浅谈城市地区泵站特征水位的选取

杨怡青，余方顺，高炜杰，王 童

（宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192）

1 问题的提出

宁波市位于长三角南岸，境内甬江为独流入海中小河流，流域面积4 257 km2。甬江为感潮河道，水位受洪、潮双重影响，变化复杂且变幅大，沿岸泵站以甬江作为排涝承泄区。甬江沿岸泵站非简单的排田或排调蓄区，泵前排水区内既有山区又有平原，平原内部分布有城市和农村，两者排涝标准不同，沿江泵站又与闸门合建，共用闸前河道，导致泵站调度运行复杂。以上泵站运行环境和运行特点在浙江沿海具有一定的代表性，但规范并没有对上述情况下的泵站特征水位选取做明确规定。以甬江沿岸印洪碶泵站为例（地理位置见图1），结合GB 50265 — 2010《泵站设计规范》（下称《规范》）[1]，提出位于城市地区，复杂运行环境下的排涝泵站特征水位的选取方法，供类似区域泵站设计参考。

图1 印洪碶强排泵站地理位置图

2 工程概况

宁波市印洪碶强排泵站[2]位于宁波市江东区，甬江右岸，距离出海口约21.0 km。甬江由奉化江和姚江在宁波三江口汇合而成，流域总面积4 257.0 km2，其中山区面积2 242.2 km2，占52.7%，平原面积2 015.0 km2，占47.3%。主源剡江发源于奉化、余姚、嵊州三市交界的大湾岗东坡董家彦，河源至萧王庙橡胶坝出山口，河长52.5 km，继续东北流68.2 km至镇海入东海。甬江河口为弱潮河口，平均潮差在1.80 m，枯季潮水可上溯至萧王庙橡胶坝下。沿海潮汐属非正规半日潮型，其相邻的高潮低潮均不相等，夏季的夜高潮高于日高潮，冬季日高潮高于夜高潮。

印洪碶泵站设计总流量30 m3/s，共3台机组，与印洪碶闸合为鄞东南平原印洪碶河排水出口。鄞东南平原位于宁波市东南，东枕鄞东南山区丘陵，西邻奉化江干流，南临东江，北频甬江干流，流域总集雨面积703.0 km2，其中平原面积403.0 km2，山区面积300.0 km2，流域内地势南高北低、东高西低，自然形成由南向北排、自东向西排的排水格局。平原内部河网密布，现状水面率约6.6%。

鄞东南片区现为宁波市行政中心所在地，涵盖了江东区、国家高新技术园区、鄞州中心区等已建城区面积约150.0 km2，占平原总面积37%，排涝标准为20 a一遇24 h暴雨24 h排出不受淹，其余排涝标准为20 a一遇3 d暴雨3 d排出。据规划[3]鄞东南平原将建成10大排水系统，由于该地区经济较为发达，土地资源有限，通过新增排涝通道和提高水面率等工程措施以提高洪涝水外排和滞蓄能力的方案实施难度较大，增设强排泵站是最有效也是最直接的工程措施。印洪碶泵站在排涝体系中具有重要的地位和作用，能够有效提高现有排水通道的利用效率，加快平原涝水外排，缩短平原受灾时间，将大大缓解平原的排涝压力。

根据印洪碶泵站的任务为配合闸门排水，拟定印洪碶泵站的调度方案为：在洪水期，根据防汛部门调度指令，在外江水位高于内河水位闸门无法排水时，即开泵排水。

3 计算方法

特征水位求取有水文学法和水力学法，水文学法需要长系列资料，而本地区可供分析的资料较少，且水文学法仅能统计分析建泵前情况，难以说明建泵后的水位变化情况，因此本次计算主要采用能够模拟建泵后水位变化的水力学法。水力学法的核心是建立流域数学模型，通过模拟洪涝水在干流和平原的演进，求取泵前泵后水位过程，并根据特征水位选取要求，计算相应的特征水位。

本次主要是建立“宁波市甬江流域洪水模拟数学模型”的水力学模型开展计算，该数学模型[4]由宁波市水利水电规划设计研究院自主研发，并经由水利部国际合作与科技司验收通过，现已广泛运用到宁波市的水利设计及防汛调度中，特别是在防台抗台中，获得多次验证，赢得了良好的口碑。

该模型的基本原理是：根据流域河道和水利工程数据，将流域水系概化成由河网和水域组成的体系。河网由流域内骨干河道和重要连接等一系列主要河道组成，是流域输送水流的载体；水域主要由支流小溪、水塘等水体概化成，主要起着水量调蓄作用。对河网采用节点 — 河道模型，对成片水域则划分为单元，这部分单元仅起蓄水调节作用，不起动力输水作用。通过引入陆域宽度概念，河网和水域组成统一的数学模型，或称混合模型。

混合模型中水流在河道中运动采用一维非恒定流方法来模拟，其基本方程圣维南偏微分方程组为：

式中：q为河道旁侧入流（m3/s）；BT为当量河宽（m）；Z为断面水位（m）；Q为流量（m3/s）；K为流量模数。

为实现方程的求解，用隐式差分法化为差分方程，再与边界条件及初始条件联立得微分方程组，运用计算机程序求解河网水量微分方程组，最后求得各节点、断面的水位和流量过程。

目前甬江流域数学模型由产汇流模型和河网水动力模型2部分组成，其中产汇流模型共划分了150个产流分区，其中平原35个，山区115个，这115个山区中有28个由水库控制；河网水动力模型共概化有2 308条河段，2 032个节点，14 877个断面，352座碶闸（含泵站），960片平原调蓄空间，并剖分了70 246个网格。甬江流域数学模型河网概化见图2。

为检验所建洪水分析计算模型的合理性和适用性，选用洪水发生时间较近、实测资料较完整且量级大小不同的2013年“菲特”台风、2015年“灿鸿”台风、2015年“杜鹃”台风进行验证计算。模拟计算与实测河道水位过程吻合较好，最高水位差值达到较好水平，说明所选模型能够模拟河道水位过程变化。

图2 甬江流域数学模型河网概化图

4 泵站特征水位选取

4.1 泵站进水池水位

4.1.1 设计运行水位

设计运行水位是排水泵站站前经常出现的内涝水位，是计算确定泵站设计扬程的依据。《规范》根据排水区有无调蓄容积分为2种情况，一是调蓄区容积较小的采用大部分耕地（90% ～ 95%耕地）不受涝的高程作为排水渠道的设计水位，再推算到泵前。二是根据调蓄区设计水位计入排水渠道的水力损失后作为设计运行水位。

分析本地区泵前排水区可知，泵前无固定集中调蓄区，可参与调蓄的是平原河网和低洼农田，河网纵横交错，农田分布点多面广，难以采用《规范》所述排调蓄区方法推算泵前设计运行水位；泵站位于中心城区，而鄞东南平原低洼农田多分布于城市郊区，距离泵站在15.0 ～ 30.0 km，且分布散、跨度大，对《规范》所述第一种推算泵前设计水位不适用。因此，本次计算从设计运行水位定义出发，直接统计泵前泵站运行时经常出现的水位（平均水位）作为设计运行水位。

采用数学模型，根据拟定的调度方案，模拟建泵后排水区遭遇设计标准洪水时泵前水位变化过程，统计泵站排涝时段泵前平均水位作为设计运行水位，本区排涝标准为20 a一遇（感潮河网地区，需考虑洪潮组合，根据本地区经验，洪20与潮5组合，洪5与潮20组合，分别统计。当洪20 + 潮5时，泵前排涝时段平均水位为1.82 m；当洪5 + 潮20时，泵前排涝时段平均水位为1.64 m），取外包线作为设计运行水位，即印洪碶泵前设计运行水位为1.64 m。排涝标准下泵站前后设计运行水位过程见图3。

图3 排涝标准下泵站前后设计运行水位过程图

4.1.2 最高运行水位

最高运行水位是排水泵站正常运行的上限排涝水位。规范取按排水区允许最高涝水位的要求推算到站前的水位。但鄞东南平原河网互相连通，排水区东西宽20.0 km，南北宽30.0 km，难以确定起推位置。因此，本次采用模型直接计算泵前泵排时段最高水位作为最高运行水位，本工程泵前排水区排涝标准为20 a一遇，故取泵前20 a一遇最高涝水位，为2.47 m。

4.1.3 最低运行水位

最低运行水位是排水泵站正常运行的下限排涝水位，是确定水泵安装高程的依据。低于这个水位运行将使水泵产生汽蚀、振动，给工程运行带来困难。根据《规范》，取按降低地下水埋深或调蓄区允许最低水位的要求推算到站前的水位。并必须满足3个要求：①满足作物对降低地下水位的要求；②满足调蓄区预降最低水位的要求；③满足盐碱地区控制地下水位的要求。

由以上分析，本工程并不是简单的排田或是排调蓄区，无法根据上述3个要求确定最低运行水位。因此本次最低运行水位从泵站安全运行需求出发，结合工程调度及实际运行情况2种运行工况，取较低水位作为泵站最低运行水位：①受台风登陆前期降水影响，接防汛部门调度指令，为应对后期的强降雨，提前抢排涝水及控制平原水位要求（鄞东南平原预泄水位为0.90 m）；②根据近年来台风期对本区域各水位站水位过程观测可知，闸前最低水位为0.80 m左右。综合考虑以上2种工况泵站安全运行的需要，本次推荐泵前最低运行水位为0.80 m。

4.2 泵站出水池水位

4.2.1 设计运行水位

设计运行水位是计算确定泵站设计扬程的依据。泵站出水池设计水位与排区暴雨存在内外组合问题，规范取重现期5 ～ 10 a一遇的排水时段平均潮水位。

针对本区域为感潮河网的特点，内外组合问题即洪潮组合问题，根据本地区经验，排涝标准需考虑2种组合情况，即洪20 + 潮5（泵后排涝时段平均水位为2.08 m）和洪5 + 潮20（泵后排涝时段平均水位为2.11 m），规范仅规定设计标准暴雨与外江5 ～ 10 a一遇潮水组合的情况，不能全面反映本区域的排涝特点和排涝需求。因此本次取本地区经验洪潮组合方式的外包线作为设计运行水位，即印洪碶泵后设计运行水位为2.11 m。

4.2.2 最高运行水位

最高运行水位是确定泵站最高扬程的依据。规范条文说明解释其确定与外河水位变化幅度有关，且重现期的采用应保证泵站机组在最高运行水位工况下能安全运行，同时也不应低于确定设计运行水位时所采用的重现期标准，因此规范取重现期10 ～ 20 a一遇的排水时段平均潮水位作为最高运行水位。

针对本工程，位于中心城区，排涝需求强烈，在外江出现高潮顶托闸门无法排水时，泵站就有启用需要。工程与外江堤防防洪（潮）标准都为100 a一遇，在外江达100 a一遇洪（潮）水位时，堤防和泵站工程均安全，在此情况下，应该保证泵站机组的安全运行，发挥排涝作用，降低受灾损失。同时也可以避免基层管理人员的理解误区，当外江水位高于泵站最高运行水位时，泵站是否就不能运行的疑问，从而避免可能导致的误操作。因此本次考虑最高运行水位与外江防洪（潮）标准一致，取100 a一遇设计洪（潮）水位3.45 m。

4.2.3 最低运行水位

最低运行水位是确定泵站最低扬程和流道出口淹没高程的依据。规范取承泄区最低潮水位的平均值，但考虑到本地区为闸泵结合排水，在平均最低潮水位时，闸门可自排，考虑以上情况，本次取出水池侧最低运行水位与泵前最低运行水位一致，即0.80 m。印洪碶泵主要设计参数见表1。

表1 印洪碶泵主要设计参数表

5 结论和建议

泵站的特征水位是确定泵站特征扬程的依据，直接影响泵站工程的工程投资、经济效益和安全运行。城市排涝泵站运行环境更为复杂，在设计城市排涝泵站时，泵站特征水位选取难以直接引用规范，增加了设计难度。本文通过建立“宁波市甬江流域洪水模拟数学模型”，考虑不同的洪潮组合进行计算，并结合实际地区经验，选取合理的泵站特征水位，充分发挥泵站的排涝能力。

泵站特征水位及泵站运行效益与泵前河道规模息息相关，建议在泵站建设时，考虑泵前河道的输水能力，做到泵站规模与泵前河道匹配，保证泵站运行的稳定和效益。