复杂河网大型排涝泵站运行方案的优化研究

张 浩，潘志军，何 勇，章宏伟

（1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310019；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

复杂河网大型排涝泵站运行方案的优化研究

张 浩1，潘志军1，何 勇1，章宏伟2

（1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310019；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

为获得受通航和河道安全限制的大型排涝泵站最优运行方案，采用二维水力计算模型分析河（航）道安全运行边界流量，并采用漫垸网河准二维与一维混合数值模型分析泵站遇20 a一遇降雨条件下的多种运行方案排涝效果。结果表明，降低泵站控制起排水位的同时，采用多机组合排涝流量接近河道安全运行边界流量的运行方案排涝效果最佳、河道和航运安全影响最小。按上述方法建立排涝泵站不同降雨频率和雨型的运行方案库，为防汛排涝决策提供技术支撑。

排水量；数值模型计算；优化运行；排涝泵站；复杂河网

1 问题的提出

能否制定合理的泵站运行方案是直接关系到排涝效果是否显著、河（航）道运行是否安全、运行成本高低的关键。目前,大型排涝泵站的运行调度原则通常是根据内河指定水位测站的水位确定所需的排涝流量，从而控制启动机组的数量，目的是尽可能地使每台泵能在设计工况下运行，可以同时兼顾排涝效率和运行成本。当前大型轴流水泵广泛应用于城市排涝工程中，这种水泵往往具有叶片调节机构，可以避免水泵在扬程高时进入性能不稳定区，实现经济运行、减小机组启动功率和防止运行中的空化和过载、调节流量及安全停机断流。另一方面，依托复杂河网作为排水来源的泵站，不仅受各排水片区、泵、闸、城市引水通道等工程相互影响外，还受航运和河道两岸防护结构安全等限制条件影响。所以固定水位边界的运行方案，已然不适合技术日益先进的排涝泵站，泵站运行管理单位迫切需要更加细致和优化的方案。

目前，针对大型泵站运行优化的研究较多，主要采用的优化方法有线性规划算法[1]、非线性规划方法[2]、动态规划法[3]、遗传算法、粒子群等算法[4]，并取得了一些成果。但研究成果来自于大致相同技术路线，即假设给定抽水总量，通过调节单机叶片角度(或转速)、多机联合调度、调整运行时段等手段，达到提高泵站效率，降低运行能耗，节约运行费用的目的。这些优化方案适用于灌溉、调水、城市供水和排污泵站的运行，并得到广泛应用。对于排涝泵站方面成果较少，袁丹青等[5]在已知涝水量或涝水位，建立排涝费用最低的排涝策略的数学模型，优化排涝泵站运行，达到节能目的。但鲜见将降水量作为边界条件，通过综合考虑泵站节能、航运和河道的安全等影响，以发挥排涝泵站最大排涝效果为目标的运行优化方案的研究。

为了探索大型城市排涝泵站的优化调度运行方案，本文的技术路线如下：通过二维水力计算模型分析确定河(航)道安全运行的边界流量，建立泵站单机多种运行模型，采用漫垸网河准二维与网河一维混合数值模型分析计算台汛期20 a一遇流域降雨条件下不同运行模型的排涝效果，以泵站排水量、降低最高水位值、高水位影响持续时间和影响通航持续时间4个指标，比较泵站各运行方案的优劣性，最终选择合理运行方案。

2 排涝泵站工程概况

2015年5月，杭州市在京杭大运河最南端三堡船闸西侧建成杭州三堡排涝泵站，以京杭运河为输水干河，通过泵站把运河水排向钱塘江，旨在提高杭州平原水系外排能力，缓解杭州区域和流域内涝，同时减轻嘉兴、湖州及太湖防洪压力。该工程是以防洪、治涝为主,结合改善水环境等综合利用效益的大(一)型水利枢纽工程，泵站设计排涝流量为200 m3/s，设4台3560 ZXQ50 - 3.65机组，斜30°布置，装机容量13.2 MW，水泵叶片可采用液压全调节调整工作角度，范围- 8.0° ～ 4.0°，工作扬程0.00 ～ 5.51 m。设计引水流量30 m3/s，年引水量6.5亿m3。泵站布置平行于三堡二线船闸西侧，上下游引涵进出水口与船闸引航道紧密结合，运行期汇水河道依托现状京杭大运河。

泵站运行调度原则按照城区拱宸桥水文站点河道水位分级控制开机台数，单机按照恒定流量运行。当水位在2.00 ～2.40 m开1台泵，排水流量50 m3/s，一旦该站水位上涨达到2.40 m时，河道停航，三堡船闸停止运行；水位超过2.40 m后，排涝不再受航运影响，即水位在2.40 ～ 2.60 m开2台泵，排水流量100 m3/s；水位在2.60 ～ 3.20 m开3台泵，排水流量150 m3/s；拱宸桥水位高于3.20 m时开4台泵，排水流量200 m3/s。通过2015年汛期试运行，发现原方案调度方式单一，不能充分发挥工程排涝效果。

3 河道运行边界分析

3.1 分析方法和原理

所谓河道安全运行是指排涝时，航道中不应当出现如泡漩、乱流等影响通航安全的不良流态，同时也不能出现过高流速导致河道冲刷影响河道建筑物安全，分析可采用二维水力计算分析各种运行工况和水位下的航(河)道流态，得到河道安全运行边界条件，在航道和河道安全性分析方面有较成熟的应用[6]。

3.2 运行边界流量计算

（1）二维水力计算模型上边界取拱宸桥水文站，下边界取三堡船闸闸首，模拟计算河段长度约13 km（见图1）。对计算区域采用三角形划分，最高分辨率为5 m，最低分辨率为15 m，共16 250个节点，29 656个三角形，泵站进水口局部网格见图2。实测河床高程数据线性插值方式插到网格节点上，河道糙率系数按照现状取0.023 ～ 0.030。拱宸桥与三堡船闸之间河道两侧支流流量由杭嘉湖东部平原一维水利计算模型提供，并以点源形式放入二维水力计算模型。

图1 河道二维水力模型计算区域图

图2 河道二维水力模型计算泵站进水口网格图

（2）当水位较低时，泵站起排或预排涝水均需考虑航运影响。泵站进水口位于京杭大运河杭州三堡二线船引航道，为V级航道，纵向流速，因流速引起的船舶转弯半径限制，船闸引航道口门、制动段和停泊区、导航段和调顺区对纵向流速、横向流速、回流速度的限制满足《内河通航标准 》和《船闸总体设计规范》（见表1）。

表1 V级航道船闸引航道最大流速限值表

（3）河道冲刷条件按照《水工设计手册》沙玉清公式计算，基床多为砂质(含砂)粉土、粉砂，泥沙粒径d50= 0.035 ～ 0.149 mm，计算杭州河段基床泥沙启动流速0.60 ～0.65 m/s。

（4）计算水位1.60 ～ 2.20 m时流量50 ～ 150 m3/s，水位2.40 ～ 3.00 m时流量100 ～ 200 m3/s，水位3.20 ～ 3.80 m时流量200 ～ 300 m3/s，水位差0.20 m，流量差50 m3/s，共36种组合下河道流态，泵站进水口附近水域典型流场见图3。

图3 水位2.40 m流量100 m3/s泵站进水口附近水域流场图

（5）结果表明河道安全运行边界流量取决河道基床泥沙启动流速和船闸引航道横向流速限制条件，通过内插计算得出不同水位安全过流量见表2。

表2 河道不同水位安全过流量表

4 泵站运行方案优化

4.1 单机运行模型

对于具有叶片调节或变速调节功能的泵站，在满足机组总功率和设备安全运行的条件，分别建立恒定流量、恒定叶片工作角度、最优效率、最优流量运行模型，建立流量与工作扬程关系曲线。泵站单机运行按照流量公式建立模型：

式中：Q为单机泵排涝流量(m3/s)；p为单机泵额定功率(W)；ρ0为水密度(kg/cm3)；g为重力加速度(m/s)；H为工作扬程，进出水池水位差(m)；ηp为泵站单机原型装置效率；η1为除单机泵原型装置效率损失外的其他损失系数；η2为叶片或转速调节系数。

4.2 单机运行流量

按照泵装置原型综合特性曲线拟定不同运行模型流量公式，建立单机运行流量与工作扬程关系曲线见图4。外江水位采用的外江流域20 a一遇洪水对应4 d平均潮位5.86 m(较不利工况)计算，恒定流量、流量最优2种运行模型最大工作扬程分别为4.86 ，4.76 m，恒定叶片工作角度-1.5°、效率最优2种运行模型最大工作扬程均为5.51 m，满足算例中泵站工作最大扬程要求。

图4 单机运行流量与工作扬程关系曲线图

4.3 泵站运行方案优化

拟定6种泵站运行方案，方案1为原设计起排水位按照单机恒定流量运行；方案2根据2015年运行期观测情况，适当降低泵站运行起排水位，增加预排措施，当水位在1.80 ～ 2.40 m开1台泵， 2.40 ～ 2.60 m开2台泵，2.60 ～ 2.70 m开3台泵，高于2.70 m时开4台泵，单机按恒定流量运行；方案3至方案5泵站运行起排水位同方案2，单机分别按照恒定- 1.5°叶片工作角度、效率最优、流量最优运行；方案6按照表2河道安全过流量运行。泵站各运行方案排涝流量见表3。

表3 各方案排涝流量表

5 排涝效果分析

5.1 分析方法和原理

平原河网泵（闸）的规划或运行通常采用建立一维非恒定流水动力学模型分析防洪、排涝效果[7-8]。复杂平原河网水系采用漫垸网河平面准二维与网河一维非恒定流混合模型[9]能较精确的对河道洪水演进进行定量分析计算，得出各种运行模式下河道各特征断面水位和流量的过程，分析泵站运行方案的排涝效果。

漫垸网河准二维与网河一维混合模型方程组：

式中：Z、Q、F、V和K分别表示某一时刻t及在某一空间位置S断面的水位(m)、流量(m3/s)、相应过水断面积(m2)、断面平均流速(m/s)和流量模数；q为单位河长旁侧入流的流量(m3/s)。模型考虑了堰、闸、泵、阻水桥梁，以及区间水量交换、农业保留区滞洪作用等。

5.2 模型概化和验证

（1）计算模型概化。泵站运行方案计算范围东至上海市惠高泾，南至钱塘江、杭州湾北岸，西至东苕溪，北至太湖和太浦河，计算面积7 426 km2。河网概化骨干排水河道529条，计算河道断面3 000余个。排水河道之间的调蓄水域(包括毛细河道、湖泊)概化为湖泊，共计680个，见图5。概化湖泊和排水河道之间采用河道或排水闸、堰形式连接；概化湖泊与湖泊之间采用河道或堰形式连接。

图5 杭嘉湖东部平原水力计算模型概化图

（2）模型边界条件设定。选用了32个边界，以反映计算区域与外域的水量交换情况。模型中考虑了2种边界属性，分别为水位边界、流量边界。

（3）模型验证。按2013年10月的“菲特”台风验证河道主要水位站点最高水位见表4，拱宸桥水文站点水位过程线见图6，实测值与计算值吻合较好，表明模型的概化和参数设置基本合理，可用于后续计算。

表4 “菲特”台风河道最高水位验证计算成果表

图6 拱宸桥水文站点水位过程线图

5.3 排涝效果分析

（1）计算排涝效果，采用排水量、降低最高水位值作为排涝效果分析指标外，增加高水位影响持续时间、影响通航持续时间指标，排涝效果对比分析见表5。高水位影响持续时间指河道水位超过运河景区游步道水位(亦是排涝效果警戒水位)2.70 m持续时间，是防汛决策者和市民能够直观感受的时间；影响通航持续时间指河道水位超过断航水位2.40 m持续时间，能直观反映工程运行对航运效益的影响。

表5 排涝效果对比分析表

（2）方案1偏保守，与河道安全过流量还有较大差距，排涝效益未能充分发挥。

（3）增加预排措施后，方案2排涝效果明显增加，增加排水量0.11亿m3，降低高水位0.05 m，持续高水位时间和影响通航时间均缩短3 h；调整单机运行模式后，方案5效益进一步增加，增加排水量0.21亿m3，降低高水位0.09 m，持续高水位时间缩短8 h，影响通航时间缩短5 h；方案3排水量介于方案2和方案5之间，持续高水位时间缩短5 h，影响通航时间缩短1 h；方案4排涝效果增加不明显。

（4）方案5最优，方案3次之，但方案2 ～ 4运行水位超过2.70 m时、方案5运行水位超过2.60 m对河道有一定冲刷。

（5）从典型方案拱宸桥水位过程线(见图7)可以看出，无工程排涝措施时，河道从产流开始在第39.5 h达到警戒水位，上涨较快；启动工程排涝措施后，泵站按照方案1 ～5运行，河道均在第40.0 ～ 41.0 h达到警戒水位，即使泵站按照河道安全过流量运行，河道在第41.5 h达到警戒水位。表明泵站预排还有较大空间。

图7 拱宸桥水位过程线图

6 结论和建议

（1）排涝方案应以排涝效果最佳为目标，通过对比分析，运行中通过多机多种运行模式组合在水位1.80 ～ 2.60 m时增大泵站总排涝流量、超过2.60 m时减小泵站总排涝流量，使得总排涝流量接近河道安全过流量的运行方案获得的排水量最大，高水位持续时间、影响通航时间最短，排涝效果最好。河道常水位1.20 ～ 1.80 m起排水位间还有预排空间，可进一步降低起排水位，获得更大排涝效果。

（2）杭州三堡排涝泵站工程还兼有引水功能，引水和支流汇流期间对河道有一定淤积，河道采用启动流速作为安全边界条件偏安全，可做进一步冲淤量分析，更准确分析河道分段安全过流量，结合支流汇水情况制定更灵活的运行方案。

（3）采用二维水力计算模型分析河道安全运行边界流量，运用漫垸网河准二维与网河一维混合模型计算和分析排涝效果，建立不同降雨频率和雨型最优运行方案，乃至超标准洪水应急运行方案，为防汛管理机构在区域或流域防洪排涝决策中提供技术支撑，对复杂河网大型排涝泵站运行方案优化研究有借鉴意义。

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[2] Theocharisa M E，Tzimopoulosb C D，Sakellariou - Makrantonakic M A，et al. Comparative calculation of irrigation networks using Labye’s method，the linear programming method and a simplifi ed nonlinear method[J].Mathematical and Computer Modeling，2010，51(3/4)：286 - 299.

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（责任编辑 姚小槐）

Study on the Operation Scheme Optimization of
Large Drainage Pump Station in Complex River Network

ZHANG Hao1，PAN Zhi - jun1，HE Yong1，ZHANG Hong - wei2
(1. The Construction & Management Offi ce of Hangzhou City South，Hangzhou 310019，Zhejiang，China；2. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy & Hydro - Electric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang，China)

In order to obtain the optimal operation scheme of large drainage pump station limited by shipping and river channel safety，two - dimensional hydraulic calculation model was applied to analyze theriver channel safe operation boundary fl ux，and the mixture numerical model of overland braided stream with quasi - two dimension and one dimension was utilized to study the drainage effect of various operation schemes in the heaviest rainfall in 20 years. As the result shows，the operation scheme in whichthe starting level for drainage of pump station is lower，multi -set combination is adopted，and the drainage fl ux is closed to theriver channel safe operation boundary fl ux，has the maximum total displacement and minimum infl uence on river channel and shipping safety.According to above method，scheme library of different operations for drainage station is established based on different rainfall frequency and pattern，thus to provide technical support for the solution of fl ood control and waterlogging.

displacement；numerical model calculation；optimized operation；drainage pump station；complex river network

TV131.4；TV675

A

1008 - 701X(2017)02 - 0028 - 06

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.008

2016-11-11

张 浩(1983 - )，男，工程师，硕士，主要从事水利工程建设管理好运行管理工作。