平原河网地区感潮河段排涝泵站规模论证研究

张丽娟，沈 优，闫辉雪，林 农，李晓坤

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001）

0 引言

珠江三角洲平原地区资源丰富、经济发达、人口众多。然而，由于密集的水网分布和复杂的气象水文情势，该地区经常遭受洪水、暴潮和台风的威胁[1]。中顺大围位于珠江三角洲下游，地势低洼平坦，极易受到外江洪潮水位顶托，导致涝水无法自行排出[2]。随着该地区经济社会发展和城市化进程的加快，加之近年极端暴雨天气频发，围内内涝问题愈发突出，严重影响了居民生活与企业生产安全。在2021 年第17 号台风“狮子山”带来的暴雨影响下，中顺大围现有的外排泵站已明显无法满足围内涝水的抽排需求。因此，合理规划设计加建泵站成为主要措施，以加强排涝能力、缓解内涝问题[3，4]。

目前，关于感潮河网地区排涝泵站规模的确定尚未形成统一标准。根据SL 723—2016《治涝标准》的要求，并结合地区的工程实践，常用的排涝流量计算方法包括平均排除法、洪峰流量法、水量平衡法和河网水力学模型法。其中，平均排除法适用于面积较小的涝区；洪峰流量法未考虑河涌调蓄、水闸自排等因素，直接排除洪峰所确定的规模往往偏大；水量平衡法适用于具有较大湖泊等水面调蓄能力的涝区，以及各排水河道水位差异不明显的水网区；河网水动力学模型适用于排水区域较大、河流湖泊众多、各河排水水位差异明显、水力条件复杂的河网地区[5-7]。

1 研究区概况

西河泵站工程位于中顺大围西干堤，岐江河西出口与磨刀门水道交汇处。中顺大围地处珠江三角洲河网区下游，全围总集雨面积为779.21 km2，濒临南海，属于珠江流域的西北江三角洲水系。围内由400 多个小围联合形成一个大围，共有298 条河渠道。中顺大围属珠江三角洲残丘平原，围内北部为冲积平原，地形平坦，地势自西北向东南倾斜，地面高程在0.50～2.50 m之间，河网密布；围内南部则以低山、丘陵和台地为主，最高处海拔531.00 m。在汛期，中顺大围主要采用自排为主、抽排为辅的方式进行排涝，即利用自然潮差，在每天两次低潮位时进行自排，在遭遇外江高潮位顶托无法自排时则需利用泵站抽排。然而，目前围内大部分地区外排能力未达到10年一遇标准，排涝规模和泵站布局远不能满足20年一遇标准，围内低洼地区的涝水往往延迟数小时才能排出，极易形成内涝。针对此排涝困局，计划新建西河泵站进行抽排。

根据涝区水文条件、现状地形、汇流条件及日常调度运行等因素并结合相关规划，将中顺大围共分为6 个片区，其中一整体片区和5 个独立片区，独立片区的划分原则是涝水独立外排不进入西河泵站汇水范围。

2 泵站规模论证方法

本文采用水量平衡法、等流时法及一维水动力模型MIKE 11 分别对泵站规模进行论证，从多角度验证泵站规模合理性并验证泵站开发后对研究片区排涝能力的改善与提升效果。

2.1 水量平衡法

水量平衡法根据不同来水条件，在现有闸泵规模的基础上，考虑未来发展规划，对排涝过程进行调算，得到西河泵站应设排涝规模。根据以下假设开展水量平衡计算：1）在进行蓄排涝（洪）演算时，将该区内平原区主要内河涌组成的蓄涝（洪）区视为一个平湖，即不考虑河道比降。2）各主要河涌过水断面经整治后完全满足规划行洪要求。3）范围内其他待建泵站规模均按照相关规划。4）为了充分利用河涌调蓄库容，提高预排效果，在暴雨来临之前，先将中顺大围内河涌水位通过水闸和泵站联合调度，具体规则为预排至-0.50 m→最高控制水位1.30 m→至0.50 m以下即视为排干。5）围内城镇道路按20 年一遇最大24 h 设计暴雨1 d 排干不致灾；农田、经济作物、鱼塘按20年一遇最大24 h 设计暴雨1 d 排干（允许受淹数小时）。6）调蓄演算按围内20 年一遇24 h 设计暴雨，遭遇西河水闸外5年一遇高潮位工况进行。

水量平衡原理是首先将整个调节周期划分为24 个时段，然后逐时段进行水量平衡计算，单位时段水量平衡公式：

式中：Vt，Vt-1分别为第t时段末、初槽蓄量，万m3；Q来，Q排分别为第t时段来水流量、排水流量，m3/s；△T为计算时段的时长，h。

按水量平衡法进行排涝调蓄演算，得到时段末的槽蓄水量，再根据排涝区高程～容积曲线得到相应时段末的内水位，以内水位是否满足要求来确定泵站的规模。

对于闸孔泄流能力，根据两种不同情况，依照SL 265—2016《水闸设计规范》，作如下计算。

1）当为堰流时，水闸的泄流能力计算公式：

式中：Q为水闸泄流量，m3/s；σ为淹没系数；ε为侧收缩系数，按水力学的弗朗西斯公式计算确定；m为流量系数，取m=0.385；B0为水闸过流净宽，m；H0为计入行进流速水头的堰上水深，m；hs为堰顶算起的下游水深，m；g为重力加速度。

2）当为堰流处于高淹没度（hs/H0≥0.9）时，水闸的泄流能力计算公式：

式中：μ0为淹没堰流的综合流量系数。

2.2 等流时法

假设流域中任意位置的降雨流速相同，那么该位置的净降雨水质点到达出口断面的时间取决于其与出口断面的距离。根据这一假设，将流域内汇流时间相等的点连接起来，形成等流时线，即等流时线上的降水在形成地表径流后同时到达出口断面。

在区域产汇流的计算上，总来水包括平原区、山区设计洪水与其他内排泵站。首先根据各时区洪水流出出口断面的时间，进行叠加得出平原区洪水。然后采用综合单位线法，根据山区各条河末端汇入岐江河节点位置，与出口西河泵站的距离估算滞时，将平原区洪水与山区洪水错时叠加，得到总来水。

得出总来水过程后，进行调蓄演算，得到时段末的槽蓄水量，再根据排涝区水位～涌容曲线得到相应时段末的内水位，以最高内水位是否满足要求来确定泵站的规模。

2.3 一维水动力模型法

一维河网模型是主要使用于河口、河流等水体的模拟一维水动力、水质和泥沙运输的专业工程软件。一维河网非恒定流水力计算可以灵活模拟洪水调度和水工建筑物，基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组（Saint-Venant system of equations）来模拟河流的水流状态，计算结果包括各断面实时水位、流量等，是解决平原网河地区水利分析计算的有效方法。

一维非恒定流圣维南方程组：

式中：t，x分别为时、空变量；Z，Q，U分别为各断面的水位、流量和流速；A，R分别为各断面的过水断面面积、水力半径；q为单位河长的均匀旁侧入流（包括降雨产汇流)；n为河道糙率系数。

本文采用MIKE 11 数值模拟软件对中顺大围内主要河涌的水位、流量进行模拟，进一步论证、校验前面几种方法确定西河泵站规模的合理性。模型计算的范围为中顺大围整体片区及其内部的横栏主片区、板芙河西片区，集雨面积分别为646.78，64.24 ，32.25 km2。模型定解条件采取以下设定：1）设计暴雨，围内20 年一遇标准的24 h 降水过程；2）外江高潮位，相应5 年一遇标准；3）排涝潮型，2012 年7 月23 至24 日外江潮位过程；4）闸泵预排水位为-0.5 m。

此次研究将在整体片区内各乡镇现状及已有规划的基础上设置外排泵站的位置及规模。在主雨峰来临后，当外江水位高于内河水位，关闸开泵抽排；当外江水位低于内河水位时，开闸排水。

3 论证过程与结果

3.1 水量平衡法与等流时法

1）水量平衡法

来水按涝区P=5%（即20 年一遇暴雨）洪水过程线确定；根据围内主要河涌的规划或现状成果资料，逐段计算后确定排涝区高程～容积曲线。计算结果见表1。

表1 河涌高程～涌容汇总表

根据水位～涌容关系、调蓄原则和计算步骤对中顺大围整体片区进行调蓄演算：内河水位低于外江水位时，开启泵站抽水；当内河水位高于外江水位时，开启水闸排水，以河涌最高水位不超过1.30 m为边界条件对泵站规模进行调蓄演算，确定满足排涝需求且经济合理的设计规模。整体片区调蓄演算中来水过程线、水闸外排流量过程线、泵站抽排流量过程线及内河水位变化过程线见图1。根据计算，排涝标准为20年一遇时，中顺大围整体片区泵站总设计排涝流量为1 365.00 m3/s，扣除已建和已规划外排泵站的设计总流量为966.20 m3/s，经计算，西河泵站对应的流量为398.80 m3/s，此次取400.00 m3/s。

图1 泵站调蓄演算过程图

2）等流时法

排涝演算结果如表2 和图2 所示，即工况一范围内来水经河槽调蓄后设计外排流量为348.00 m3/s。

图2 排涝调蓄演算试算过程

3.2 一维水动力模型

1）河网概化

经过现场查勘及对中顺大围内河流水网的梳理，研究中建立了129 条（段）河涌的整体片区排涝一维模型。

2）模型率定与验证

计算采用2020 年8 月实测东河水闸、岐江河员峰桥、西河水闸内水位作为率定数据。模型各边界潮位采用同时段实测潮位，部分水闸、泵站无实测的数据则根据地理位置进行插值。

根据率定结果，以上3 处水位站点的最大水位计算误差为12 cm，能够满足实际工程应用要求。根据现场调查，结合河道规划情况与模型率定结果，接近天然状态处断面系数取0.030，接近规则断面（矩形、梯形、复式）处断面系数取0.025。

采用2020 年11 月实测东河水闸、岐江河员峰桥、西河水闸内水位作为验证数据进行模型验证。2020 年11 月25 日（模拟小时数为600 h）以后，模拟误差较大，最大为13 cm，其余时段误差均为5～8 cm，均能够满足实际工程应用精度要求。

3）模型结果

此次模型的降雨径流计算采用的是MIKE 11软件中的NAM模块，从模拟过程中共产流14 816.31 万m3，前文规模计算的产流量（不含堤防渗漏）为14 472.70万m3，误差为2.32%。

模型计算时段内各河涌水位均小于河道的控制水位。模型计算12 h 后，外江侧潮位高于围内水位，各水闸关闭挡潮，围内涝水主要依靠中顺大围周边的西河泵站、东河泵站、白花头泵站、滨涌泵站、鸡笼泵站、裕安泵站等骨干排涝泵站抽排。模型计算23 h 后，外江潮位降低，但大部分水闸外侧潮位仍然高于围内河涌水位，需泵排。

模型在现有及规划建筑物的基础上，西河泵站设置400.00 m3/s 的抽排流量，中顺大围各河道的最高水位均不超过控制水位。中顺大围主要河涌最高水位及控制水位见表3。

表3 泵站抽排模型主要河道最高水位

经以上复核验证，各主要河道的计算水位均小于河道的控制水位，最终复核的泵站排涝流量（400.0 m3/s）合理可靠。

4 结语

泵站规模的论证方法多种多样，各有优缺点。水量平衡法计算过程相对简单，但计算精度较低，无法考虑水面比降的影响，也无法体现不同控制断面的不同控制水位。等流时线法兼顾了不同下垫面地类的产流计算及流域汇流过程，但只考虑了汇流的平均流速，未能准确反映流域上各点的汇流速度差异，其划分过于理想化。一维河网模型利用数值计算动态地反映了河网水流的运动状态，模拟了水闸、泵站等各类水工建筑物的调度运行规则，计算精度较高，但建模过程复杂，需要大量的数据支持，并且需要实测水文数据来对模型参数进行率定。

综合各方法适用条件与优缺点，本文针对感潮河网地区的水力特征，综合多种方法确定排涝泵站的规模，通过水量平衡法和等流时线法对泵站规模进行分析论证，并采用一维水动力模型法对结果进行校验评估，为平原河网地区感潮河段排涝泵站规模论证提供参考。