多功能泵站建设的探讨

2017-10-10金建峰

浙江水利科技 2017年5期

关键词：城西大刀钱塘江

金建峰

（杭州市闲林水库管理处，浙江杭州 310014）

多功能泵站建设的探讨

金建峰

（杭州市闲林水库管理处，浙江杭州 310014）

为挖掘已建工程潜力、充分发挥工程综合效益，结合工程与区域实际情况，以杭州市大刀沙泵站为工程实例，通过2次技术改造，使其在原有抗咸、应急供水功能基础上，同时具体配水、排涝功能，充分发挥泵站的综合功用，效益显著。

泵站；技術改造；多功能；大刀沙泵站

1 问题的提出

2014年12月，省委十三届四次全会提出，要以“治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水”为突破口倒逼转型升级，全省各地“五水共治”工作如火如荼地开展。为更好地服务“五水共治”，杭州市林业水利局进行了多方面、多角度、多层次的探索与研究，充分挖掘现有工程潜力，适当改造，以增加较少的投资，获得更多的功能和效益。

常规单座泵站的功能，只具备排涝、灌溉、供水、引配水等功能中的一项，同时具备3种及以上功能的泵站鲜有工程实例，大刀沙泵站是多功能泵站的典型。本文以大刀沙泵站为例，以功能为载体，以技改为手段，以点带面。大刀沙泵站在原有抗咸、应急供水功能的基础上，通过2次技术改造，使其同时具备配水、排涝作用，实现大刀沙泵站同时具有“保供水、排涝水、治污水”功能，取得“一泵治三水”的成效。

2 相关工程简介

大刀沙泵站是闲林水库工程的重要组成部分，位于钱塘江与钱塘江引水入城工程的交叉处，作为输水头部工程，其全面功能的发挥需结合闲林水库工程和钱塘江引水入城工程。

2.1 闲林水库

闲林水库是杭州城市应急备用水源，是省、市“五水共治”中“保饮水”“防洪水”的重要实施项目，也是千岛湖配水工程的重要组成部分。水库集雨面积16.89 km2，正常蓄水位高程70.00 m，总库容1 984万m3，中型水库。工程建成后，结合千岛湖配水工程，能满足杭城8 d备用水源的需要；同时结合下游河道整治，下游地区防洪能力由5 a一遇提高到20 a一遇；下游河道生态环境得到明显改善。闲林水库于2015年6月通过蓄水验收后下闸蓄水，2016年蓄水位控制在59.50 m，蓄水库容591万m3［1］。

2.2 钱塘江引水入城工程

钱塘江引水入城工程主要由取水枢纽、输水渠道、隧洞、连接河道等建（构）筑物形式组成，设计输水规模25.00 m3/s，多年平均引水量3.9亿m3，总投资8.28亿元。工程建设任务是改善杭州市运西片河网水环境，兼顾城市景观等综合效益，于2009年10月建成投入运行。闲林水库工程与钱塘江引水入城工程平面布置图见图1。

图1 平面布置图（闲林水库工程与钱塘江引水入城工程）

2.3 大刀沙泵站

大刀沙泵站的原有工程任务是抗咸取水和应急供水：一是遇突发水污染事件或咸潮入侵需要使用闲林水库水源时，将闲林水库水泄放至沉沙调节池，通过大刀沙泵提水至珊瑚沙水库供城区各水厂；二是应抗咸需要将符合饮用水标准的钱塘江水，在2个咸潮间隙通过大刀沙泵站应急取水入珊瑚沙水库，提高该水库蓄淡抗咸能力和供水保证率。于2011年5月建成投入运行。大刀沙泵站平面布置图见图2。

图2 大刀沙泵站平面布置图

工程由取水建筑物、泵站建筑物和输水建筑物3部分组成。设计取水流量26.00 m3/s，布置4台型号为1800HDC - 10.5型立式抽芯式混流泵，单台水泵额定流量Q = 6.50 m3/s，额定扬程H = 10.50 m，总装机容量4 480 kW。概算总投资为8 655万元［2］。

3 杭州常规泵站功能现状

“堤防保命、泵站保收”。水利是国民经济的重要基础设施，泵站是水利工程的重要组成部分，特别是大型泵站承担着区域性的除涝、灌溉、调水和供水的重任。

杭州市的泵站建设起步较早，始于20世纪60年代，当时泵站的主要功能是农田灌溉和排涝，在经济社会和农业发展、抗灾减灾中起到了重要的支撑作用。随着产业结构调整和城市化的推进，泵站的灌溉和农田排涝的功能逐步弱化，转为配水和城镇排涝，承担了改善城乡水环境服务的新职能，更多地发挥了社会效益和生态效益。

根据水利普查工作成果，至2015年6月30日，杭州市建成的规模以上泵站有554座，总装机1 465台，总容量19万kW。其中大型（装机流量50 m3/s以上）泵站8座；中型（装机流量10 ～ 50 m3/s或装机功率1 000 ～ 10 000 W）泵站48座；小（1）型（装机流量2 ～ 10 m3/s或装机功率100 ～ 1 000 W）泵站290座；小（2）型（装机流量2 m3/s或装机功率100 W以下）泵站208座［3］。

泵站的主要功能是排涝、灌溉、供水、引配水等。受水系、工程布置、泵型等方面制约，一般一座泵站具有一项功能，再加一个辅助功能，如2016年建成投运大型泵站—三堡排涝工程，其功能就是以排涝为主（200.00 m3/s）、兼有引配水（30.00 m3/s）。全市8座大型泵站中5座是供排结合、3座是纯排；全市48座中型泵站中，供排结合7座、排灌结合1座、纯供水23座、纯排水17座，即具单一功能的泵站占83%，兼具2种功能的泵站占17%；小型泵站中单一功能的泵站占比超85%。

对常规泵站而言，在排涝、灌溉、供水、引配水等功能方面，具有3种及以上功能的泵站鲜有工程实例，大刀沙泵站是多功能泵站的典型。

4 大刀沙泵站相关区域存在问题

一个水利工程的建设，一般都是为了解决一个区域的突出问题。与大刀沙泵站相关的区域水系为上泗片和运西片，这2个区域存在的主要问题是配水能力、排涝能力不足。

4.1 配水能力不足问题

20世纪90年代初，随着城市和国民经济发展，部分工业废水和生活污水直排，河网水质受到污染。自2000年以来，杭州市政府大力开展城市河道配水，倡导建设生态城市，通过截污、配水、河道整治等办法，使许多如运河、中河、东河、上塘河等河道水质有较为明显的改观，沿河自然环境景观也逐年好转。但运西、运东区域的河道水环境总体质量仍然较差，特别是运西片，其河网水质仍处于V～劣V类。由于截污工程完善需要较长一段时间，但面源污染很难截掉，配水工程将作为水环境改善的长期重要措施，一方面可以降低河道内污染物浓度，另一方面可以保证水体的流动，缩短水体交换周期，增大水体的降解与自净能力。

杭州市西北部运河以西区域受取水口及地形条件的限制，在钱塘江引水入城工程投入运行前，运西片环境用水仅依靠西湖出水3.70 m3/s及运西山区基流，苕溪流域来水较少，总体环境用水偏小，河网自净能力低，根本无法实现运西地区河网水体流动，无法容纳城西污染物总量，治理措施也很难在短期内改变水污染严重的现状，加上城市基础设施尚未配套，面源污染情况较为严重，故造成该地区水质状况最差，尤其是余杭塘河以南，紫金港以西区域，河水黑臭。钱塘江引水入城工程投入运行后，大大缓解了城西地区环境用水不足的问题，水质有了明显好转，可以说钱塘江引水入城工程对城西地区配水起到关键作用。

然而，近年来钱塘江洪水较大，出海口沙坎冲开，江道地形随之改变较大，钱塘江水位较低，导致引水入城工程引水流量不足，严重影响了杭州市西部地区环境用水。据1991 — 2010年的闸口水位历时统计，钱塘江水位低于1.80 m，20 a中出现了1 a，历时4 h，发生在1995年；水位在1.80 ～ 4.00 m，每年都有发生，年均历时4 103 h，折合天数171 d，占全年46.8%的时间。最少年份发生于1997年，历时109 d，最多年份发生于1999年，历时240 d。

从统计数据来看，每年都会发生低于4.0 m水位的情况，即钱塘江引水入城工程每年会发生引水流量不足的情况，平均每年发生天数为171 d，占近半年时间。从引水流量看，根据引水入城工程设计，在钱塘江水位低于4.00 m时，引水流量达不到25.00 m3/s。从引水总量看，能解决城西环境用水问题，但时程分配不能很好配合环境用水的需要，往往是钱塘江高水位时，城西地区不需要大量配水；钱塘江低水位时，城西地区需要大量配水。因此，作为城西地区配水最关键的工程，其运行存在的问题：一是钱塘江低水位时引水流量不能满足要求，二是钱塘江水位与城西配水需求时程不匹配［4］。

4.2 排涝能力不足问题

杭州市区西部地区按水系划分，包括西湖区的留下街道和蒋村街道，余杭区的闲林街道。流域上游为低山丘陵区，面积约150.00 km2；下游为运西平原河网，面积约120.00 km2。

城西内涝外排出路不畅已是公认的难题，多次发生内涝灾害。上游灵项溪属山区河道，坡陡流急，洪峰直泻；中游上埠河、东穆溪等河道窄小，容易漫溢，在留和路、02省道一带还存在诸多“瓶颈”或“盲肠”阻梗水流；下游沿山河以下平原河道行洪规模偏小，未能形成顺畅的城市排水网络系统。上埠河等山区小流域下泄洪峰流量较大，20 a一遇设计洪峰流量合计约800.00 m3/s，洪水总量合计约2 900万m3，洪水骤至平原后因河道排水能力不足而形成阻滞，又缺少可控制的有效滞洪区，使山麓平原交接带水位壅高，即留下街道一带极易受灾。在“99630”洪水中留下街道、闲林街道一带街区积水达1.00 m以上历时数天。在2007年16号强台风“罗莎”中，留下街道路面最大积水深达1.40 m左右；留和路和两侧高校大面积积水，水深最大达1.00 m以上，留和路绕城高速下积水超1.50 m；西溪路、天目山路积水严重；小和山高教校区普遍受淹，造成全区域停电、停水、交通中断，各高校学生停课；西溪湿地内部河道、池塘周边植被、树木大量受淹，部分房屋建筑进水，路面被淹，湿地植物园内的地下长廊全部被淹没。随着城市化进程的加快，特别是小和山高教园区的建设，填高了大量农田，该区块原有的滞洪功能不复存在，水体调蓄作用减小，更加重了该地区的防洪压力。

近年来，杭州市政府十分重视城西的防洪排涝问题，实施了一系列防洪工程，如“上拦”闲林水库、桥涵拓宽、河道浚拓等工程，使城西地区的防洪问题有所改观，但仍缺少外排工程，城西的洪水只能通过运河外排，遇强降雨时受涝危险仍然存在［5］。

上泗地区向钱塘江排水能力较低，主要依靠沿江闸站，包括四五排涝闸站、赤通浦闸站、白茅湖闸站、三阳闸站、四号浦闸站、社井闸、小江闸、龙王沙闸等，机排排涝流量为113.00 m3/s，排涝装机容量不能满足排涝需要。大刀沙泵站新增排涝功能后，上泗地区可以通过现状通道排入引水入城箱涵，从而涝水排入钱塘江，提升强排能力。

5 大刀沙泵站的功能拓展

针对大刀沙泵站所在的城西地区和上泗地区存在的突出问题，利用大刀沙泵站位于钱塘江与钱塘江引水入城工程交叉口的有利地理位置，充分利用钱塘江引水入城工程这一勾通钱塘江与城西地区的水利通道，以大刀沙已建泵站为依托，通过技术改造，实现枯水期钱塘江向城西地区配水、洪水期城西涝水向钱塘江排泄的目的。

5.1 配水功能的实现

为解决钱塘江低水位时钱塘江引水入城工程引用流量不足的问题，在控制钱塘江引用总水量及引用流量的情况下，利用大刀沙泵站提升功能，在遭遇钱塘江低水位且水厂无需提水期间，进行综合利用，提升沉沙调蓄池水位，从而增加引水入城工程在外江低水位时的引用流量，解决城西水生态环境用水供需时程分布矛盾。2010年9月依托建成投入运行的大刀沙泵站，进行技术改造，增加配水功能。

5.1.1 工程布置

配水工程由输水管道、阀门井、镇墩、出水消能池等组成。利用大刀沙泵站出水池预留D2 600 mm钢管，新建71.79 m长D2 600 mm钢管至沉沙调节池，出口设消能池。在桩号0 + 040.0 m处设阀门井，井内设D941X - 2.5D 2 600 mm蝶阀及伸缩节，用于节制；出水消能池主要由分水导墙，消能池底板、扶壁式挡墙、消能坎及下游护坦组成［6］。新增配水功能概化示意见图3。

图3 新增配水功能概化示意图

5.1.2 工程规模

大刀沙泵站的流量设计流量为26.00 m3/s，钱塘江引水入城工程设计引水流量为25.00 m3/s。杭州市引水入城工程低水位配水工程，其规模取决于引水入城工程设计流量，即为25.00 m3/s。工程实施后，杭州市引水入城工程引水量工程规模仍不突破总配水量3.9亿m3。

5.1.3 运行原则

当钱塘江水位位于1.80 ～ 4.00 m，杭州市引水入城工程不能满足设计引用流量，同时钱塘江水质能满足河道配水要求时，通过大刀沙泵站副取水口抽水至沉沙调蓄池进行配水。

对泵站新增配水任务后，各工程任务间相冲突时按《钱塘江河口水资源配置工程调度办法》进行调度，优先满足城市居民生活用水。

5.1.4 工程效益

配水工程批复概算679.90万元，即增加了向城西地区配水26 m3/s的能力，据测算平均增加提水成本0.045元/ m3，以较少的资入解决了钱塘江引水入城工程在外江低水位时的引用流量不足的问题，解决了城西水生态环境用水供需时程分布矛盾，取得了巨大的社会效益。

同时，按建设成本折算每个流量的建设费为26.15万元，远低于常规配水工程每个流量的建设成本。

工程于2013年1月建成投入运行后，时任杭州市人大主任王国平给予“意义重大，很有必要”的评价。工程在2016年杭州G20峰会期间，有效保障了城西西溪湿地一带水环境用水需求。

5.2 排涝功能的实现

杭州市委市政府十分重视城西地区的防洪排涝问题，数次召开会议进行专题研究。2014年11月市政府专题会议明确，研究钱塘江引水入城工程反向排涝工程建设问题，并列入2015年《政协杭州市委员会关于开展“‘五水共治’长效机制建设”专项集体民主监督的实施方案》。杭州市林水局将大刀沙新增排涝功能工程列入2016年“五水共治”计划，并被列入G20峰会保障项目。

5.2.1 工程布置

通过大刀沙泵站配水管道开孔接出，接出后扩管为DN3 000 mm埋管，埋管中心高程4.50 m，新建DN3 000 mm钢埋管末端也与原副取水口引水管道通过钢制三通连接，三通连接处设阀门井控制，最终由原副取水口取水管穿江堤入江，原取水管中心高程- 1.50 m［7］。引水入城工程反向排涝示意见图4。新增排涝功能概化示意见图5。

图4 引水入城工程反向排涝示意图

图5 新增排涝功能概化示意图

5.2.2 工程规模

大刀沙泵站新增排涝功能，排涝扬程低于原取水抗咸的扬程，其规模取决于现状泵站的流量，设计排涝流量为26.00 m3/s，鉴于引水入城工程反向排水能力限制，近期实际排涝流量为13.00 m3/s（开机2台），待城西地区反向排涝工程实施和上泗地区河网连通后，可发挥排涝流量为26.00 m3/s（开机4台）。

5.2.3 运行原则

本工程调度主要排涝、配水、抗咸和应急供水等3种水情，排涝期不会发生同时抗咸、配水的情况，排涝与配水、抗咸为相互独立事件。新增排涝功能的调度，不会影响配水、抗咸调度。大刀沙泵站排涝由杭州市城区防汛办统一运行调度。

（1）当分流河（东穆坞溪留下河口）水位达到2.76 m，大刀沙开启1台泵反向起排，排涝流量6.50 m3/s；

（2）当分流河（东穆坞溪留下河口）水位达到3.40 m，大刀沙开启2台泵反向起排，排涝流量13.00 m3/s；

（3）远期城西加大排涝流量或上泗地区涝水排入，大刀沙泵站开启水泵台数可再增加至3 ～ 4台，最大排涝设计流量26.00 m3/s。

5.2.4 工程效益

新增配水工程批复概算投资800.00万元，即增加向钱塘江26.00 m3/s的机排能力，占上泗片已有机排能力的23%，按建设成本折算每个流量的建设费为30.77万元，是新建1座中型排涝泵站建设费用无法比拟的。作为G20峰会的保障项目，工程于2016年8月投入试运行，大大增加了城西地区（主要是留下区域）以及之江地区（主要是上泗区域）的排涝能力。作为城西寻找内涝外排出路的宝贵通道，作为上泗地区提升排涝能力的措施，利用现状泵站技术改造新增排涝功能，便可增加城西以及上泗地区26.00 m3/s的排涝流量，排涝效益显著，对保障杭州市社会经济可持续发展、保障民生和区域免遭洪涝侵袭作用明显。

6 结语与建议

6.1 结语

大刀沙泵站经过2次技术改造，在原有抗咸、应急供水功能的基础上，同时具备配水功能、排涝功能，实现了一座泵站同时具有“保供水、排涝水、治污水”功能的效果，取得“一泵治三水”的成效，应该说在泵站建设史上也是比较少见的。泵站的2次技术改造，均在原征地范围内，使工程能一旦决策、立即建设、立见成效，得益于杭州市林水局开拓创新的治水理念，得益于得天独厚的地理位置，得益于适当超前的建设思路。

6.2 建议

作为水利基础设施的大中型泵站，具有建设费用高、建设周期长、功能相对单一、无直接经济效益等特点，一般在一个区域内建设数量有限，为此，更需充分挖掘每座泵站的潜力，提高泵站的综合应用能力，发挥最大的社会效益。

（1）对于工程规划，水利工程是社会基础设施，关系国计民生，必须有统筹性、前瞻性，在规划编制时，对骨干泵站的规模宜留有适当余地、功能宜综合考虑。

（2）对于已建泵站，可结合周边水系情况和实际需要，进行适当的技术改造，在保留现有功能的基础上考虑拓展，发挥最大效益。

（3）对于新建泵站，结合标准化建设，在建设用地、工程布置、泵型选择等方面作系统的考虑，并为今后功能拓展留好余地。

（4）对于泵站运行调度，由于杭州相关水利设施管理权限的特殊性，对大刀沙泵站来说，供水由九溪水厂提出调度，配水由市配水办调度，排涝由城区防办调度，建议供水、配水、排涝运行宜建立统一、明确的协调调度机制。

[1] 杨企平.杭州市泵站录[R].杭州：杭州市林业水利局，2015.

[2] 冯建中，潘根孝，陈照威，等.杭州市闲林水库枢纽大刀沙泵站工程初步设计报告[R].杭州：杭州市水利水电勘测设计院，2008.

[3] 扈晓雯，田建海，金建峰，等.杭州市闲林水库工程初步设计报告[R].杭州：华东勘测设计研究院，2009.

[4] 金建峰，黄正荣，朱航威，等.杭州市区河道引配水规划[R].杭州：杭州市水利水电勘测设计院，2007.

[5] 周鸣浩，蒋建灵，金建峰，等.杭州市区西部水系防洪规划[R].杭州：杭州市水利水电勘测设计院，2008.

[6] 冯建中，唐建强，吴浩，等.杭州市闲林水库枢纽大刀沙泵站工程新增配水方案设计报告[R].杭州：杭州市水利水电勘测设计院，2010.