水库防护区泵站设计排水量实例分析

李殿球，张 琳，汪繁荣

（1长江水利委员会设计院库区处，武汉 430010；1汉江水利水电开发有限公司，湖北 丹江口 442700；3长江工程职业技术学院，武汉 430212）

1 问题的提出

为满足发电、防洪、灌溉等兴利要求，兴建水库不可避免地造成水库淹没损失。为减少水库淹没损失，在大中型水库设计时通常对库区一些淹没深度不大、具有防护条件的比较成片的农田、居民点，采取工程防护措施。平阳坝位于三峡工程库区巴东县平阳河中游，既属于三峡水库淹没区，又是三峡水库的消落区。三峡工程初步设计阶段，平阳坝的淹没处理采用防护方案，并按照平原圩区的除涝设计标准进行了防护工程的可行性研究，即按枯水期5年一遇设计频率的1日暴雨3日排至农田不淹水位163.78m，泵站设计排水流量为7m3／s。经过泵站排水演算后，防护区雍高水位达到168.38m，位于防护区低洼处的成片农田淹没达到4.6m水深，约有46.67hm2耕园地受到不同程度的淹没，约占防护区耕园地面积的1／2。还有6 500m2左右的房屋也成为“水中龙宫”，约占防护区房屋面积的1／3。由此可见，采用平原圩区除涝设计标准作为水库区防护工程的设计标准，不能实现防护目标。

2 防护区基本情况及工程概况

平阳坝防护区系平阳河一宽谷型盆地。盆地东西长6.1km，南北宽0.8km，中部最宽处有1.4km，幅员面积5km2，耕地500hm2。该区土地肥沃，气候温和，光热充足，以种植水稻、小麦、油菜、玉米为主，并有经济园林，是巴东县长江北岸少有的平坝和水稻产区，被当地誉为巴东县小粮仓。平阳河是长江的二级支流，发源于宜昌市兴山县龚家桥乡，从平阳坝中部自东向西横穿而过，在巴东县平阳坝镇下游坑子注入长江一级支流沿渡河（又称神农溪）。

平阳坝盆地间河床最低高程为159m，盆地中的成片农田最低高程163.78m。三峡工程正常蓄水位175m，淹没设计平阳坝防护区内3个村13个组，人口535人。淹没房屋面积20 952m2。淹没耕园地面积93.6 hm2，其中水田84.83 hm2，旱地2.27 hm2，园地6.4 hm2。在三峡工程初步设计阶段，巴东县政府为了减少水库淹没损失和减轻巴东县三峡水库农村移民安置难度，进行了平阳坝淹没区防护方案的可行性研究。

据平阳坝防护工程可行性研究报告，可研阶段确立的防护工程建筑物主要有长57.9m、高27m的峡门口防护坝，排水流量为7m3／s、扬程15.14m的排水泵站。同时，为方便防护区农田灌溉和集镇供水，可行性研究还设计有上峡门口取水坝、引水渠及水电站。其中防护坝、排水泵站和上峡门口取水坝属4级建筑物，引水渠系和水电站属5级建筑物。

汛期，三峡水库维持在汛期限制水位145m运行，水库水位低于平阳坝地面高程，防护坝开闸放水，平阳河来水可自排入三峡水库。枯水季节，三峡水库在正常蓄水位175m运行，水库水位高于防护区地面高程，防护坝关闸挡水，防护区降雨和上游来水，启动排水泵站抽排。平阳河防护坝断面枯水期（10月15日至次年4月30日）P＝20%的流量为141m3／s，P＝10%的流量为182 m3／s。泵站排水设计流量为7 m3／s，选3台900HLB－10型立式混流泵，装机3×310kW。泵站厂房为岸边式湿室型。

取水坝、引水渠道的任务之一是高水高排，在枯水季节排除平阳河上游河道平时的基流，减少下游排水泵站的运行费用，也可以减少装机350kW左右。任务之二是灌溉、集镇供水和引水发电等。取水坝无库容，对洪水基本上无调节作用。引水渠全长12.57km，其中明渠8段，渡槽6座、隧洞2段，全程设计通过流量3.5m3／s。水电站位于防护坝附近。设计发电流量2.18m3／s，设计水头49.13m，设计保证率80%时，相应保证出力295kW，装机容量3×400kW。电站尾水直接排入防护坝下游的三峡水库。

3 防护区水文特点

3.1 河道坡降大，汇流历时短

平阳河全流域面积199.8km2，河流全长25.3 km，河源高程约900m。平阳坝防护工程防护坝控制集雨面积159.1 km2，主河槽长19.7 km，平均坡降3.5%。流域多年平均降雨量为1 230mm。

平阳河防护坝以上主河槽平均坡降达3.5%，枯水期5年一遇45.4mm的降雨，洪峰到达防护坝时间为降雨开始发生后6h，在防护坝处形成的流量为141m3／s，洪水入库水量为297.6×104m3，汇流在时空分布上比较集中。而平原圩区坡降小，汇流速度慢，汇流时间长。就同一净雨深的降雨而言，平原圩区的汇流历时无疑比山区汇流历时长，难以形成峰量。

3.2 承雨面积大，调蓄面积小

平阳坝防护工程防护坝控制汇流面积159.12km2，占全流域面积的79.65%。由于山区多为坡度较大的非耕地和旱地，除了降雨的初损和入渗外，净降雨发生后全部汇集于溪沟，因缺少堰塘、水库调蓄，全部汇入防护区。防护区163.78m高程以下0.4km2的蓄滞水面积承受159.12 km2集水面积的汇流，蓄滞水面积只有集水面积的1／400，因而在滞水区形成平均7.44m的水深。而平原圩区除了湖泊和堰塘的调蓄外，还有大面积的水田调蓄。若平原圩区在等量的集雨面积上发生45.4mm的降雨，不会形成洪灾和涝灾。

3.3 地势低洼，汇流集中

平阳坝在三峡水库支流的尾水末端，属平阳河河口冲积小平原。防护坝建设并投入运行后，防护区就成为该集雨区最低洼的洼地，是全流域洪水过境的咽喉。暴雨形成的径流全部集中于一点，在空间分布上高度集中。根据上述设计方案，若承雨面积上发生10mm的净降雨，防护区的163.78m高程下的调蓄水面就平均有4.0m深的滞蓄水。防护区枯水季节10年一遇一日设计暴雨不过45.4mm，产生的净雨17.8mm。汇入防护区后若不及时进行抽排，防护区的滞水水位将上升到169.52m，盆地最低处的淹没水深超过了10m，约有8 000m2房屋和50hm2耕地受到淹没。而在平原圩区发生45mm的降雨，它不会造成任何灾害。

4 可研阶段泵站的排水量及水位

可行性研究阶段，平阳坝防护工程泵站排水设计流量是根据除涝设计规范取重现期为5年，即枯水期5年一遇的24h最大暴雨，三天排至农田不淹水位163.78m。泵站设计排水流量为7m3／s，装机4×310kW。经过调洪演算，5年一遇的24h最大暴雨排完时间为3.3天，防护区最高滞水位为163.38m。

平原圩区除涝设计中的不淹水位是指平常的不淹，在设计暴雨发生时是可以临时淹没的。它可以是正常蓄水位而不是临时滞蓄水位。照此进行设计的平阳坝防护工程，防护区163.78m至168.38m高程之间的农田和居民房屋是会受到临时淹没的，其中163.78m处的农田淹没水深达到4.6m，防护工程并没有达到防护目标。究其原因，防护区的排水是根据平原圩区除涝设计标准，按照排水历时的要求用平均排除法进行计算并设计的，它只考虑了农作物的耐淹时间，而忽略了淹没水深。平原圩区地形平坦，它的承雨面积也可能就是调蓄面积，100mm的降雨形成的水深不过几十毫米，滞水位对农作物淹没影响不大。因而，平原圩区的排涝设计注重不淹水位而忽略临时滞蓄水位和淹没水深是可以的。但应注意到，农作物的耐淹时间是在一定的淹水深度内，对农作物不致引起明显减产的允许淹水时间。水库防护区是山区的河谷盆地，防护工程建成后它成为集雨面积上的“水袋子”，来水迅猛，水量集中，形成几米甚至十几米的淹没水深，防护区的农作物和群众房屋遭受没顶之灾。因此，水库区防护工程只考虑农田的耐淹时间是不够的，还应该足够地考虑农作物的耐淹水深和居民点的设防水位。对库区防护工程来说，不淹水位却是它的设计滞蓄水位。

5 库区防护工程排水流量计算

库区防护工程受地形条件控制，首先应考虑防护对象的设防水位，其次才是耐淹时间，这就必须以防护区滞蓄水位作为控制条件来确定泵站排水设计流量。下面介绍以滞蓄水位作为控制条件来计算设计排水流量，其计算公式为：

式中，Q——泵站排水设计流量（m3／s）；W——t1～t2时间内的入库水量（m3）；V——防护区控制水位以下的调蓄库容（m3）；t2——在入库洪水消落过程中入库流量等于泵站设计排水流量的相应时刻（h）；t1——在入库洪水上涨过程中入库流量等于泵站设计排水流量的相应时刻（h）。

从t1时刻起，入库流量开始大于泵站的排水流量，防护区滞蓄水位升高，并在t2时刻达到防护区设计滞蓄水位。此后，入库流量小于泵站的排水流量，防护区滞蓄水位开始回落。上述公式计算的是t1～t2时段内水泵抽排的平均流量。实际上，t1～t2时段内水泵的排水流量是变化的。t1时刻防护区滞蓄水位较低，水泵扬程较高，水泵流量较小，必然小于平均流量。此后，随着防护区库水位的不断上升，水泵扬程逐渐变小，从接近平均扬程到后来小于平均扬程，水泵流量也在不断变大，从接近平均流量到超过平均流量。在t2时刻水泵工作扬程最小、流量最大。泵站在一次洪水抽排过程中，水泵平均扬程下的流量与平均流量虽然是两个概念，并且在数值上会存在差异，但水泵流量与扬程关系曲线在其高效区多数近似为一条直线，所以两者差异不大。我们用平均扬程和平均流量作为水泵最佳工况点来选取水泵，当防护区滞蓄水位较低，水泵工作扬程高于平均扬程，其排水流量小于平均流量。当入库流量大于泵站的排水流量开始发生后，防护区滞蓄水位不断升高，水泵工作扬程从逐步接近平均扬程到后来小于平均扬程，水泵排水流量也从逐步接近平均流量到后来大于平均流量。这与实际情况是吻合的。

计算步骤：①计算并绘制防护区设计洪水过程线；②绘制防护区水位容积曲线；③假定一系列排水流量，在来水过程线上截取滞水量，并根据滞水量在库容曲线上读取滞水位；④绘制排水流量与滞水位关系曲线；⑤根据防护区限制滞水位，在排水流量与滞水位关系曲线上读取泵站排水设计流量。

库区防护工程防的是水，难的也是水。难就难在水的来势快，水量集中。目前的水库淹没处理设计规范是水库区防护工程排水泵站都是按照平原圩区除涝标准进行设计的，也都不同程度地存在类似问题。因此，水库区防护工程的排水泵站一定要根据防护区地形特点和来水特点来进行设计，避免防护区受到淹没损失。