基于一维水动力模型的天津市海河口泵站规模论证研究

李涛涛，王 维，王 南

（天津市水利勘测设计院，天津 300204）

1 海河口泵站建设必要性分析

海河是天津市19 条行洪河道中唯一一条穿越中心城区及滨海新区入海的河道，包括屈家店闸以下的北运河段长15.15 km、西河闸以下的子牙河（即西河）段长16.54 km、子北汇流口以下至海河防潮闸间的海河干流段长73.45 km。三闸间河道总长105.14 km，是以行洪为主兼顾排涝、蓄水供水、航运、旅游等综合利用的河道。海河共承担天津市约2/3中心城区面积、环城四区及滨海新区等重要区域的排涝任务，且绝大部分控制范围为城市化区域，涝水入流量很大，现状涝水入流量累计516.7 m3/s，规划情况下总入流量累计914.0 m3/s。

现状海河入海口仅建有防潮闸赶潮排水，受高潮位顶托影响涝水下泄不畅，连锁制约联通二级河道涝水不能顺畅下泄，从而形成内涝，严重威胁到海河排涝区的排水安全。2012年“7·25”特大降雨，中心城区平均降雨160 mm，造成52处76.14 km2积水，其中28处60.57 km2积水30 cm以上，海河景观平台和沿河张自忠路等下沉路长时间被淹，东丽、津南区涝水被禁止进入海河干流，津河、月牙河发生漫溢险情，沿线交通受阻。现状情况下，如中心城区发生24 h200 mm强降雨，即使环城四区限制涝水进入海河，预测中心城区仍将有38 km2积水50 cm以上，海河景观平台和两岸下沉路仍会长时间被淹，二级河道漫溢现象严重。

为减轻海河两岸排水压力、改善河口排水条件、解决环城四区排水受限问题、提升海河治涝区内中心城区和环城四区以及滨海新区等重要区域的排水能力，新建海河口泵站工程是非常必要和迫切的。建设海河口泵站后，在强降雨期间，如遇海潮顶托，可利用泵站强排，改变雨洪水难以外排入海的尴尬局面，有效减少中心城区内涝时间，降低淹泡损失和社会影响。

2 海河涝水安排

由于海河沿线均为建成区，涝水通过市政泵站进入二级河道后进入海河或直接排入海河，根据天津市政府2011年批复的《天津市排涝总体规划（2011—2020年）》和《天津市排水专项规划修编（2013—2020年）》，海河控制排涝雨水包括四部分：①中心城区北运河、子牙河、南运河、海河干流4 个雨水分区的雨水；②中心城区津河、卫津河、月牙河、外环河、护仓河等二级河道转输的雨水；③东丽区、津南区海河干流沿岸的雨水；④滨海新区塘沽部分地区的雨水。

根据《天津市排涝总体规划（2011—2020年）》，所有城区内涝防治标准均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除设计标准。根据最新完成的《天津市排水专项规划修编（2013—2020年）》，中心城区（含规划北部新区）范围内涝防治标准采用50年一遇最大24 h暴雨1 d排除设计标准，外环线以外的环城四区等其他范围采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除设计标准。

综合考虑到海河排水分区基本上为建城区和规划城区且控制范围较大、全部范围内同时发生高重现期暴雨的几率并不大，故沿线内涝防治标准均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除设计标准。规划情况下海河设计涝水流量，见表1。

根据表1 可知，规划情况下海河设计排涝总入流量累计914.0 m3/s。海河各河段入流量，见表2。

表1 规划情况下海河设计涝水流量

续表1 规划情况下海河设计涝水流量

表2 海河各河段入流量

3 基于一维水动力模型的海河口泵站规模论证

3.1 一维水动力学模型构建

3.1.1 计算原理

（1）基本方程，采用一维非恒定流基本方程——圣维南方程组：

连续方程为：

动量方程为：

式中：X 为距离（m）；t 为时间（s）；A 为过水面积（m2）；Q为断面流量(m3/s)；Z为水位（m）；α为动量修正系数；K 为流量模数；ql为旁侧入流（m2/s），入流为正，出流为负；νx为入流沿水流方向的速度（m/s），若旁侧入流垂直于主流，则νx=0。

在水流运动模拟计算中，采用流量和水位作为变量比较方便，利用Preissmann 加权四点隐式差分格式进行数值离散，采用追赶法进行求解。

（2）边界条件设定。在进行水力学计算时，上游边界条件一般采用流量过程或水位过程，下游边界条件一般采用水位流量关系。明渠水力学计算中采用的外部边界条件可以以3 种形式给出。水位边界条件，即在边界明渠上给定水位随时间的变化过程为：

流量边界条件，即在边界明渠上给定流量随时间的变化过程为：

水位流量关系为：

根据这3 种类型的明渠边界条件，对任一河段采用双消元法形成首末断面与首末断面水位的线性函数式，进而计算追赶系数，形成节点水位的方程组，采用迭代算法可得各计算时段沿程各计算断面的水位和流量。

3.1.2 模型构建

模型计算涉及北运河、子牙河、海河干流及海河闸下4 km 河口段。计算范围为北运河屈家店闸下—子北汇流口，子牙河西河闸下—子北汇流口，海河干流子北汇流口—海河防潮闸以及防潮闸下4 km长河口段。

（1）河道糙率。在《天津市海河干流治理可行性研究报告》中，对海河干流河道糙率进行了推算与分析，计算范围内河道糙率基本上为0.025，仅子牙河西横堤—子北汇流口段和海河干流子北汇流口—支航码头段采用0.03。本次分析考虑近些年河道断面等情况均没有较大变化，糙率值与原可研报告一致。

（2）输入断面。北运河、子牙河及海河干流全部采用2009年实测的断面资料，断面间距约1 km；拟建站址前泵站引河断面采用设计横断面，断面间距0.5 km。

（3）上边界条件。上边界采用流量边界，本次涝水计算将沿线泵站20年一遇规划入流量概化为各个集中点入流。

（4）下边界条件。下边界条件采用潮位边界，取《天津市海河干流治理可行性研究报告》中选择的六米站1972年典型潮型为设计潮型，同时选择1992年9月1日大潮潮型来复核海河干流排涝安全。

3.2 计算方案研究

本次设计对海河规划排涝情况进行模拟计算，整个排水区同时入流24 h。

下边界条件考虑海河防潮闸和新建海河口泵站同时控制，即闸上水位高于潮位则开闸泄洪，闸上水位低于潮位则闭闸挡潮同时开启泵站。

3.2.1 计算方案

为充分利用河道的调蓄功能，综合考虑河底高程、河道内水深、景观要求、河道调蓄能力大小等因素，拟定初始河道腾空至-0.5 和0.0 m 2 种情况，并与拟定泵站规模分别进行组合，初步拟定了5 个泵站规模分别为200、250、300、350、400 m3/s，初拟方案见表3。

表3 初拟方案

3.2.2 成果分析

计算结果分析，见表4。

表4 计算结果分析

根据上述方案计算及结果分析，可以得出以下结论：①各方案海河二道闸以上设计水位均超过2 m亲水平台但低于3 m，均不能保证设计涝水情况下市区亲水平台不淹泡，仅淹泡时间长短不同，相同腾空水位时差别在2～10 h；②闸站联合运用情况下，各方案把海河子北汇流口处水位降至1 m以下以迎接下一次降雨的时间基本上都超过40 h，且差别不大；③当泵站规模大于250 m3/s时，海河防潮闸过流量占总过流量的比例均低于50%。

综合考虑以上分析的各项因素，为充分发挥河道调蓄作用以及防潮闸赶潮排水的效率、减少泵站运行时间及费用和满足一定的景观要求，同时考虑避免水位骤降过大对堤防护岸的不利影响，按海河防潮闸过流量占总过流量比例不低于50%分析，确定河道提前腾空的合理最低水位为0.0 m、河口泵站合理规模应介于200～250 m3/s。

泵站规模在200～250 m3/s时，20年一遇涝水计算的各项控制指标差异并不明显，20年一遇设计标准涝水时，海河口泵站规模应以保障排涝安全为首要的控制运用条件；与20年一遇涝水相比，中小涝水具有发生机率高、排涝压力较小等特点，应在满足排涝要求的前提下，兼顾一定的交通与景观要求。本次海河口泵站最终规模按照发生5年一遇及以下的中小涝水时沿河下沉路不淹泡，交通不受影响（即子北汇流口以下水位不超过2 m），河道保持一定的景观水位（正常蓄水位以下0.5 m即汛期蓄水位1.0 m）等控制运用条件来分析确定。经计算，当发生5年一遇设计涝水、河道腾空水位为1.0 m 时，只有当海河口泵站规模大于或等于230 m3/s，海河子北汇流口以下设计水位才能低于2.0 m，从而满足以上控制要求。

综合以上分析，当海河口泵站规模为230 m3/s时，能充分发挥河道的调蓄能力和海河防潮闸的泄流能力，减少亲水平台及下沉路淹泡时间，解决东丽、津南两区海河干流排水受限的问题，有效缓解海河干流20年一遇涝水的排涝压力；当发生5年一遇及其以下的中小涝水时，在保障沿线排涝安全的前提下，还能保证沿河下沉路不淹泡、交通不受影响、河道能满足一定的景观水位要求。因此，海河口泵站规模最终确定为230 m3/s。

4 结语

（1）运用一维水动力学模型，结合天津市海河排涝、景观、交通、航运等实际需求，确定海河口泵站规模为230 m3/s。作为北方地区排涝规模最大的泵站，海河口泵站的建设能够很好地解决长期以来天津市中心城区、环城四区及滨海新区受涝严重问题，也可以有效缓解海河行洪压力。

（2）目前，由于部分地区市政管网和泵站建设还不完善，很多涝水不能及时进入海河，一定程度上影响了海河口泵站最大功能的发挥，未来市政管网配套完善后海河口泵站将发挥有效作用，天津市中心城区、环城四区及滨海新区排水压力将有效缓解。

（3）海河口泵站的运用需跟海河防潮闸、海河二道闸、耳闸等联合运用，为了使其经济、高效运用，下一步应对海河闸站联合调度进行深入研究。