天津市北塘排水河河口泵站规模分析

2015-03-23刘洪涛

海河水利 2015年5期

关键词：调蓄河口河段

刘洪涛，刘薇

（天津市水利勘测设计院，天津 300204）

天津市北塘排水河河口泵站位于北塘排水河与永定新河交口，为单向排水泵站，建设目的是提升天津市中心城区排水能力，缓解北塘排水河两岸排水压力，保障河道控制区域的排水安全。

为合理确定北塘排水河河口泵站的建设规模，采用多种算法对该泵站的规模进行计算，并对各算法的结果进行分析比较，力求科学合理地确定泵站的设计规模。

1 北塘排水河基本情况

北塘排水河开挖于1958年，担负着天津市中心城区东北部地区和环外东丽部分地区的雨水以及东郊、空港等污水处理厂出水的排放任务，河道全长33.5 km，原设计流量27～81 m3/s。在河道21.6 km处拦河建有山岭子泵站（装机27台，设计流量54 m3/s），将北塘排水河分为上下游两段。北塘排水河最终汇入永定新河，河口建有永和闸，过水断面为6孔3 m×3 m，设计流量81 m3/s。

2002—2011年，已分期分段对北塘排水河完成清淤、扩挖和堤岸治理。山岭子泵站上游河道，长21.6 km，河底高程为-1.0～-2.3 m（大沽高程，下同），河道底宽为24～32 m，河道两岸边坡1∶1.5～1∶2.5，堤顶高程为2.2～4.5 m。山岭子泵站的下游河段长11.9 km，河底高程为-1.0～-1.4 m，河道底宽为32～42 m，河道两岸边坡1∶2.5，堤顶高程为3.8～5.8 m。

由于受永定新河汛期高水位顶托的影响，永和闸泄流不畅，致使北塘排水河经常出现高水位运行情况，危及两岸地区的排涝安全。受跨河公路、铁路桥梁底高程以及两岸地形条件的制约，北塘排水河不具备再扩挖河道、加高堤防的条件，其最高水位为3.40 m，而其河口处永定新河5年一遇设计水位达4.40 m，涝水不能自流入永定新河。因此，为解决北塘排水河遇永定新河高水位无法外排的问题、保障中心城区及河道沿线的排水安全，在北塘排水河口新建排水泵站是必要的。

2 设计涝水

北塘排水河收水范围包括中心城区北塘排水河雨水系统、外环河东部雨水系统、东郊污水处理厂出水，环外居住区、园区、农田和环外的污水处理厂出水。

按照《天津市排涝总体规划》确定的涝水计算方法，进行河道涝水组合计算。设计暴雨历时选用24 h，农田区设计排涝流量采用10年一遇标准2 d 排除；建成区和规划城区的设计排涝流量采用20年一遇标准1 d排除。经计算，山岭子泵站以上河段规划入流84.01 m3/s、以下河段规划入流为17.34 m3/s，合计承泄101.35 m3/s，见表1。

3 泵站规模分析

在满足规划排水要求的前提下，为合理确定新建泵站规模，设计采用了以下4种方法进行计算。

3.1 面积比法

根据河道控制排水面积按不同下垫面情况推算需排放的水量，考虑河道提前降低水位可调蓄的容积（或水量），由剩余水量计算出流流量。

山岭子泵站以上河段长21.6 km，按照汛前将山岭子泵站站前水位提前降至0.0 m计算，山岭子以上河段调蓄量为139万m3。

表1 规划入北塘排水河区域雨污水流量

山岭子泵站以下河段长11.9 km，按照汛前将拟建河口泵站站前水位降至0.0 m计算，山岭子以下河段调蓄量为172万m3。

3.2 水库调洪法

将山岭子泵站以上河段、以下河段概化为2 个河道型水库，采用水库调洪方法计算。其中，山岭子以上河段入流为沿程涝水流量，出流即为所求山岭子泵站流量；山岭子以下河段入流为山岭子泵站出流加上沿程涝水入流，出流即为所求河口泵站流量。上下河段提前降低水位的运用方式及河道调蓄量均与面积比法一致。

3.3 削峰法

以北塘排水河控制范围内的不同下垫面特性为依据，将汇水区的产流分为以下4种性质考虑。

Ⅰ类，城区排水：通过管道汇入泵站后直排入河道，按设计规范规定在达到设计流量峰值后衰减，分析时根据其排入位置不同，折减计算流量。

Ⅱ类，农业区排水：时间按2 d考虑，大于河道在汇入永定新河前形成设计水位的时间，直接计入排入流量。

Ⅲ类，支流汇水：计入在上游区充分利用当地河湖调蓄错峰后的流量。对于无法调蓄的，直接计入排水流量。

Ⅳ类，污水处理厂出水：为日平均排水，直接计入流量。

根据上述对产流区的分类，河道设计流量计算将分为3个步骤。步骤一：对第Ⅰ类产流，按极限强度法模拟泵站出口流量，并绘制各泵站服务区的流量和时间关系曲线，即Q-T 曲线；步骤二：对上述Q-T 曲线进行趋零修正；步骤三：根据沿河各个产流区的汇入位置，将Ⅰ类产流的Q-T 曲线与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类产流的流量叠加，形成北塘排水河的Q-T曲线图。

各泵站入流概化如下：平均按下雨1 h后流量达到最大值，然后1～3 h 持续按最大值入流，随后在3～4 h衰减至0，并向下游传递。

削峰处理后的Q-T曲线，如图1所示。

图1 河口Q-T曲线

3.4 平原河网一维水动力模块模拟算法

（1）基本方程。采用一维非恒定流基本方程，即圣维南方程组：

连续方程为：

动量方程为：

式中：X、t 为距离（m）和时间（s），为自变量；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；g为重力加速度（m/s2）；ql为旁侧入流（m3/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（Q）和水位（Z）作为变量比较方便，采用Preiss⁃mann 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）边界条件的设定。在进行水力学计算时，上游边界一般采用流量过程或水位过程，下游边界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3种形式给出：①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，Z=Z（t），Z 为水位（m），t 为时间（s）；②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，Q=Q（t），Q 为断面流量（m3/s），t 为时间（s）；③水位流量关系，Q=Q（z），Q为断面流量（m3/s），Z为水位（m）。

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流量与水位的线性函数式，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）河道糙率。清淤治理后的北塘排水河河道断面规则，没有淤积，仅岸坡有杂草，糙率取0.025。

（4）模型概化。河道的入流主要为沿途泵站及污水处理厂出水，对各排水口作为入流节点进行概化处理。

3.5 计算结果

上述4种算法的计算结果，见表2。

表2 4种计算方法成果对比

由表2 可见，本次分析采用的削峰法和模型模拟法未充分考虑到河道的调蓄作用，计算出来的结果比面积比法和水库调洪法要大。考虑北塘排水河在汛期排水调度时采取低水位运行、河道调蓄空间较大的特点，本着节省投资并适当留有余地原则，推荐采用第2种方法的计算结果，即：将山岭子以上河段、以下河段概化为2个河道型水库，采用水库调洪方法，建城区及规划城区按平均排除法20年一遇流量、农田区域和污水按计算流量连续入流24 h 情况的计算结果，最终确定河口泵站的设计流量为54.6 m3/s。