平原闸泵排涝的“抵消”效应案例分析

张晓波，张瑶兰，张 健

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

对于闸泵结合的平原排涝，业界一般认为，在边界高水位顶托，平原难以开闸自排时，在平原现有的排涝闸侧设置泵站，可扩大排水时间和外排水量，使闸排和泵排呈叠加的正效应。在浙江省沿海平原的主要外排口门，在外海低潮时，形成足够的水力坡降，自排流量往往达几百甚至上千个流量；在外海高潮关闸时启用泵站，一般设计流量达50～200 m3/s，这种情况下，排涝效益往往是闸排和泵排叠加的正效应。但对于某些外排至排水干河的平原，其水闸的自排能力往往取决于平原内涝水位与外排干河水位的相对高低。有些排涝闸看起来自排能力较大，实际是以较高的内涝水位为代价形成的自排水头。增设强排泵站后，在降低内涝水位的同时，也降低了水闸的自排流量，甚至无法开闸。这种条件下，闸排和自排并非“1+1”的叠加关系，实际呈一种相互抵消的负效应。以下以永宁江流域的西江平原闸站排涝情况为例进行说明。

1 案例基本情况

永宁江是椒江流域的第二大支流，集水面积889.8 km2。其中，长潭水库坝址以上河长34 km，集水面积441 km2；长潭以下河长46 km，集水面积449 km2。

西江平原位于永宁江南岸，流域面积197.5 km2，黄岩主城区基本位于西江平原[1]，而西江平原是台州市重点内涝区域之一，2013年“菲特”台风期间，黄岩城区所在的西江平原大面积受淹。西江平原上游主要排水河道包括沙埠溪、西南中泾、东南中泾等，下游主要排水河道为西江、南官河、东官河等。西江平原地面高程在3.2～4.0 m，地势低洼，而汇水面积相对较大，排涝原始动力不足。西江是西江平原最大的河流(河宽只有20～38 m)，西江闸(净宽20 m)为西江平原的主要排涝出口。另外，城西河闸、永裕河闸虽已建成，但配套河道尚未建成，少量涝水通过南官河、东官河排往椒江河口，因此西江平原排水出路偏少，导致西江排涝压力增加；加上永宁干流高水位行洪对排涝河道有顶托作用，进一步加剧了西江平原排涝压力。

西江平原除了现有的西江排涝通道外，还需规划城西河、方山隧洞和永裕河等排涝出口[2]，新建城西河泵站150 m3/s、西江泵站80 m3/s、外东浦泵站40 m3/s和永裕泵站100 m3/s等四座泵站，才能满足西江平原应对20年一遇洪水的排涝标准。西江平原所在位置及排涝格局见图1。

图1 西江平原排涝格局图

2 闸泵排涝的“抵消”效应分析

本工况假定配套的城西河、方山隧洞和永裕河排涝出口均已建成[3]，仅比较泵站建成与否的排涝效益。建泵后，永宁江干流水位抬高0.1～0.4 m，其水位变化见图2。

图2 建泵前后永宁江干流水位变化图

2.1 建泵前后闸上下水位过程对比

城西河闸站、西江闸站、外东浦泵站、永裕河泵站建泵前后的闸上、闸下水位过程见图3—图6[2]。可以看出，城西河闸站处于永宁江的中游段，永宁江水位较高，现状闸站的自排时间就很少;建泵后，几乎没有闸排时间。西江闸是现状的主要排水口门，但洪峰阶段，受永宁江洪水顶托，每个高潮阶段约有3～4 h难以开闸自排，开闸时内河水位壅高至3.8～3.9 m；建泵后，闸前水位最高水位降至3.4 m，闸前水位全程低于外江水位，无法开闸自排，泵排占绝对优势。外东浦闸站、永裕闸站建泵前后的水位过程规律类似于西江闸，不再赘述。

图3 城西河闸站建泵前后的闸上下水位过程

图4 西江闸站建泵前后的闸上下水位过程

图5 外东浦闸站建泵前后的闸上下水位过程

图6 永裕河泵闸站建泵前后的闸上下水位过程

2.2 建泵前后的外排水量

西江平原城西河闸站、西江闸站、外东浦泵站、永裕河泵闸站建泵前后的闸上、闸下外排流量过程见图7[2]。统计口门闸泵的运行时间和外排水量见表1。

表1 外排口门闸泵运行时间和外排水量统计表

由图7和表1看出，现状条件下，城西河闸站由于永宁江洪水顶托[4]，开闸时间很少，洪水中后期几乎不开闸。设置泵站后，泵排时间迅速扩大，而闸排时间变得更少[5]，闸排时间由13 h减少至1 h，由于泵排规模较大，外排水量增加2.840×107m3。西江闸是主要的排水口门，最大过闸流量达130～140 m3/s，设置泵站后，泵排时间迅速扩大，由于平原水位降低，开闸时间也变得极少，表1显示西江闸开闸只有3 h，大部分均为泵排，由此可见闸排、泵排的运行时间的相互抵消。尽管泵排流量低于原闸排最大流量，但由于运行时间长，整体外排水量增加0.350×107m3。外东浦闸站、永裕闸站的闸排泵排的“抵消”效应类似于西江闸站。从西江平原的外排口门总体统计看，开闸时间由173 h下降到11 h，而泵排扩大到254 h，总体外排水量由5.434×107m3扩大到8.564×107m3，由此可见，泵站外排占绝对优势。

图7 外排闸站建泵前后的流量过程对比

有分析认为西江闸发挥了很大的排涝作用，没有必要设置这么大规模的四个泵站这种认识实际是基于“1+1”的叠加效益，并没有认识到泵站、闸排效益的相互抵消作用。地势低平的平原闸排水头并不占绝对优势，在大流量泵站实施后，迅速降低闸前水位，导致闸排条件的丧失，正是闸排泵排效益相互抵消的原因所在。在本案例中，实际就是泵排抵消、替代了原有的闸排功能，基本相当于圩区排涝模式。

3 启示和思考

案例中的排涝模式，暂称之为西江平原排涝模式。这种排涝模式，从表面看仍旧是自排模式，即仅需要闸站外排。实际上，自排模式仅仅在小量级洪水时是成立的，在遭遇大洪水时，承泄平原涝水的外排干河水位也很高，实际造成了平原排涝的圩区模式。这种排涝模式，介于圩区电排和沿海闸排之间。从地形高程上看，此排涝模式地面高程高于圩区区域的地面，有一定的自排能力，并不是完全依靠电排，但遭遇一定量级的洪水后，就等同于圩区模式。从口门边界条件看，即使在前期洪水较小或者干流水位较低时，平原可以自排，但自排流量也完全不能跟沿海闸排的边界条件相比，低潮位时，沿海闸站的自排流量很大，案例中的自排受干流洪水顶托，自排流量非常有限[6]。因此，西江平原排涝模式，并不能完全等同于沿海平原闸站的排涝模式，泵站的增设一定会抵消原有的部分闸排效益，但要实现遭遇大洪水下的排涝能力达标，泵站规模的设计还需要考虑闸泵排涝的“抵消”效应，而不能简单地进行“1+1”的主观估计。