白云湖配套西围排涝站提标调排分析

刘志军，蔡剑波

(1.广东省源天工程有限公司, 广东 广州 511340；2.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060)

集水面积不足10 km2的小流域治理是城镇水务工程常遇的情况，往往由于缺乏实测洪水资料，只能通过设计暴雨推求洪水过程线进行调排计算。本文通过对白云湖配套夏茅西围排涝闸站的提标改造分析，为城镇特小流域调排计算提供参考。

1 流域概况

西围排涝闸站集水面积为64 hm2，作为白云湖东南侧的配套工程，当时考虑到泵站流域尚有大面积农田，特别是下游承接中游城镇雨水主干管涵的明渠东侧即为农田，具有一定的耐淹时限，因此采用20年一遇6 h暴雨6 h排干农田标准，泵站规模为2.92 m3/s，装机容量为190 kW，出口水闸宽为2.44 m，闸底高程为-0.94 m(珠基高程，下同)。

西围闸站控制流域西临白云湖，东为均和涌，流域内涝水经西围闸站全部排往石井河。

出口石井河断面属于感潮河段，汛期既受来自上游的洪水影响，又受珠江潮水的顶托，洪潮水流态复杂，断面5年一遇和20年一遇洪水位分别为2.26 m和3.48 m[10]。本流域所在城镇地坪面高程为1.90～6.60 m，田面高程多介于0.70～1.10 m。

日常排涝虽然以水闸自排为主，但在外江石井河水位较高时，需关闭水闸，用排涝站抽排，闸前控制淹没水位为1.0 m[10]。

2 设计洪水

2.1 暴雨量计算

根据水文图集查算的项目区设计20年一遇24 h暴雨量为241 mm，各频率设计暴雨量参数(点暴雨)成果见表1。

表1 各频率暴雨量计算成果

2.2 洪峰流量计算

本流域无实测流量资料，根据本地区降雨量资料计算设计洪水。本次计算贯彻“多种方法、综合分析、合理选定”的方针，对各种计算方法所得成果进行分析对比，选用较为合理的成果。计算方法包括：广东省综合单位线法、推理公式法、《城市水文学》中的推理公式(与前述推理公式法不同，类似于市政排水，采用暴雨强度、洪峰径流系数进行计算)、广东省洪峰流量计算经验公式，共4种方法进行分析计算，汇总见表2所示。

表2 洪峰分析计算成果(P=5%)

经多种方法计算比较，经验公式法成果明显偏小，不采用，其余3种方法相差在6%以内，较为接近，考虑到流域上游地坪高差大，上游及中游均为城镇区域，且历年已有内涝水浸灾害的实际情况，偏安全起见，拟采用偏大的广东省综合单位线成果20年一遇设计洪峰流量为13.27 m3/s，24 h洪量为11.04万m3。

2.3 洪水过程线

根据前述洪峰流量计算成果，通过单位线法得到整治渠道西围排涝站前DM3断面的洪水过程线(见表3所示，计算时段Δt取0.33 h)。

表3 洪水过程线(DM3西围排涝泵站前断面，P=5%)

从表3中可见：控制断面节点的洪峰流量整体上呈尖瘦形状，洪峰主要集中在32～36 h的4 h时段，特别是33.67～35.33 h不足2 h的时段内，洪峰出现在34.33 h时段，且峰值时段流量超出前后临近时段流量30%以上，但持续时间短。上述洪峰特征与本流域集水面积小，汇流长度和时间短的特征相吻合。

3 洪(潮)水遭遇

根据《泵站设计规范》(GB/T 50265)，承泄区为感潮河道时，承泄区设计水位取重现期5年一遇洪潮水位，最高运行水位取重现期20年一遇洪潮水位。由于夏茅西围排涝站缺乏实测水位资料，只能借助老鸦岗水位站和浮标厂水位站及石井河的规划成果进行推算。根据资料[10]查得，西围排涝站外石井河设计5年一遇洪潮水位2.26 m，20年一遇水位3.48 m。

闸站外5年一遇设计洪潮水与内涌20年一遇设计洪水遭遇时，外水位为2.26 m比内涌20年一遇设计洪水位为1.00 m高出1.26 m，且已高于中下游大部分城镇区域的地坪标高，因此，遇外江高洪(潮)水位顶托期间，主要依靠内涌下游调蓄后经排涝站抽排到外江。

4 排涝闸站调度运行原则

根据涌口排涝闸站排涝功能及农田灌溉等功能要求，确定涌口排涝站和水闸运行管理和调度原则如下：

1) 自排为主——遇暴雨洪水，闸内水位高于闸外洪潮水位时，需及时开闸泄洪。

2) 及时抽排——排涝泵站承担着防止区域内涝灾害的责任，当闸内水位达到抽排水位，且受闸外水位顶托无法自排时，需利用排涝站抽排闸内洪水。

3) 防洪挡潮——当闸外洪潮水位高于闸内水位时，应关闸，防止洪潮水灌入。

5 现状排涝泵站流量

现状西围排涝泵站采用排涝模数法排涝流量计算公式，以20年一遇暴雨，6 h降雨量6 h排出的农田标准进行设计建设，公式如下：

(1)

式中Q为排涝流量,m3/s；H6为相应频率P下最大6 h降雨量,mm；φ为综合径流系数，取值0.53；F为汇水面积,km2。

复核后西围河口汇水面积为0.64 km2，现状排涝站设计排涝流量为2.92 m3/s。

由于现状泵站采用农田设计标准，以平均排除法进行计算设计，难以满足片区城镇20年一遇24 h暴雨不成灾的排涝要求，需要及时进行提标升级改造的复核。

6 排涝泵站流量调算

排涝泵站所需流量调算采用来水与抽排流量水量平衡的方法进行计算。

在确定排涝站的闸站外设计水位(取P=20%洪潮水位2.26 m)、闸站内设计低水位(取最低运行水位0.00 m)和设计控制水位(取最高运行水位1.00 m)后，通过水量平衡计算推求西围排涝泵站的设计排涝流量，并与设计控制水位进行复核，使设计最高水位低于或等于设计控制水位，以满足设计要求。

6.1 水位—库容关系

根据设计方案，拟建西围排涝闸站内明渠设计渠底标高-1.00～-0.50 m，渠道长度为614 m，渠底宽为10.0 m，两侧采用1.5 m高格宾笼护脚，再从石笼顶后缘按≤1:2.5放坡至堤顶高程。

明渠段水位—库容关系如图1所示。

图1 明渠水位—库容关系曲线示意

根据明渠段水位—库容关系曲线，设计起抽水位为0.00 m对应的渠道槽蓄容积为4 605 m3，最高控制淹没水位为1.00 m对应的渠道槽蓄容积为11 173 m3，0.00～1.00 m抽排区间的调蓄容积为6 568 m3。

6.2 泵站启闭条件

明渠段排涝按平湖法进行调算，来水按前述设计洪水过程线，库容如图1所示，抽排泵站流量分别按现状2.92 m3/s开始，水位根据时段末水体积，反查水位—库容关系曲线，通过逐级试算，达到排涝站前控制淹没水位不高于1.0 m，推求出所需泵站流量。

调算时泵站的具体操作原则如下：

1) 起调水位

起调水位为0.0 m。

2) 启泵水位

由于明渠段调蓄容积有限，结合闸外洪潮位预报和天气预报情况，如从0.0 m开始启泵抽排，由于来水流量小于单台水泵流量(1.46 m3/s)，以0.33 h时段计，且渠道容积较小，明渠段水位将迅速降至-0.3m，造成泵站进水深度偏小，且此时段，来水流量偏小，因此，启泵水位需要适当抬高至0.20 m。

3) 泵站运行最低水位

当泵站抽排流量大于来水流量时，明渠段水位将自0.20 m开始下降，本次调算允许的泵站临时短历时最低运行水位取-0.25 m。

4) 水泵依次启动控制条件

① 0.20 m启动1台水泵(Q1=1.46 m3/s)；

② 抽至低于0.00m，由于来水量大于1.46 m3/s，明渠水位再次上升至0.20 m后，需要启动第2台水泵(Q2=2×1.46=2.92 m3/s)；

③ 当现状2台1.46 m3/s调算的水泵能力仍不足时，按扩建考虑，进行调算；依次启动第3台、第4台水泵，直到水位不超过调算最高控制水位条件为止，从而得到调排计算所需泵站规模。

5) 水泵依次关闭控制条件

当明渠段水位得到有效控制，进入下降阶段，则依次停泵，水位由0.8～0.9 m，稳定下降至0.5 m以下时，关闭1台水泵，降至0.3 m，则再关闭1台水泵，直至水位降至0.0 m以下，关闭所有水泵。

6.3 西围排涝站各工况分析计算过程

以现状泵站流量2.92 m3/s(2×1.46)、扩建至5.84 m3/s(2×1.46+2×1.46)和扩建至9.50 m3/s(2×1.46+4×1.46+0.74)，共3种工况分别进行调算。

1) 工况1：现状2.92 m3/s

渠道整治后按现状西围排涝站2台1.46 m3/s进行调算，调算成果如图2所示。

2) 工况2：扩建至5.84 m3/s

调算成果如图3所示。

图3 扩建至5.84 m3/s洪水及抽排流量过程线(a图)及水位过程线成果对比(b图)

3) 工况3：扩建至9.50 m3/s

调算成果如图4所示。

图4 扩建至9.50 m3/s洪水及抽排流量过程线(a图)及水位过程线成果对比(b图)

6.4 西围排涝站各工况分析结论

上述泵站启闭条件下，各计算工况汇总见表4所示。

表4 西围排涝站调排计算工况汇总

工况1：现状泵站规模，不能满足片区排涝安全要求，需加以扩建。调算分析成果，体现了现状泵站采用农田标准6 h降雨6 h排出的设计标准，水位过高，难以满足城镇化排涝的要求。

工况2：即使现状泵站扩大1倍规模至5.84 m3/s，水位过高，仍不能满足片区排涝安全要求，需进一步加大扩建的容量，进行调算。

工况3：调算过程，得到排涝站扩建至9.5 m3/s，可以满足片区20年一遇24 h暴雨不成灾要求。

7 结语

在西围排涝闸站特小流域提标改造中运用广东省综合单位线法得到洪水过程线，结合闸上明渠水位—库容关系曲线，进行排涝站调排计算。

1) 西围排涝闸站64 hm2特小流域20年一遇洪峰流量为13.27 m3/s。

2) 西围闸泵站前长度600 m，底宽10 m生态断面明渠调深1 m槽蓄条件下，调算对应的泵站规模为9.50 m3/s；明渠调蓄削峰3.77 m3/s，占洪峰的28%，说明一定宽度的泵站上段明渠可以起到显著的洪峰削减、降低泵站规模的作用。

3) 由于洪水过程线初期来水量不大，不同泵站规模的初始调算过程是一样的，同时明渠调蓄容积较小，易使得排涝站在-0.1～0.3 m水位间开关频繁，水位过程线陡变；如进一步增加泵站前渠道调蓄容量，不但可以进一步减小泵站规模，同时前渠道水位对泵站的启停敏感度亦有所降低，可显著简化泵站操作。

4) 针对排泵站开关频繁的问题，建议通过设置变频电机设备，灵活调整水泵抽排流量；另外，通过水位—水泵自适应控制系统，当内涝水位继续上涨时，则增加水泵抽排流量直到最大流量，当水位回落时，则逐渐减小抽排流量。

5) 农田片区城镇化过程中，由于农田与城镇排涝标准不同，如维持既有地坪高程和排涝泵站流量，则存在较大内涝隐患，需复核增加排涝泵站规模；否则需系统性抬升流域内低洼地坪，以提高控制淹没水位、增加调蓄容量；或者综合性的采取调高竖向和增加泵站装机规模的措施，以达到城镇防涝安全功能需求与工程建设成本的匹配。