（V）后，在2d内平均排出计算。

2.1 城区流量计算方法

目前蚌埠地区城区排涝流量主要用暴雨强度公式和室外排水设计规范中的雨水量计算公式计算。即：

2.1.1 暴雨强度

q=2550×（1+0.77×lgp）（/t+12）0.71

式中：q——暴雨强度（L（/s·ha））；

p——重现期（y），城市一般地区p=1y，相对封闭的地势低洼地区p=1.5～2y，重要节点工程如立交桥地区p=3y；

t——降雨历时（min）。

2.1.2 雨量计算公式

Q=ψFq

式中：Q——雨水流量（L/s）；

ψ——径流系数；

F——面积（ha）。

2.1.3 降雨历时

降雨历时按如下公式计算：

t=t1+mt2

式中：t——降雨历时（min）；

t1——地面集水时间（min），根据最远集水点至收水口的距离长短、地形坡度和地面铺盖情况而定，一般5～15min；

m——折减系数，根据管涵形式、坡度及出口条件取1～2。

根据工业园区排水规划，规划区排水模数在5～7m3/s/km2。

2.2 农田计算方法

农田排涝流量计算主要采用的计算办法是《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》（1981年），小面积（50km2以下）抽排模数公式计算原则上按3d暴雨中后2d暴雨所产生的净雨（R2d），扣除水田滞蓄（V）后，在2d内平均排出计算。采用公式：

M抽＝（R2d－V）/（2×86.4）

经计算，农田区5年一遇的排涝模数为0.45 m3/s/km2，10年一遇的排涝模数为0.76 m3/s/km2。

根据沫河口工业园区排水规划，其涝水通过排水管道或明渠直接排入三铺大沟和沫冲引河，由位于淮北大堤内侧的三铺湖排涝泵站抽排入淮河，为典型的城区与农田混排区。要求排涝泵站规模既不能局限于只排工业园区内的涝水，也不能仅仅作为区域泵站按农田排涝标准考虑。但是由于城区与农田排水量计算基础的差异，仅简单把工业园区计算的流量与农田区计算的流量相加，显然缺乏可信度。同时，工业园区采用的暴雨强度公式计算雨水量，基本上是雨水来多少排多少，雨水即时排出，没有考虑整个排涝区内沟塘和农田的调蓄以及农田区汇流的滞后性，泵站规模较大，有效利用时间少。经反复探寻，按同一排涝标准、降雨历时，充分考虑排涝区内沟塘及农田调蓄的原则，以充分利用现有水利工程，通过合理调度，保证排涝泵站经济运行为指导思想，确定排涝泵站的设计规模。经多种方案比较分析，工业园区规划按24h净雨24h平均排出，农田区按3d降雨中后2d降雨所产生的净雨扣除水田调蓄后，在2d内平均排出的方法，分别计算工业园区和农田区在设计标准下的排涝流量，两者之和即为泵站的设计流量。

3 泵站设计流量的确定

根据沫河口工业园区规划和三铺湖洼地治理规划，按相关规范的规定，三铺湖洼地近期治理排涝标准为10年一遇。

由于三铺湖洼地区域内没有雨量站，故采用近邻的蚌埠水文站实测的降雨资料进行频率分析，3d降雨均值为138.79mm，Cv＝0.39，Cs/Cv=4.0。10年一遇 3d 设计暴雨为210.8mm。查《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》附表1，集水面积在100km2及以下，10年一遇降雨量为215mm，与蚌埠站分析数字基本一致。因此，三铺湖洼地排涝模数计算10年一遇降雨采用215mm。设计净雨、抽排模数均按《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》计算。

设计净雨：前期影响雨量均采用55mm，查a区线，农田区10年一遇设计净雨为165mm，城市规划区净雨取降雨乘径流系数，径流系数取0.85。

城市抽排模数，按24h净雨24h平均排出，则：

M城市=α×P/86.4

式中：M城市——城区排水模数；

α——最大24h净雨占3d净雨总量的权重，其值约为84%；

P——3d暴雨相应的净雨深。

农田抽排模数原则上按3d暴雨中后2d暴雨所产生的净雨（R2d），扣除水田滞蓄后（V），在2d内平均排出计算，采用计算公式：

表1 24h暴雨时程分配表（以%计）

式中：M抽——抽排模数；

旱地率——包括非耕地水田率均按占总排水面积的百分数比；

P——3d暴雨量；

R——相应的净雨（代表旱地）。

系数0.9为后2d暴雨（或净雨）占3d暴雨（或净雨）的权重；2×5（mm）为 3d 内水田面积上的降雨损失；200（mm）为水田的净滞蓄水深。

计算得10年一遇工业园区抽排模为1.78m3/s/km2，农田抽排模为0.77m3/s/km2。

三铺湖排涝泵站排涝面积51km2，其中工业园区面积10km2，农田区41km2，按10年一遇排涝标准（城市区排模1.78m3/s/km2，农田区排模0.77m3/s/km2），三铺湖洼地治理抽排流量为50m3/s。

4 流量复核

为验证计算成果的合理性、可靠性，按排涝区发生设计标准降水（10年一遇）和发生超标准降雨（20年一遇、50年一遇），对泵站规模进行复核。

4.1 核算方法的选定

三铺湖排涝泵站的排涝区由城市规划区和农田区组成，目前本地区没有可采用的城市建城区和小面积农田的短历时径流过程线，因此从偏安全方面考虑，采用不同频率最大24h降雨，然后按一定的比例分配到每小时，得到每小时的降雨量，按径流系数法计算净雨，求得排涝区的径流过程。根据排涝泵站的设计条件，确定14.5m（泵站的最低设计水位）为起调水位，泵站正常抽排50m3/s的条件下，按水量平衡公式进行洼地蓄水库容调算，从而核算泵站的装机规模。

4.2 降雨量分析

因三铺湖洼地流域没有长系列降雨资料，采用蚌埠站系列年实测降雨量资料，对年最大24h雨量系列进行频率分析，均值为96.36mm，Cv为0.35，Cs/Cv为3.5。10年一遇24h暴雨分别为 141.6mm，20年一遇 24h暴雨为160.2mm，50年一遇24h暴雨为183mm。

4.3 最大24h降雨时程分配

根据1975年版《安徽省水文手册》，采用淮河以北（包括沿淮）最大24h暴雨时程分配成果，暴雨时程分配见表1。

根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006），短时降雨工业园区综合径流系数取0.6。按照《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》，不考虑前期影响雨量，农田区径流系数为0.45；不考虑汇流时间，计算排涝区汇流量，从而得到排涝区24h降雨汇流过程线。

表2 洼地调蓄库容曲线表

4.4 排涝区洼地调蓄库容

根据三铺湖排涝区水利工程现状及五河县沫河口工业园区规划，起到调蓄作用的除三铺大沟、沫冲引河、李洼大沟等排涝大沟外，还有李洼大沟下段洼地（规划为工业园区的绿化用地）及工业园区南部、宁洛高速公路以南的洼地，由规划的排涝沟断面和万分之一航测图量算，可用于调蓄涝水的洼地面积约1.95km2，16.0m高程以下调蓄库容约183.9万m3，洼地调蓄库容曲线表见表2。

4.5 10年一遇降雨核算

按农田面积41km2，城市建成区面积10km2，不考虑现有工程的调度，按规划的50m3/s的排涝泵站进行抽排，只有在第10、11、12、13四个时段汇流流量大于抽排流量，经平衡计算，有108万m3的涝水需短时间滞蓄。经调算，最高水位为15.66m，低于工业园区内地面高程。

4.6 20年一遇降雨核算

按现有水利工程布局，关闭三铺大沟上的五蚌公路节制闸，拦截五蚌公路以北15.87 km2的涝水错峰下泄，按规划的50m3/s的排涝泵站进行抽排，只有在第10、11、12三个时段汇流流量大于抽排流量，经平衡计算，有74.78万m3的涝水需短时间滞蓄。经调算，最高水位为15.46m，低于工业园区内地面高程。

4.7 50年一遇降雨核算

按现有水利工程布局，关闭三铺大沟上的五蚌公路节制闸和沫冲引河上的横岭闸，拦截五蚌公路以北15.87 km2、横岭路以东9.58 km2的涝水错峰下泄，按规划的50m3/s的排涝泵站进行抽排，只有在第11、12两个时段汇流流量大于抽排流量，经平衡计算，有59.14万m3的涝水需短时间滞蓄。经调算，最高水位为15.32m，低于工业园区内地面高程。

上述分析可知，10年一遇的设计标准及超设计标准的20年一遇、50年一遇的降雨时，通过现有水利工程的合理调度运行，充分利用沟塘及农田的短时间调蓄，泵站前池水位均低于工业园区的地面高程16.0m和厂区地面高程16.5m，不会因排涝大沟涝水水位过高引起倒灌而淹没工业园区。因此，三铺湖排涝泵站设计规模为50m3/s，能满足排涝要求