丰城市城西防洪综合整治工程排涝流量计算分析

朱永华

(江西省丰城市水利局，江西丰城 331100)

江西省丰城市中心城区总体规划为“一江两岸”格局，赣江穿城而过，河东、河西两大城市区隔江相望;城西区将建成集商业金融、文体娱乐、居住等功能为一体的城市新区，规划居住人口13万人。

城西防洪综合整治工程是城西区防洪、排涝的骨干工程，包括防洪堤及内涝治理工程，工程建成后可保护城西区免受赣江洪水威胁，及时排除区内涝水，保障当地人民生命及财产安全。排涝泵站是内涝治理工程主要水工建筑物，排涝流量计算分析是确定排涝泵站装机规模的主要依据，本文通过几种方法分别计算了城西区设计暴雨流量，并进行了较为全面的比较分析，提出了合理的设计暴雨流量，为排涝泵站设计提供了依据。

1 排涝标准及规划

1.1 排涝标准

根据《城市防洪工程设计规范》，通常以排除一定重现期的暴雨所产生的径流作为治涝工程的设计标准。目前，我国一些城市的治涝设计标准基本在5～20 a一遇，广东、广西等省及地区的县级市一般采用10 a一遇。

根据我国各地的工程经验，泵站工程由于涉及机电设备较多、工程运行成本较高，为控制工程投资，一般采用较低的治涝设计标准。城西区保护人口小于20万，为一般重要的保护城市区，城市防洪工程等别为四等。根据规范并结合相关类似工程经验，城西防洪整治工程中，泵站排涝设计标准:10 a一遇24 h最大降雨一日(24 h)排除。

1.2 排涝规划

丰城市城西区共设两处内涝出口，每处布置一座排涝泵站，即蔡家排涝站和龙头山排涝站。龙头山排涝站位于防洪堤下游段，地势较低，集水面积较大，皮湖水库下泄洪水亦从该处排入赣江，工程区大部分内涝通过该泵站排除，为主排涝站。蔡家排涝站位于防洪堤上游段，地势较高，集水面积较小，主要排除剑邑大桥上游区域内涝，其排涝流量较小，为次要排涝站。两处排涝站通过排涝渠道连接，实现协同排涝。

1.3 排涝分区

城西区总汇水面积30.84 km2，根据排涝泵站布置、工程区降雨汇流条件以及雨水调蓄区分布情况，将工程治涝范围划分为A、B、C 3个区间。皮湖水库区间为B区，汇集水库坝址以上区域雨水，汇水面积10.66 km2，水库下泄洪水通过龙头山排涝站排入赣江。水库以外范围以剑邑大桥为界，分成A区和C区，其中，大桥上游区间为A区(蔡家排涝区间)，汇水面积8.07 km2，该区间降雨产生的涝水主要通过蔡家排涝站排入赣江。大桥下游区间为C区(龙头山排涝区间)，汇水面积12.11 km2，该区间降雨产生的涝水主要通过龙头山排涝站排入赣江。

2 排涝流量计算

降雨产生的排涝流量计算方法主要有:调蓄演算法、排水模数法、平均排除法。

2.1 调蓄演算法

该工程调蓄区主要为皮湖水库和湿地公园。调蓄计算主要内容为:①皮湖水库坝址以上汇水区域的设计洪水，经过皮湖水库调蓄作用，计算水库下泄洪水过程;②皮湖水库下泄洪水、排涝渠来水及湿地公园周边区间汇集雨水，经过湿地公园调蓄后，计算其出流过程，以确定龙头山泵站装机规模。

2.1.1 皮湖水库调蓄计算

皮湖水库位于防洪堤保护区内，为小(1)型水库。2010年，皮湖水库进行了扩建，扩建后水库正常高蓄水位28.38 m，总库容为612万m3。扩建后，皮湖水库主要工程建筑物有:大坝、溢洪道及坝下输水涵管。溢洪道为开敞式，无闸控制，溢流堰顶高程28.38 m。皮湖水库库水位-库容关系见表1，溢洪道泄流能力见表2，输水涵管泄流能力见表3。

表1 皮湖水库库水位-库容关系曲线

表2 皮湖水库溢洪道泄流能力

表3 皮湖水库输水涵管闸门全开时泄流能力

通过溢洪道及坝下涵管泄水控制库水位，皮湖水库腾出部分库容，具有一定的雨水调蓄作用，确定排涝泵站装机规模时，应适当考虑该水库的雨水调蓄功能。结合皮湖水库的库容、水工建筑物泄水能力等因素计算分析，汛期利用输水涵管过流控制库水位不超过27.38 m，提供90万m3的蓄涝库容。据此条件进行皮湖水库洪水调节计算，起调水位27.38 m。最大下泄洪流量6 m3/s，说明水库调蓄作用明显。

2.1.2 蔡家排涝站规模拟定

蔡家排涝站主要排除A区雨水，A区设计频率洪水过程线见表1。由于蔡家排涝区间没有大面积雨水调蓄区，因此，根据A区10 a一遇24 h最大暴雨洪水过程线，拟定蔡家排涝泵站设计暴雨排涝流量为8.5 m3/s。当A区暴雨产生的流量大于蔡家站的设计流量时，该区余量内涝水流通过排涝渠道引至工程区下游的湿地公园调蓄区，经过调蓄后，由龙头山站排除。

2.1.3 湿地公园调蓄计算分析

根据城西区详细规划，在龙头山与老洲村之间建湿地公园，湿地公园面积约55 hm2。计算分析湿地公园调蓄能力时，调蓄水深考虑1.0，2.0 m两种情况;水面面积考虑30万，35万，40万，50万m24种情况。经过比选，拟定龙头山湿地公园调蓄水面面积为35万m2，调蓄水深取2 m，起调水位23.0 m。

皮湖水库下泄洪水(B区)、排涝渠来水(即A区余量涝水)以及湿地公园周边区间(即C区)汇集雨水，经过湿地公园调蓄后，由龙头山泵站排入赣江。C区设计洪水见表1。

经过调蓄计算，控制湿地公园水面不超过25.0 m，不淹没城区;充分考虑湿地公园对内涝的调蓄作用，计算出龙头山排涝泵站设计暴雨排涝流量为23 m3/s。

2.2 排水模数法

涝区1 km2集水面积的最大排水流量称为排水模数［m3/(s·km2)］，排水流量及排水模数计算公式如下:

式中Q为排水流量，m3/s;q为排水模数，m3/(s·km2);A为集水面积，km2;R为设计暴雨所产生的径流深，mm，由暴雨、径流关系推求;m为峰量指数(反映排水模数与洪峰流量的关系);n为递减系数(反映排水模数与面积的关系);K为综合系数(反映河沟配套程度、排水沟坡比、降雨历时及流域形状等因素)。

设计暴雨、设计暴雨与地面径流的关系、排水模数，各地多有观测总结资料，排水泵站工程规划时一般可直接查用。参照国内平原湖区资料，集水面积小于500 km2时，K=0.0135，m=1.0，n=-0.201。下面介绍了10 a一遇24 h最大降雨条件下，皮湖水库区域、水库以外区域排水流量计算情况。

(1)皮湖水库区域。皮湖水库集雨面积10.66 km2，设计暴雨所产生的径流深155.0 mm，经过计算，其排水模数q=1.3 m3/(s·km2)，排水流量Q=13.86 m3/s。

(2)皮湖水库以外区域。城西防洪堤保护区集水总面积30.84 km2，皮湖水库区域集水面积10.66 km2，水库以外区域集水面积20.18 km2，水库以外区域规划为城区，设计暴雨所产生的径流深162.0 mm，经过计算，其排水模数 q=1.2 m3/(s·km2)，排水流量 Q=24.22 m3/s。

2.3 平均排除法

平均排除法，区域产生的总水量除去滞蓄外，其余均需在规定时间内排除。计算公式如下:

式中Q为设计排水流量，m3/s;A水田为涝区水田面积，km2;A旱荒为涝区旱地、道路、村镇面积，km2;A河湖为涝区河网、湖泊水面积，km2;P设计为设计暴雨量，mm;T为排水天数，d;t为每天开机小时数，h;C为旱荒地一次暴雨径流系数;h水田为水田允许滞蓄水深，mm;h河湖为河网、湖泊蓄涝水深，mm。

该工程基本无水田，主要由城区、旱地及水面组成，排水天数为1 d，每天排水小时数取24 h。工程区10 a一遇最大24 h暴雨量为206.4 mm。根据以上条件，分别计算皮湖水库区域、水库以外区域排水流量。

(1)皮湖水库区域。皮湖水库集雨面积10.66 km2，水库水面积约1.0 km2。该区域以旱地为主，旱荒地一次暴雨径流系数取C=0.4。水库水面蓄涝水深取100 mm。经计算，设计排水流量8.1 m3/s。

(2)皮湖水库以外区域。皮湖水库以外区域集水面积20.18 km2。水库以外区域规划为城区，其中湿地公园面积0.55 km2，水面面积0.35 km2。该区域一次暴雨径流系数取C=0.6。

湿地公园作为主要雨水调蓄区，起调水位23.00 m，控制高水位25.00 m，水面蓄涝水深取2000 mm。经计算，设计排水流量为20.32 m3/s。

3 计算方法比较

3.1 调蓄演算法

调蓄演算法考虑雨水调蓄区的滞洪、削峰作用。该计算方法先计算出工程区暴雨产生的流量过程，再考虑大面积水体的调蓄作用，进行调蓄计算后，得到调蓄削峰后的流量过程。计算过程中，考虑了雨水产汇流时间因素，以及工程区水库等调蓄区的削峰、滞蓄作用，计算结果较客观。

城西区域主要雨水调蓄区有皮湖水库及湿地公园，皮湖水库流域产生的涝水，经过水库调蓄，下泄洪水峰值有所削减;水库下泄洪水及水库以外区域地表汇水，经过湿地公园调蓄后，需要排除的涝水流量峰值进一步削减。

3.2 排水模数法

排水模数法通过计算涝区单位面积(km2)的最大排水流量，以求得工程区暴雨产生的总流量。该法计算时考虑了暴雨产生的径流深，利用综合系数反映河沟配套程度、排水沟坡比、降雨历时及流域形状等因素，计算中的有关参数主要是类比工程经验取值，具有较大的可变性。该计算方法没有考虑工程区调蓄及雨水汇流时间长短这两个主要因素，而该工程有较大的雨水调蓄区，这是该计算方法存在的主要缺点。

3.3 平均排除法

平均排除法，区域产生的总水量除去滞蓄外，其余均在规定时间内排除。该法计算简单，主要用于农田排涝，计算考虑了工程区水库等大面积滞蓄区的作用，但是没有准确考虑滞蓄流量过程，而且没有考虑雨水汇流过程因素。

采用调蓄演算法、排水模数法及平均排除法计算工程区设计暴雨排涝流量，计算结果见表4。

表4 设计暴雨排涝流量比较(10 a一遇24 h最大降雨)m3/s

4 排涝流量分析

通过分析3种方法的设计暴雨排涝流量计算结果，可以得出以下结论:

(1)按设计暴雨排涝流量计算结果，各计算方法从大至小排序依次为:排水模数法、调蓄演算法、平均排除法。

(2)排水模数法计算结果偏大的主要原因是没有充分考虑雨水调蓄区的蓄涝、削峰作用。

(3)调蓄演算法、平均排除法计算结果均较小，且其计算结果差别不大。

(4)平均排除法计算结果最小，是24 h内的一个平均排水流量，该法主要适用于农田排水，不宜用于城市排涝规模计算分析。

(5)调蓄演算法既考虑了雨水调蓄区的蓄涝、削峰作用，同时也考虑了洪水过程，计算结果较客观，亦偏安全，适合用于城市排涝规模计算分析。

5 结语

本文通过调蓄演算、排水模数及平均排除等几种方法分别计算了城西区设计暴雨流量，并进行了较为全面的比较分析。计算结果显示，调蓄演算法既考虑了工程范围内调蓄区皮湖水库及湿地公园的滞蓄及削峰作用，又考虑了暴雨汇流过程，计算结果较为客观、合理，因此可以此作为排涝泵站装机规模的依据。