抽引江水与抽排涝水时江都抽水站流量变化

孙 正 兰

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

1 工程概况

江都水利枢纽为南水北调东线工程的源头[1]，也是江苏省江水北调工程的起点[2]，其中4座大型泵站为江都水利枢纽的主体工程。在北方发生干旱时，4座泵站抽引长江水通过京杭大运河及其平行河道北送，在满足沿线江都、高邮、宝应、淮安等地工农业生产和人民生活用水的基础上，通过淮安、泗阳、皂河等9级泵站将长江水北送徐州、东输连云港，沿途串联洪泽湖、骆马湖、微山湖[3]，沟通长江、淮河、沂沭泗水系，实现跨流域调度[4]，有效解决了苏北地区的缺水问题[5]。国家南水北调东线工程正是在江苏江水北调工程基础上的扩大规模和向北延伸[6]。当苏北里下河地区发生洪涝时，通过4座泵站将地势低平、河网交错的里下河腹部涝水抽排入长江[7-8]，为极具水乡特色和生态价值的苏北里下河地区经济社会发展提供了重要保障[9-12]。

4座大型电力抽水站(简称一、二、三、四站)位于扬州市江都区境内，在京杭大运河、新通扬运河和淮河入江尾闾芒稻河的交汇处，共装有立式轴流泵33台，1994～2010年完成了更新改造，现抽水能力为508.2 m3/s，装机容量55 800 kW。江都抽水站基本情况及工程运用见表1和图1。

表1 江都抽水站基本情况

注:第三站为10台可逆式机组，正转时抽水，反转时发电；第一、二、四站均为不可逆式机组。

江都抽水站水文站为国家重要水文站，中央报汛站，常年驻测，为一类精度的流量控制站[13]。本文基于建站以来尤其是近年来主汛期江都4座泵站运行的实测资料，对江都抽水泵站在抽引江水和抽排涝水时流量变化及其原因进行了探讨，为大型泵站的安全运用、科学管理提供参考，对区域防汛抗旱和水资源调配具有重要的指导意义。

2 工程运用

由图1可见，抽排涝水时，里下河腹部地区涝水经新通扬运河由江都东闸进入4座泵站下游引河，由4座泵站抽出，经芒稻河排入长江(此时江都西闸关闭)。第四站临近江都东闸入水口，机组流量为4座泵站中最大，河流中的浮游水草杂物大部分随着强大的水流速进入四站站口拦污栅。因此，抽排里下河涝水期间，第四站站口拦污栅上吸附的杂物垃圾为4座泵站中最多，流量减小的幅度也为4座泵站中最大[14]。2007年汛前在江都东闸成功安装了拦截打捞垃圾的清污机(2006年底江都东闸完成加固改造)，主汛期抽排里下河涝水期间，清污机打捞拦截的水草垃圾最多时每天达1 615 m3。因此，河流入口处的清污机有效缓解了江都抽水站尤其是第四抽水站安全运行的压力，但随着运行时间较长，仍然有部分水草或细小垃圾杂物随着水流越过清污机进入吸附在泵站进水口的拦污栅上，导致流量明显减小。

抽引江水北送与抽排里下河涝水不同，长江水从长江干流三江营经芒稻河由江都西闸进入4座泵站下游引河。主汛期长江水位高，江都西闸受设计流量和泵站下游引河水位低于4.8 m(废黄河口基面)控制，闸门大多处于控制水流状态，进入泵站下游引河的水草及生活垃圾很少[15]。第一、二站临近入水口，江水中浮游水草杂物随着较大的水流速首先进入第一、二站站口拦污栅，尽管第三、四站机组流量较大，由于距离较远，到达第三、四站站口拦污栅的杂物垃圾相对较少，尤其在江都东闸同时自流引江水东送里下河地区灌溉时，河流中少部分水草垃圾随着水流进入新通扬运河。因此，江水中少量的水草垃圾及浮游杂物多被挡于闸门前，或被4座泵站平分且随着水流被泵站抽出。多年来，4座泵站在引水期间分别实测率定的历年水位流量关系曲线均为稳定的单一线。

近年来，随着三江营至江都西闸引河沿途两岸土地开发，江水中浮游杂物及生活垃圾也逐渐增多，但抽引江水时4座泵站流量受水草垃圾影响相对较小且减小的程度基本接近。

3 流量变化分析

基于抽引江水时多年稳定的水位流量关系曲线，对4座泵站抽排里下河涝水或长时间抽引江水时流量受水草影响的程度进行分析比较。

4座泵站的测流断面均设在远离出水口的上游(见图1)，第一、二站测流断面与总出口断面重合。由于大型泵站群建在同一条河道上，在防汛抗旱紧张时期，4座泵站均处于运行状态，此时仅能实测江都第四站和4座泵站的总出口流量。根据4座泵站建成投入运行后1975～2019年的数据统计，一年中6月引水最多，多年平均引水时长为23 d；7月排水最多，多年平均排水时长为13 d，这与农业生产和淮北气候特点相一致[16]。主汛期尤其7～8月为河道中水生植物生长最茂盛的时期，故主要利用主汛期江都第四站或泵站总出口断面实测资料定量分析历年引水、排涝期间的流量变化情况。

图1 江都4座大型泵站工程运用示意

3.1 流量历年变化情况

在建站之初至1983年，河道中水草杂物及生活垃圾很少，这也正是4座泵站建站时只在站口设置拦污栅的缘故。随着改革开放和城镇化进程的加快，里下河地区人口急剧增长和社会经济快速发展[17]，河道中的生活垃圾也随之增多，加之主汛期水草长势旺盛，水草垃圾随着强大的水流吸附到泵站进水口的拦污栅上。运行时间越长，拦污栅上覆盖的水草杂物屏障越厚，导致栅前栅后水位差增大，严重时局部栅孔无水流通过，导致机组振动持续上升，不仅大大减小了泵站的出水量，严重时甚至会影响机组的安全运行[18]，泵站不得不经常停机捞除水草杂物、抢修机组。4座泵站流量受河水中水草垃圾影响而减小首先在20世纪80年代中期抽排里下河涝水运行中反映明显。

选取《水文年鉴》中有一定年际间隔且主汛期排涝时间较长的1977，1980年和1983年实测资料，分别点绘江都第四站净扬程和效率关系曲线，如图2所示。可见，排涝与引水期间实测点据均为一个系列且点据一致性较好，1977年点据相关系数为0.95，1980年点据相关系数为0.94，1983年点据相关系数只有0.78，在1983年排涝期间的点据已经较分散且部分偏小，表明点据相关性随着时间的推移逐渐减小。1984，1985年排涝时间较短，7～8月排涝期间实测点据较少。1986年引水、排涝期间实测点据明显分为两个系列，且排涝期间机组效率明显偏小，流量也相应程度偏小[19]。

从1987年开始，抽引江水与抽排涝水水位时，各站水位流量关系需要分别定线推流，即主汛期抽排涝水时间较长时，在总出口断面重新率定水位流量关系曲线，用于推求受水草影响下4座泵站的总流量。可见，受河水中水草垃圾影响导致流量偏小是一个随时间渐变增大的过程，突变时间与区域社会经济发展以及城镇化进程时间相一致。

3.2 流量受水草影响程度分析

3.2.1抽排里下河涝水

2016年6月21日至7月19日，江苏省里下河“锅底洼”最有代表性的兴化市及其周边发生强降雨，持续一两日后，其水位从正常水位迅即进入警戒水位，江都4座泵站33台机组全力投入排涝运行，期间水情变化过程见表2。

6月21日发生强降雨，6月22日33台机组全部投入运行，6月24～25日江都第四站实测流量表明：因开机时间较短，抽排涝水流量与同一工况下抽引江水时稳定单一线所推算流量基本一致，无系统偏小[20]，说明受水草影响程度不明显，如表3所示。

图2 第四抽水站历年引水、排涝时实测流量点据变化

表2 2016年6～7月兴化发生强降水时水情变化过程

表3 抽排里下河涝水期间总出口和四站实测流量变化情况

6月25～30日兴化及其周边仅有局部零星小雨，经过江都抽水站30多台机组持续抽排，兴化水位回落至较低水位。7月1日下午开始兴化及周边发生第二轮强降雨，河道水位涨势迅猛，随着河道中水位的抬高，抽排流量加大，江都东闸清污机整日处于满负荷运行状态。即使如此，7月4日总出口和第四站实测流量分别偏小11.7%和13.2%，说明受水草影响程度很大，且第四站流量减小的幅度大于4座泵站总流量减小的幅度。为此，7月4日开始以吊机、人工联合清理各站口拦污栅上的水草杂物(平均1～2 d完成1座泵站)，随着每天不间断清理，实测结果显示流量受水草影响程度呈逐渐减小态势。

从表3抽排涝水实测资料与不受水草影响稳定关系线推算比较可知：6月26日运行至7月4日实测流量偏小11.7%，即在水草生长旺盛的7月，水草杂物在拦污栅上阻水导致总流量以每天约1.5%的速度减小。7月8日实测流量偏小9.3%，7月12日实测流量偏小7.2%，表明人为持续清理后，总流量以每天0.5%～0.6%的速度增大。在兴化水位降落至正常水位且后续无降雨、抽排涝水渐止的情形下，7月14日停止了各站口拦污栅清理，7月18日实测资料显示流量减小程度增大近10%，总流量平均每天偏小约为1.7%。

3.2.2抽引江水

2019年淮河流域发生特大干旱，第四站于5月6日首先开机，5月17日4座泵站全力投入抽引江水北送，江都东、西闸自4月开始即大流量自流引江水东送里下河地区。5月22日根据下游涨落潮水位过程在江都第四站实测流量7次，与稳定关系线推算误差为-3.9%～3.3%，测次平均误差为-0.7%，表明第四站抽引江水运行了16 d时流量受影响程度不明显。6月27日在总出口断面实测4座泵站总流量偏小4.8%，5月22日至6月27日间隔36 d，平均每天偏小约0.1%；第四站实测流量偏小2.5%，小于4座泵站总流量减小的幅度。

为了实测主汛期抽引江水时水草垃圾对泵站流量影响的变化过程，在6月27～28日对4座泵站拦污栅完成了清理后，于6月29日至7月26日对4座泵站总流量持续进行实测并与稳定关系线推流结果进行比较(见表4)。运行期间，在江都西闸外侧持续进行江水中的树枝、废弃渔网等大体积杂物垃圾的打捞。近年来，主汛期长时间抽引江水时，均在江都西闸外侧根据实际情况不间断进行人为拦截打捞，避免大体积的杂物垃圾进入泵站站口拦污栅。

表4 抽引江水期间实测流量与稳定关系线推流结果比较

由表4可知，4座泵站主汛期运行前20 d，实测流量基本与稳定关系线计算流量一致，误差在规范允许的范围内。运行20 d后，流量偏小大于1%，且随着流量的减小每日减小幅度增大，表明水草垃圾吸附在拦污栅上一旦形成阻水，累积效应明显增大。6月29日至7月26日间隔27 d，平均每天偏小约0.1%，与5月22日至6月27日运行实测分析结果基本一致。可见，尽管多日平均后流量偏小幅度较小，以运行30 d左右统计，前20 d运行时流量基本不受影响，主要集中于后期近10 d流量较大幅度的减小；运行时间越长，阻水累积效应越大，泵站流量减小幅度越大，但4座泵站流量减小的程度远小于抽排涝水时的影响。

4 结 语

江都抽水站是1949以来自行设计、制造、施工、安装和管理的大型泵站，富有前瞻性、科学性的规划设计为本世纪南水北调东线工程的建设奠定了良好的基础。在多年的建设管理中，通过对泵站加固改造，不断克服社会经济快速发展给泵站运行带来的新难题，使得这座亚洲规模最大的泵站群，对保障人民生命财产安全和促进地区经济发展发挥着越来越重要的作用。本文通过分析实测资料数据，真实反映了主汛期运行中泵站流量受水草垃圾影响的演变过程，为泵站在新形势下进一步科学管理、安全运行提供参考。

历年实测资料分析表明：河道中水草垃圾对泵站流量影响是一个渐变过程，与河流所在区域社会经济快速发展程度相一致。自20世纪80年代中期开始，抽排里下河涝水受到影响，长时间运行后流量明显偏小；近年来河道污染及水草滋生对大型泵站流量影响的程度更大，若河流入口清污机正常工作，4座泵站总流量平均每天至少减少1.5%；利用吊机、人工联合持续清理各站口拦污栅后，4座泵站总流量平均每天增大0.5%。因江水中水草垃圾较少和江都水利枢纽布局特点，抽引江水时4座泵站流量多年基本不受影响，历年水位流量关系曲线均为稳定的单一线；近年来江水引河沿途两岸土地开发，抽引江水运行时间较长时泵站流量也已受到较大影响。为此，须加强河道治理和水环境管理，同时在大型泵站群的河流入口分别增设有效拦截打捞水草杂物垃圾的设备，以保证大型泵站群安全运行，在防汛抗旱和水资源供给中充分发挥巨大社会经济效益