梯级泵站排水方案在滨海感潮河网地区的应用研究

2020-05-21杨怡青吴丝莹余方顺

水利规划与设计 2020年5期

胡剑，杨怡青，吴丝莹，余方顺，张芳

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江宁波 315192)

1 概述

自大禹治水至今，人类历史上从未间断过与洪水进行斗争。但近几十年来，随着人类活动的日益加剧以及城市化进程的快速推进，原洪涝水天然蓄滞场所大幅缩减，极端气候事件日益频发。目前，我国正面临着洪涝灾害频度增加、强度加剧、洪涝灾害损失由农业农村为主向城市转移的客观现实。

针对城市洪涝治理措施的制定，世界各国大同小异，普遍采用”工程措施+非工程措施”相结合的方式，即以工程措施为主，非工程措施为辅，构建完整的防洪减灾体系[1]。其中，工程措施一般依据流域/区域洪涝水成因及特性，普遍选用“上蓄、中疏、下排、外挡、低围、内滞”的治理方针，组成包括水库、堤防、内河、水闸、排涝站(雨水泵站)及滞洪区等防洪排涝设施在内的完整的城市防洪体系[2]。近年来，随着城市化进程的加快，以及城市洪涝问题的频发，受土地、资金、工期等要素的制约影响，许多专家学者意识到继续依靠大规模的水利工程建设已无法保障重点区块的防洪排涝安全。故近年来基于”海绵城市”、”城市深隧排水”等蓄滞理念[3- 9]陆续应用到城市防洪除涝中，取得了一些值得借鉴的经验，然而上述研究目前在国内外尚属起步阶段，而且是较为复杂的系统性工程，牵涉因素众多，需妥善权衡利弊。

鉴于沿海发达城市土地资源紧缺的客观实际，为减少土地征占、降低工程投资、加快工程进度，尽早发挥工程建设效益，有效缓解滨海感潮河网地区洪涝水外排难问题，本文以点带面，创新性引入国内外流域/跨流域、大型灌区等调(输)水较为常用的梯级泵站手段[10- 14]，即于骨干行洪通道关键节点设置“接力泵”翻水，通过以电能换动能、以动能换势能，逐级增大水力坡降、加快水流速度、加大行进水头，提高河道及口门引排水能力[15]。梯级泵站排水工程示意图如图1所示。

2 计算方法

鉴于滨海骨干排水网行洪路径长(普遍河长介于几公里至几十公里不等)、沿途构筑物繁多、区间汇水复杂、出口亦受外海潮水等影响，其洪水演进较为复杂，采用一般的水利计算方法难以进行准确定量分析。故本文采用甬江流域洪水模拟数学模型，该模型将流域水系概化成由河网、水域和陆域组成的体系，通过引入陆域宽度概念，河网、水域和陆域便组成统一的数学模型，或称混合模型[16- 17]。

2.1 水流方程

采用一维非恒定流模型描述水流在明渠中的运动，基本方程为圣维南偏微分方程组，其中包括连续方程和动力方程：

图1 梯级泵站排水工程示意图

(1)

(2)

式中，q—河道旁侧入流，m3/s；BT—当量河宽，m；Z—断面水位，m；Q—流量，m3/s；K—流量模数；A—过水断面面积，m2；x—河长，m；t—时间，s。

2.2 堰闸出流模拟

堰闸出流由堰流公式和堰闸调度方式决定。

碶闸的泄洪形式为自由出流时：

(3)

泄洪形式为淹没出流时：

(4)

式中，m—闸孔自由出流流量系数；φ—闸孔淹没出流流量系数；Zu—闸前水位；Zd—闸后水位；H—闸前水头；Hs—闸后水头；B—闸孔的宽度。

2.3 泵站出流模拟

泵站出流由泵站调度方式和设计泵排能力决定。

2.4 漫滩与漫堤

随着平原河网水位的升高，洪水会漫溢到平原低洼地区。为了反映各片低洼区对洪水的滞蓄功能，根据各分区的万分之一地形图及调查资料，分片制定了河网水位与漫滩库容的关系曲线，用以模拟漫滩情况下各片区对洪水的调蓄作用。

对于河道，如果河道水位超过河道堤防高程，则洪水漫过堤防就近进入平原河网。漫堤洪水流量，视漫堤长度、超堤防水头情况，采用堰流方式予以计算。

2.5 城市雨水管网模拟

当河道水位低于平原涝水位，则按照雨水管网设计排水能力将雨水就近排入河道；若河道水位高于平原涝水位，则限制该时刻雨水管网排水，涝水由平原暂时滞蓄。

2.6 边界条件

(1)流量边界：山区各分区设计流量过程，有水库调蓄的分区先进行水库调洪计算，然后通过河道洪水演算至平原，其流量过程作为平原河网计算的入流边界条件。

(2)潮位边界：将流域出口的外海设计潮位过程作为模型计算的下边界条件。

(3)工程规模：通过对河道和水利工程资料调查和收集，建立模型计算的工程数据库，以确定模型内边界条件。

3 研究案例分析

3.1 研究概况

姚江流域位于浙江省东部沿海，属甬江二级流域，在夏秋之间极易遭受“台暴”——本流域最主要灾害性天气。受本流域地势北高南低、西高东低的影响，流域历来排水主要以东排为主、北排为辅，其中东排主要通过姚江经已建姚江大闸、规划姚江二闸(姚江二通道工程(大通)方案)东排至甬江后出海，北排则通过北侧沿海闸门排至杭州湾。其中流域东排主流姚江属平原型河流，全长102.4km，河床平坦，水面比降不足0.01‰，其出口除受甬江上溯潮水顶托外，极易遭受南侧奉化江流域上游来水影响，因此姚江流域历来洪涝压力突出。

近年来，流域接连遭遇“海葵”、“菲特”、“灿鸿”等强台风的袭击，给流域造成了极其严重的洪涝灾害损失，2013年“菲特”台风所造成的洪涝灾情之重、损失之大更为历史罕见。为此，按规划要求扩大姚江东排能力即实施姚江二闸工程已是迫在眉睫，但由于该工程位于宁波市区核心板块，涉及杭甬运河、区域城市建设等一系列问题，规划至今一直未列入实施计划。为此，经前期研究提出先期利用姚江支流慈江(即慈江—沿山大河通道)进行适当分洪的设想，以加大姚江干流东排能力。姚江流域总体排水格局示意图如图2所示。

慈江—沿山大河通道位于江北镇海北侧山脚，是江北镇海片主要洪涝水排放通道，工程西起慈江大闸，向东经化子闸进入镇海境内，再向北行约2.6km至大严分为南北两线，南北两线又于三七房汇合后东排经澥浦大闸入灰鳖洋。工程全长34.2km，其中江北段全长14.9km，河面宽60m，河道两岸现状即全线节制；镇海段全长19.3km，河面宽南北支线各为40m，其余段60～120m不等，现状河道两岸不节制。慈江—沿山大河通道示意图如图3所示。

图2 姚江流域总体排水格局示意图

图3 慈江—沿山大河通道示意图

3.2 方案设置

由于慈江—沿山大河通道原设计不承担姚江干流分洪任务，故为切实发挥分洪效益，研究以“确保江北镇海平原防洪排涝安全”为前提，提出了“梯级泵站排水”方案，并将“高水高排”作为比选方案，以分析方案利弊。

(1)梯级泵站排水方案为三级接力泵方案，即：慈江—沿山大河通道按照“下抽上分”原则，通过降低下游水位，在保证下游安全前提下，将上游洪水适量分入，其中三级接力泵规模由分洪渠首(慈江闸站)至渠末(澥浦闸站)分别为100、150、250m3/s；此外，考虑本方案实施后势必影响两侧平原排涝及水系原有排水习惯，为消除工程影响，沿线实施堤防整治、围圩电排等补偿配套工程。梯级泵站排水方案工程布置示意图如图4所示。

图4 梯级泵站排水方案工程布置示意图

(2)高水高排方案为分洪渠首设泵+全线高水高排方案，即于分洪渠首慈江大闸处新建泵站100m3/s，将慈江—沿山大河作为分洪通道全线进行节制，同时为满足过流需要，配套镇海沿山大河8.8km由河面宽40m拓宽至70m。此外，为消除工程建设带来的不利影响，沿线增设相应补偿配套工程。高水高排方案工程布置示意图如图5所示。

图5 高水高排方案工程布置示意图

3.3 结果分析

方案实施前后水利计算成果对比、慈江闸站分洪量成果对比、各方案工程建设及征地投资对比见表1—3。

(1)两组分洪方案的实施效益及影响：两组方案基本相当，即两组分洪方案均可实现最大3日分洪姚江干流洪水约2300～2500万m3，降低姚江干流20年一遇洪水位0.06～0.10m，缩短干流超警戒时间5～8h；同时，分洪方案实施后江北镇海平原除慈江—沿山大河通道由于额外承担姚江干流分洪任务，水位有所抬升外(但可通过堤防加高等手段确保安全)，其余片区排涝能力均有所提升。

(2)进一步对比两组分洪方案的工程建设及征地投资等方面，梯级泵站排水方案工程建设通过以点带面，较传统高水高排方案征地更少、投资更省、工期更短。

4 结论

为有效克服滨海感潮河网地区河道输水流速低、排水慢且易受外海潮位顶托等问题，以切实缓解流域泄洪压力，研究引入的梯级泵站排水设计理念，相比传统高水高排方式，在发挥同等分洪效益的情况下，可有效节省土地资源、减少工程投资、降低实施难度、加快工程建设周期。鉴于沿海发达地区土地资源较为紧缺的客观实际，研究认为梯级泵站排水方案总体性价比更高，更符合本地区实际。该设计理念亦可为沿海发达城市类似领域研究提供重要的借鉴意义和参考价值。