基于径流模型的排涝泵站优化设计分析

张钱鹤

（广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着国民经济和城镇化的不断发展，城市不透水面积随之扩大，其中面临非常严峻的内涝问题。我国政府为避免内涝现象的发生实施了有力举措，引导各城市将发展重心放在防洪排涝规划上。排涝泵站作为排涝防洪机制的核心构成部分，在新时期应加强设计和优化力度，参照汇水区域的发展特征制定科学合理的设计方案。排涝模数法以及脱过系数法是我国经常应用的设计方法。随着信息技术的不断发展，为排涝防洪机制带来了较多便捷，各部门可以应用径流模型法对来水过程曲线做出演算，为设计人员制定流量方法提供依据。下文将研究重心集中在径流模型排涝泵站优化设计上，仅供同行业借鉴。

1 区域概况

本课题以广东省a 市某水区为研究主题。立足于径流模型基础之上模拟不同的降雨工况，分析出泵站设计和优化过程中存在的常见问题，对广东省a 市排水管网加以概化，利用模型将汇水范围分为a 区、b 区、c 区、d 区，汇水区域划分如图1 所示，本课题在研究上缺少完善的径流监测和降雨数据，所以借助径流系数法来校准模型的参数[1]。

图1 汇水区域划分

2 降雨条件的设计和规划

广东省针对排涝规划和设计暴雨条件作出了概述，短历时和长历时降雨是区域设计暴雨的两种形式。本课题参照广东省a 市的具体要求，在以上两方面来明确模型的输入条件，即在短历时降雨上以芝加哥雨型为基础，设计出20a 一遇和50a 一遇的降雨，长历时降雨要参照广东省暴雨统计数据来进行计算。明确模型的输入条件即不同的降雨模式，发挥芝加哥雨型生成器的作用，明确了0.4 的峰值系数，对20a、50a 的降雨事件加以重现，参照相关标准确定了降雨量，分别为246mm 和306mm。在模拟过程中也选择了广东省a 市雨量相仿的两场暴雨事件，50a 一遇设计降雨如图2 所示，两场实测降雨如图3 所示。

图2 50a 一遇设计降雨

图3 两场实测降雨

3 讨论与分析

3.1 不同降雨工况下泵站设计流量存在的差异

在径流模型中降雨曲线和入湖流量曲线存在一定的响应关系，通过收集芝加哥雨型模拟结果信息能了解到降雨强度具备较大的峰值，其持续时间不长，在模型中得到的结果具备相同的特性[2]。图4 和图5 分别为广东省a 市20a 一遇24h 时程分布情况和50a 一遇24h 时程分布情况。同时，收集针对实测暴雨进行的两场模拟结果数据，通过计算泵站流量，结果分别为11.23m3/s、8.33m3/s，对比降雨模拟工况数值要小很多。经研究分析发现，在24h 内两场降雨量虽都超出了270mm，与300mm 设计模拟的降雨量相差不多，但在24h 时间内降雨过于分散，只能在峰值最大的时间内来计算降雨量。同时实测降雨峰值对比以往数据也较高，因此泵站设计流量计算的数值也偏高，此举表明在计算泵站设计流量上参照实际降雨量不够合理，相关人员需考虑多种因素来提高流量设计的准确性。

图4 20a 一遇24h 时程分布情况

图5 50a 一遇24h 时程分布情况

3.2 24h 净雨时程调蓄分配演算

在演算过程中选择了20a 一遇和50a 一遇作为参照指标来制定捞水过程线，并进行水域分配调蓄的演算，计算出降雨产流总量得出的结果和径流模型结果相接近，设计流量对比径流模型结果却增加了不少，分析其成因如下所示。

（1）在演算过程中，以净雨过程为参照依据，关注的因素不多，未将地面的滞留效应予以关注，导致计算的来水峰值偏大，同时引发泵站排涝的高压力。

（2）在进行降雨径流演算过程中，对20a 一遇和50a 一进行重现，发现内涝积水点较多，一些管段超负荷，未能及时的转输地面的雨水，对水域来水流量过程线产生了约束影响，导致计算出来的流量数值偏小。与此同时，收集广东省a 市相关文件信息发现，1～3a 是雨水管渠设计的普遍重现期，市中心区域为2 到3a，只有一些主要的地区为3～5a。而有关的排涝标准和要求是50a 一遇，因此各部门要实施有力对策提高设计重现期来提高排涝泵站设计的高效性。在设计和演算中，如果重现期不高，在径流模型构建过程中，参照雨水管渠将计算出来的结果当做计算泵站流量的参照，这也会让设计流量值不准确，为泵站建设和发展埋下隐患[3]。

4 实施有力对策优化排涝泵站设计

4.1 合理布置蓄滞洪区，实施有效的保护对策

排涝泵站在设计和发展中应严格参照《泵站设计规范》的内容，参照蓄滞洪区的特征作出科学有效的布置，保障建筑物和设备设施的安全。结合泵站的现实发展应用对比分析的方式，通过修建月堤、抬升设备、优化排涝泵站等使其发挥防洪效果。针对高程较高以及地质环境较佳的骨干泵站，各部门可以对其实施月堤保护法，具体措施如下所示：①选择布置月堤的位置可以参照地质环境和地形特点，将月堤布置在泵站进水池以外。②为保障排水渠的畅通可以修建涵闸等工程。③在布置月堤上要保持和泵站进水渠的垂直相交。在月堤修建过程中，受到地形，地质特点的影响，施工可能会面临困境，针对于此可以应用电动机抬升设备和变压器，施工人员在此过程中要控制抬升的高度，要将抬升高度控制在超出洪水位两米以上，同时也要引进专业的设备和设施，引进的起吊设备容量要符合电动机需求，在设计过程中也要引进单独存放设备的搁置设施。针对容易转运和容量不大的排涝泵站可以对各项设施和设备采取临时转移的方式对其保护。针对位于多沙河流的蓄洪区泵站，在设计进水建筑物过程中要对蓄滞洪后泥沙产生的淤泥对泵站运行的影响因素加以分析[4]。

4.2 应用河道调蓄法以加大设计和优化力度

为保障泵站发挥效果可以应用河道调蓄法，一般包含两种方式：①对泵站启泵水位加以控制，给予抽排更多的工作时间，以此获得较大的调蓄容积。②发挥地形有利优势，例如，一些泵站周边河道滩地面积较大，其中可发挥地形优势来进行调蓄。具体的设计思路如下所示：在河道调蓄过程中，针对排涝的河道要加强水位控制力度，在以下两个方面做出考虑：①关注地面排水坡降的需求，实施的排涝对策要满足其要求，通常情况下要参照汇水的路径和范围来确定地面的排水距离。②为加强控制力度要关注片区雨水管网的布局和分布情况。通过关注河道的过流需求保障断面控制水位要高出最高水平线。为满足各断面控制水位的需求也要对河道断面尺寸做出适当的调整。

4.3 对泵站电气设备加强管理

在汛前要做好电气设备的准备工作，工作人员要针对设备进行预防性试验，以此了解设备功能和绝缘情况，可以在前期找到设备可能发生的故障问题，并制定完善建议予以解决，避免泵站运作过程中设备出现问题，同时也能保障设备在汛期安全的运作。工作人员要定期检查泵站的机电设备，可以借助表格化方式将检查的各项信息和内容记录下来并上报给监督人，通过此种方式有效的监控汛前各项环节，避免工作人员疏忽大意而造成汛期发生不测。为了监督工作人员认真履行义务和职责也要实施责任到人的制度。

在汛期要加强设备的维护，操作人员要落实检查制度，定期巡查各项设备，及时发现故障问题和异常状态，做到发现问题及时解决，当发生事故时，工作人员要第一时间消除事故发生的根源，并找到事故发生的源头及切断故障点，保障设备的正常运作，同时也要将异常情况及时记录，便于管理层制定决策。

在汛后针对电气设备加强修复和检修，在汛后要参照规划和标准检查电气设备，针对设备老化和年限已久的设施可以及时更换，经仔细排查找出汛期运作过程中设备暴露出来的问题。泵站可以引进专业的电力队伍来及时检修和处理问题设备。此外要加强检修和维护的频次，泵站要坚持随时维修和定期养护的原则，让机房环境干净整洁，保障电气设备无污染和无灰尘，保证机器设备关闭和开启功能正常。工作人员对电气设备定期检查保障设备的完好。日常生产工作的核心构成部分即对电气设备的维修和保护，在泵站运行过程中，很多人员缺少对电气设备检修的关注，所以管理层要加强重视，通过检验、监督、监测等方式了解电气设备运作存在的风险，联合各部门制定设备完善和安全评估方案保障设备的可靠检修，全面落实安全运作的理念，为泵站设计和优化奠定坚实的基础[5]。

4.4 做好泵站基坑的有效设计

建议泵站要结合运行情况来做好基坑的有效设计，在泵站基层基坑施工过程中，因存在地下水导致施工效率低下，地基承载力不足，泵站建成过后可能会产生不均匀的沉降现象，不但影响了施工效率，同时也会影响周边建筑物。为保障泵站可以发挥防洪效果，在基坑施工过程中要参照周边的地质环境和特点，实施降低地下水位等对策来推进施工建设发展。建议在泵站基坑施工中可以应用明沟排水的方式，并在开挖基坑期间布置排水系统，在排水系统设计过程中不得影响周边的运输和开挖作业，可以在基坑中部布置排水干沟，此种设计为两侧出土提供了便捷，在施工过程中，随着基坑开挖深度的增加也要提高排水沟的深度，做好基坑开挖作业，对泵站发挥效果有现实意义。

5 结语

本课题以径流模型法为例，对城市排涝泵站流量加以测算。经研究发现应用芝加哥雨型来设计流量不够科学合理，通过分析广东省a 区历年的水文数据和信息来采取长历时降雨的模式。在流量计算过程中，如参照单一降雨事件，不但要坚持科学合理谨慎的原则，同时也要综合分析影响因素，保障计算数值的准确性，在重现期较低时会对径流模拟过程产生约束，导致计算出来的结果数值偏小，影响日后管网的建设，这也为泵站运行埋下了风险和隐患。所以各部门需关注上述问题，实施有效对策来保障泵站的高效运作。