浅析接力泵站在沿海平原排涝中的应用

2018-12-19，，

长江科学院院报 2018年12期

，，

(浙江省水利水电勘测设计院规划分院, 杭州 310002)

1 研究背景

浙江省沿海平原受潮汐影响，在高潮顶托时需关闸蓄涝，在低潮开闸时河道流速依旧缓慢，河道过流严重不足。这是因为沿海平原地势低平，上下游水力坡降极小，导致水流动力不足[1]。如杭嘉湖东部平原地面高程只有1.2～2.2 m，且腹地距离排水出口很远，如南排骨干河道长山河长65 km，排涝时水力坡降只有0.03‰；宁波平原的余姚城区距离甬江河口长达90 km，水力坡降只有0.03‰～0.04‰；台州温黄平原的东排河道洪家场浦、青龙浦和金清港河道长度均在20 km以上，行洪时水力坡降只有0.025‰～0.03‰。

为提高平原的排涝能力，生产实践中常采用的工程措施有对主干河道进行拓宽疏浚，以扩大行洪断面及提高河道过流能力。但河道拓浚措施效果非常有限，如杭嘉湖平原的长山河由河宽35～100 m拓浚至50～120 m，沿程河道水位只降低0.03～0.06 m；温黄平原的青龙浦由河宽25～70 m拓浚至50～100 m，沿程河道水位只降低0.06～0.10 m。另一方面，由于拓浚河道路径长，拓浚河道需要征用土地和拆迁的房屋量很大，如青龙浦由河宽25～70 m拓浚至50～100 m时，征用土地增加2 014亩(1亩≈666.67 m2)[2]。平原河道实施拓浚工程，征地多且投资大，而排涝效果有限，因此迫切需要转变思路，提出新的治涝措施。

2 接力泵站治涝措施的应用要点

针对平原河道流速缓、过流能力不足的问题，本文设想沿主干排水河道，从上游至下游，逐段设置泵站，下级泵站设计流量规模高于上级泵站。通过以电能换动能，以动能换势能，逐级加快水流速度、增大水力坡降、提高河道及口门排水能力[3-6]。以下对接力泵站措施的适用范围、布局和规模及水力计算的概化方式等问题逐一分析说明。

2.1 接力泵站的适用范围

由于沿海平原受潮汐影响，且河网水系彼此互通，有的河网具有不同的排水出口，造成了河网水流的往复不定，这限制了接力泵站的应用范围。考虑沿海平原的地形和排涝特点，将接力泵站的适用范围总结如下。

2.1.1 汇水范围相对封闭、排水方向相对单一的区域

平原河网水系四通八达，而接力泵站一般只能布置在一条或几条主干排涝河道上。若排水范围相对开放，排水路径也有多个方向，则在主干河道上布置的接力泵站，可能导致平原腹地范围内的涝水转移，从而导致泵站排水效率低下。

图1和图2分别为单一汇水方向和2个汇水方向的接力泵站布置示意图。

图1 单一汇水方向的接力泵站布置示意图Fig.1 Schematic diagram of relay pump station arrangement with single direction of catchment

图2 2个汇水方向的接力泵站布置示意图Fig.2 Schematic diagram of relay pump station arrangement with dual directions of catchment

图1中1#闸站具有相对封闭的汇水区域和排水方向，在主干河道上布置接力泵站，会提高汇水速度和排水效率。

图2中1#闸站在主干河道设置接力泵站后，汇水范围明显扩大。这是因为，平原河道相互沟通，在主干河道布置较大流量的接力泵站，会将排往2#闸站的涝水转移到1#闸站，不仅难以提高排水效率，而且会加重了1#闸站的排涝任务。

对于区域面积较大的平原，排水有多个方向，且仍然存在地势低平、排水过缓的问题，需要对平原“分片节制”，然后分片采用接力泵站的方式。“分片节制”即对平原各个排水方向划定排水范围，以节制闸方式对其排水范围实行封闭。如余姚姚江平原有北排、西排和东排3个排水方向，以节制闸对各排水范围实施封闭，再对各片实施接力泵站工程。

综上，汇水范围相对封闭、排水方向相对单一的区域是使用接力泵站的一个前提条件。

2.1.2 平原河道自排条件下过流能力不足的区域

使用接力泵站的另一个前提条件是平原河道在自排条件下过流不足。2个前提条件均满足时，可考虑实施接力泵站措施。河道过流不足包括2种情况：①河道过流断面不够大，拓浚难度很大；②河道过水断面足够大，但由于地势低平，水力坡降太低导致过流不足。

图3 狭窄河道的接力泵站布置示意图Fig.3 Schematic diagram of relay pump stationlayout on narrow river

河道过流断面不够大，拓浚难度大的问题突出表现在城市中心区域。该区域河道本身狭窄，而河道两岸往往城市建筑密集，部分还有文物保护单位，拆迁和补偿难度均十分大，在此条件下，可考虑在狭窄河道末端建接力泵。接力泵通过泵站强排动力加快水流速度，故需对狭窄段的河岸冲刷加以护砌；同时下游的承泄区河道也应保证足够的过流能力，如图3。

另一种情况，即河道过流断面足够，但由于水力坡降小，导致过流不足的问题突出表现在平原面积大、排水路径长、地面低平的区域。平原腹地大，导致排水路径长，水力坡降必然很小，导致水流动力不足；地面低平，导致河道水深不足，很容易漫溢到地面。在此情况下，考虑在主干河道设置接力泵站。主干河道应根据路径长短、汇水多少确定接力泵站的级数和位置。

综上，必须在满足以上2个前提条件下才可考虑应用接力泵站的措施。

图4 多级接力泵站布置示意图Fig.4 Schematic diagram of multi-stage relay pump station

2.2 接力泵站的布局和规模

(1)接力泵站必须与节制闸配套建设。一般泵站如口门泵站和圩区泵站，即其出水池水位是明显高于进水池水位的；而接力泵站是为了提高河道过流能力人为设置的提水泵站，为防止电排水量回流，必须设置节制闸。接力泵与节制闸配合运用，一般较小暴雨时，仍开闸自流；只有在遭遇较大暴雨洪水时，才会关闸开泵，以泵排代替自流。

(2)接力泵站应结合路径长短和汇水范围布置。在区域排水距离较长、汇水范围较大的平原考虑布置多级泵站。在只有单条主干排水河道的区域，多级泵站之间的距离和汇水范围要考虑大致均等；在有多条平行主干排水河道的区域，主干河道均应考虑布置接力泵站，形成汇水范围大致均等的多级泵站群(图4)。但“多级”并非是接力泵站的必要条件。事实上，多级接力泵站调度复杂，应结合地形布置，尽可能避免多级泵站布置。如在涝区腹地布置接力泵站，其承泄区如有山体丘陵，应结合排涝隧洞或沿山高排渠布置，以尽可能减少对承泄区的影响。

(3)接力泵站的设计流量规模要合适。接力泵站的主要作用体现在较河道自流流量大且大流量过流时间长(图5)。因此接力泵站的设计流量一般要求大于或接近于河道自流的洪峰流量；但接力泵站设计流量也不可过大，要考虑泵站建设的经济性及开机频率，同时需要一定规模的河道配套。浙江省目前单个泵站的设计流量一般≤200 m3/s。

图5 接力泵站与河道自排的流量过程示意图Fig.5 Flow processes of relay pump station and channel’s self-draining

2.3 接力泵站的模型概化和方程

2.3.1 平原河网计算模型

沿海平原河网水流运动是典型的非恒定流，采用圣维南方程组描述,即：

(1)

(2)

式中：x为距离坐标；t为时间坐标；B，A，R分别为河段断面的河宽、过水面积、水力半径；u为河道流速；q为河段的单宽旁侧入流；Z，Q分别为所求的断面水位和流量；g为重力加速度；C为谢才系数。在实际计算中，一般以四点隐式差分格式将上述偏微分方程组离散为差分方程组，即：

(3)

(4)

式中：θ为差分系数； Δxj为差分空间步长；Δt为差分时间步长。

该差分方程组与河汊(河道交汇处)、闸汊(内部及口门节制闸)平衡方程、边界条件及初始条件联立，构成一个大型的非线性方程组，采用迭代法求解。

2.3.2 接力泵站的概化

在圣维南方程组中，是以2个断面之间的河段列微分方程的，式(1)等式右边的单宽流量即反映汇入河段的集中入流。对于泵站，可对其进水池、出水池均以一微小河段概化，泵站的抽排流量以集中入流反映。概化模型可反映如抽排可能导致泵前短距离河道水位很低、抽排到下游的水量导致泵后短距离范围水位壅高等实际情况。接力泵站的概化如图6所示。

图6 接力泵站的概化Fig.6 Generalization of relay pump station

图6中，接力泵站在内河中应用，必须以节制闸分隔，以防止抽排水量回流。其中，泵前进水池以第j-2内河段模拟，其首末断面编号分别为j-2，j-1；泵后出水池以第j内河段模拟，其首末断面编号分别为j，j+1。泵站抽排流量为qm。应当指出，为模拟实际状况，用微小河段模拟的进水池或出水池河长Δx≤50 m。

2.3.3 进、出水池的差分方程

对于用微小河段模拟的进、出水池运行方程，仍以四点隐式差分格式差分，对于进水池，单宽抽排流量为

(5)

对于出水池，单宽汇入流量为

(6)

对于节制闸前后断面的流量有

Qj=Qj-1=0 。

(7)

将式(5)、式(6)、式(7)代入式(3)、式(4)，则进水池河段的差分方程为

(8)

出水池河段的差分方程为

(9)

3 应用实例

以浙江省姚江流域的余姚市防洪排涝布局作为实例说明。

3.1 基本情况

余姚市位于浙江省东部，北濒杭州湾、南屏四明山、西连上虞市、东接宁波市，为宁绍平原的中心。余姚市地势南高北低，南部四明山山峦起伏，间有盆地、谷地；中部姚江平原，有孤山残丘，点缀两岸；北部为滨海冲积平原。

余姚平原排涝有2个方向，除姚西北区域通过临海浦闸、陶家路闸北排入杭州湾外，绝大多数涝水通过姚江和姚江大闸流向甬江。姚江全长107 km，余姚境内长75 km，原为潮汐河道，1959年在姚江河口上游3 km处截弯取直建成姚江闸后，姚江变成内河。姚江属平原河道，河床平坦，逶迤曲折，比降小，流速缓慢。余姚兰墅桥以西至菁江渡河段，河道相对较平直，江面较窄，宽度为70～80 m；兰墅桥以东，江面开阔，河道弯曲度相对较大，江面宽度一般在90～180 m之间，最宽处260 m左右。

余姚地形复杂，气候多变，自然灾害频繁，其中又以洪涝灾害为最。2013年第23号“菲特”强台风，姚江流域最大24 h雨量达到338.4 mm，最大3 d面雨量为441.7 mm。受强降雨影响，余姚站最高洪水位达到3.40 m，超历史最高洪水位0.48 m。台风期间，余姚水位站超警戒水位1.90 m持续时间近8 d，超警戒水位3.00 m以上高水位持续时间近4 d。全市21个乡镇、街道均出现灾情，有145个行政村(社区)被围，受灾人口83.3万人。全市城乡公路除5条运行外，其余94条全部停运。这次台风给余姚市带来的直接经济损失高达206亿元。

3.2 洪涝灾害成因

(1)气候原因。余姚市地处东南沿海，遭受台风及热带风暴侵袭频繁，是造成流域大洪水的主要成因。台风一般发生于7月底至10月初。自1961年至2013年的53 a间，姚江流域3 d平均雨量>200 mm的暴雨平均8 a一次，流域3 d平均雨量>150 mm的暴雨平均3 a一次，造成严重的洪涝灾害，尤以2013年第23号“菲特”强台风最为严重。

(2)地形原因。余姚城区整体地形呈现“北高南低，西高东低”的特性。北部沿杭州湾一带高地地面高程4.0～5.0 m；西部上虞市丰惠平原为4～6 m；中部余姚城区地势较低，为2.5～2.8 m，城区周边地面高程为2.8～3.5 m；东部姚江干流下游两岸地势最低，为1.8～2.0 m，形成一条狭长盆状洼地，故余姚城区和姚江沿岸最易受洪涝灾害侵袭。

(3)排涝出路过流不足。目前余姚平原除姚西北区域北排杭州湾外，大部分要通过姚江大闸东排甬江。姚江向东经蜀山大闸、姚江大闸、甬江至镇海长度104 km，排水线路长，同时行洪排涝受奉化江、甬江洪潮水顶托，致使向东排能力受限，延长了受淹时间，加重了余姚受涝程度。

3.3 治理思路

针对余姚城区现有的“锅底”地形及排水出路不畅的现实条件，提出“分片节制、接力强排”的治涝思路。

“分片节制”即确定东排、北排和西排3个排水方向，各方向排水范围以节制闸分隔。余姚市分片接力泵站布置如图7所示，“北排”范围为沿长泠江及斗门闸、瑶街弄闸、贺墅桥节制闸以北区域(含四明湖水库下游区域)，排水方向为北排杭州湾，排水范围579 km2；“西排”范围为通明闸以西至曹娥江区域，减少丰惠平原东排姚江的水量，排水范围133 km2；“东排”范围为长泠江及斗门闸、瑶街弄闸、贺墅桥节制闸以东的余姚区域，排水方向为东排甬江，排水范围1 132 km2。

图7 余姚市分片接力泵站布置Fig.7 Layout of the relay pump stations in Yuyao

分片“接力强排”的布置方式具体如下：

(1)北排接力泵站。余姚市扩大北排主要为尽可能增加姚江干流洪水北排，减轻余姚城区的防洪压力，因此其一级泵站沿姚江干流及余姚城区布置，主要在乐安湖、西横河闸设置一级泵站，泵站规模分别为120 m3/s 和30 m3/s，北排一级泵站总设计流量为150 m3/s；二级泵站主要考虑北排地势及增加排水动力，分别在北排一通道、二通道设置二级接力泵站，其中北排一通道河宽30～100 m，在小胡头堰设置二级泵站，设计流量为30 m3/s；北排二通道河宽60～120 m，在泗门设置二级泵站，设计流量为200 m3/s；二级接力泵站总设计流量230 m3/s；三级泵站主要沿杭州湾布置，主要解决顶潮期涝水外排，分别在陶家路新闸设置三级泵站200 m3/s，在出口爱国江闸设置三级泵站50 m3/s，三级接力泵站总设计流量250 m3/s。

(2)东排接力泵站。由于姚江东排的线路长，水力坡降小，两岸房屋密集，拓宽难度大，故考虑新开慈江—沿山大河排水通道，新开河长34.15 km，河宽50～120 m，以澥浦闸排入外海。由于慈江—沿山大河排水通道同样存在路线长、水力坡降小的问题，故考虑在慈江大闸、化子闸和澥浦闸设置三级泵站，设计流量分别为100，150，250 m3/s。

(3)西排接力泵站。上虞境内丰惠平原通明闸上约有133 km2的涝水东排至余姚，为减少丰惠平原涝水东排姚江的水量，同时解决丰惠平原自身的防洪排涝问题，新建梁湖强排泵站跨流域排入曹娥江，泵站规模为165 m3/s。

3.4 排水效果

余姚平原在实施分片节制和接力泵站工程后，工程实施前后的最高水位、高水位淹没时间和外排水量分别见表1、表2和表3,其中P为洪水频率。

表1 工程实施前后平原最高水位对比 (P=5%)Table 1 Comparison of the highest water levelbefore and after the project (flood frequency P=5%)

表2 工程前后平原淹没时间对比(P=5%) Table 2 Comparison of flooded durationbefore and after the project (flood frequency P=5%)

表3 工程前后平原外排水量对比(P=5%) Table 3 Comparison of external drainage of the plainbefore and after the project (flood frequency P=5%)

由表1—表3看出，实施分片接力泵站工程后，余姚平原外排水量增加了1.3亿m3，其中北排和西排接力泵站占新增水量的绝大部分；余姚平原水位降低0.20～0.30 m，高水位淹没时间减少20～66 h，位于河谷洼地的余姚城区高水位淹没时间减少幅度最大，达60 h以上。本实例说明实施“分片节制”、“接力强排”的工程措施，对于排水距离远、水力坡降不足的低洼平原具有非常显著的排涝效果。