强潮河口大型泵站排涝对洪潮动力影响的试验研究

2021-05-10王瑞锋张芝永

浙江水利科技 2021年1期

王瑞锋，张芝永，孙超，何昆

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

南方平原区地势平坦低洼，汛期暴雨频发，排涝水体常通过内河、运河或其他支流汇入主干江道。在强潮河口受外江水位顶托的作用下，不满足畅排条件，涝水宣泄困难，易形成洪涝灾害，因此新建排涝泵站是河口防洪排涝工程中较为常见且有效的排洪措施[1-3]。通过闸站排涝除具有增加河网排涝速度、降低河道水位、减少城乡淹没时间等效益外[4]，也会带来闸外局部冲刷、承泄干流的流态改变及防洪压力等不利因素，并可能对出口附近涉水设施的运行产生影响[5-7]。

钱塘江是世界闻名的强潮河口，杭州段不具备自流排水入钱塘江的能力[4]，须借助泵站排水。八堡泵站是扩大杭嘉湖南排的重要工程，是实现太湖清水“进得来、流得动、排得出”的重要工程之一，是完善太湖流域南排杭州湾，缓解太湖防洪压力，提高防洪减灾能力的基础性工程。泵站出口位于洪、潮动力极其复杂的钱塘江弯道，近邻船闸、丁坝、导航堤处设施众多。以杭州市八堡泵站为例，就泵站排涝对河段堤防及重要设施的防洪御潮能力进行研究，分析泵站出口河段洪潮动力试验特性。

2 概述

2.1 工程概况

八堡泵站工程等级为Ⅰ等，排水出口位于钱塘江七格弯道凹岸段1 级海堤（见图1），泵站外的排涝出口段主要包括下游排水箱涵、挡潮排水闸等，其洪（潮）水设计标准为100 a 一遇。设5 台斜式轴流泵，单台排水流量为50 m3/s，最大排水流量为250 m3/s。

图1 泵站工程位置及周边工程分布图

泵站出口上游100 m 为八堡船闸，在内河侧与泵站共用通航、排涝水流通道，船闸下游引航道出口为长度150 m（八字形布置）的上、下导航堤。工程河段陆续实施护岸丁坝群工程和八堡河段整治工程，泵站出口上游约500 m处为长90 m，顶高程3.80～4.50 m 的七号坝，下游约90 m处为长95 m，顶高程4.70～5.20 m 的八号坝[8]。

2.2 河段水文特征

（1）径流条件。钱塘江河口径流具有明显的年内和年际变化情况。年内存在洪、枯季之分，3—6 月或4—7 月为梅汛期，径流量占全年的70%左右，大洪水主要出现在5—7月；径流量年际间变幅也较大，最大与最小年径流量之比达4.15，且多年连续丰、枯水文年交替出现。钱塘江上游芦茨埠站多年日均流量952 m3/s，年均径流量300 亿m3左右。新安江建库后富春江电站设计洪峰流量为23 100 m3/s。

（2）潮汐特征。钱塘江河口潮汐为非正规浅海半日潮，1 d 内2 涨2 落，在排涝泵站口门上游约3 km 设有七堡长期潮位观测站，该站实测多年平均高潮位4.43 m，低潮位3.65 m，最大潮差4.22 m，平均潮差0.80 m。

3 物理模型

建立泵站出口河段大比尺半江物理模型，模拟排涝过程，通过监测特征水位、流速和流态等指标的变化，分析泵站口门区洪潮动力基本特性。

3.1 模型比尺和范围

模型的上下游边界分别设在距离排水出口约2.5，2.0 km，江道宽度约1.0 km，江中边界近似平行于流线布置，综合考虑模型场地、供水、涉水建筑物尺寸等多方面因素，确定模型比尺为λL=80，λh=50，η=1.6 的小变率模型，λV=7.1，λt=11.3，占地面积约1 000 m2，模型平面布置见图2。船闸引航道、丁坝、排水通道等工程按实际尺寸缩放制作模拟。地形基于近年最大洪峰后的河床容积相对较大的2017 年7 月实测地形进行制作。

图2 物理模型平面布置图

3.2 模型控制与量测

模型采用多台水泵变频调速多口门闭环水位控制系统生潮。总线工控机利用积分分离的PⅠD 算法采用精密水位仪跟踪边界潮汐过程控制变频器，由变频水泵向模型提供潮汐水流，组成闭环控制回路控制系统，重复性好，控制精度较高。

流速、流态基本特征测量主要采用ADⅤ多普勒流速流向仪、旋桨流速仪和大范围表面流场粒子图像测速系统（LSPⅠⅤ）等[9]。

3.3 试验条件

泵站排涝水体来自太湖流域，而外江为钱塘江强潮河口，为安全起见，泵站出口河段洪潮动力及口门区流态特征分析的外江动力考虑偏不利的1%洪水和1%大潮2 组水流条件，泵站排涝流量考虑不排涝和最大排涝（250 m3/s），试验方案及边界条件见表1。根据泵站调度规则，通航高水位下开启1 台泵预泄，因此船闸通航选取单泵排涝（50 m3/s）的典型大潮进行试验，共6 个试验组次。各工况条件均由经充分验证的数学模型为其提供边界水位和相关流速、水位分布，并以此进行水流调试、率定[10]，其中水位平均偏差0.09 m，平均流速偏差0.10～0.15 m/s，满足相关规程的基本规定。

表1 试验工况表

4 洪潮动力特性分析

4.1 水流流态

应用大范围流场测量系统对排涝前后、不同工况排涝闸口门近区流场情况进行拍摄测量与分析[11]。

1%洪水条件下，工程河段无涨潮流，洪水主流流向下游，受八堡船闸口门导堤影响，船闸两导堤之间存在逆时针回流，回流区流速明显小于主流区流速。

未排涝时，在泵站出口同样存在逆时针回流，回流基本覆盖下导堤和八号坝之间面积约1.50 万m2的全部范围；在泵站最大排涝情况下，排涝流随主流向下游偏移，导致八号坝头部水流向南偏移（见图3），此时回流被分割为2部分，其中下导堤下游侧和八号坝坝根的回流区面积分别约0.40 万，0.10 万m2，总体回流强度较弱，回流方向紊乱。

图3 最大流速时刻流场图（1%洪水工况）

1%大潮条件下，江道主流为向上的涨潮时，由于水位比洪水位低，八号坝—下导堤、下导堤—上导堤及上导堤上游区形成3 个十分明显的顺时针回流（见图4）。

未排涝时，泵站出口存在面积约2.00 万m2的顺时针圆形回流区；泵站排涝后，受涨潮流影响，涝水随潮向上游偏移，绕过下导堤头部汇入主流，导堤头部前沿流向逆时针偏转，主流流向基本没有变化。此时回流的整体性被分割，其中下导堤为沿堤走向的顺时针回流，面积0.15 万m2，受泵站的强排作用，排涝主流与八号坝之间的回流区方向改变为逆时针方向，面积约0.30 万m2。

图4 涨潮时刻流场图(1%潮水工况)

落潮时，排涝前后流场结构与1%洪水工况比较类似，但由于落潮水流流速小、水位低，八号坝—下导堤水域的排涝水体流速比洪水期更大。

4.2 水位

1%洪水工况、泵站最大排涝量条件下，排涝水流对上游洪水主流形成阻流效应，使泵站上游河段水位有所壅高。泵站处水位壅高约0.04 m，船闸处水位壅高约0.03 m，上游600 m 水位和泵站下游水位无变化（见图5）。

图5 工程附近岸段特征水位变化图

1%大潮条件下，排涝对高水位影响主要表现为：排涝流量对下游涨潮流形成一定的阻流效应，使泵站下游水位壅高，上游水位有所降低，其中泵站上游600 m 水位降幅在0.02 m 以内，船闸处降低0.04 m，泵站出口壅高0.03 m，泵站下游200 m 以外区域壅高在0.02 m 以内。排涝对低水位影响呈现泵站上游水位壅高（0.01 m 内），下游水位降低（0.02 m 内）的特点，因此排涝对低水位影响较小。

4.3 流速

泵站按最大排涝量进行排涝后，与排涝前相比，对于工程附近各监测点的流速变化情况，测点分布见图2，对1%洪水方案的最大流速（以下简称洪水流速）、1%大潮方案在泵站外侧主流区涨急和落急时刻的流速（以下简称涨急流速，落急流速），共3 个特征时刻的流速变化情况进行统计与分析，从泵站出口断面、工程近区沿线（上下游各约800 m）、八堡船闸出口及航道等不同区块进行重点分析，排涝前后各方案特征时段流速变化统计见表2。

表2 排涝前后流速变化统计表 m/s

4.3.1 泵站出口断面流速变化

排涝时泵站出口断面的流速变化分布见图6。由图6 可知，该断面排涝水体对流速的影响随离岸距的增大而逐步减小，其中在离岸约300 m 处，各特征时刻流速均减小0.06 m/s，流速变化幅度较大的水域主要为泵站出口坝田区和丁坝近区主流段。

图6 泵站出口断面流速变化图

泵站出口坝田区各特征时刻流速均大幅增加，其中洪水流速增大约0.60 m/s，涨落急流速由于相对洪水期而言水深偏小，流速增幅更大，为1.00～1.30 m/s。

距泵站出口约170 m 的主流区，涨急流速小增幅大，增幅为0.05 m/s，落急流速和洪水流速则变小，减幅约0.10 m/s。

4.3.2 工程近区沿线

工程河段由于凹岸防冲和八堡船闸出口整治的需要，已建或待建众多丁坝和导航堤（见图1），沿各坝头前沿约30～50 m 主流区，在泵站出口上下游各约800 m 处布置大量流速测点，沿线流速变化分布见图7。

图7 流速变化分布图（自上游至下游）

排涝时，涝水经挡潮闸排出，使得闸外门区流速增大，排涝流的动量对主流的冲击作用使主流向江中有所偏移。近岸区域流速普遍有所减小。在八号丁坝的阻水作用下涝水向下游流动的排涝流轨迹区域流速增大明显。

总体来看，除泵站上下游各约100 m 的测点5～7 有流速增大的情况，其他测点基本以流速小幅减小为主。其中上游测点1～4 无论洪水还是大潮方案，流速减小均约0.05 m/s；下游侧测点8～10 洪水流速减小0.11～0.23 m/s，涨落急时刻，新坝1#～3#位置流速减小0.07～0.10 m/s，新坝5#流速基本无变化。

泵站上下游约100 m 的下导航堤至八号丁坝，流向不同，流速增减有不同的规律特征：上游侧涨急流速增大，落急流速和洪水流速减小，下游侧则相反。下导航堤和泵站出口（测点5～6），涨急流速变幅在0.10 m/s 内，洪水流速和落急流速，下游的测点7 流速分别增大0.23，0.73 m/s，上游测点5～6，流速减小约0.10～0.13 m/s。

4.3.3 船闸前沿

上下导航堤之间的船闸出口，洪水和涨落急流速基本减小0.02～0.03 m/s。外侧航道水域各测点洪水流速变化为-0.06～0.00 m/s，平均减小0.02 m/s，减幅1.0%；涨急流速变化为-0.04～0.04 m/s，平均变幅为0.00 m/s；落急流速变化为-0.05～0.01 m/s，平均减小0.03 m/s，减幅2.7%。

4.4 通航水流

受钱塘江涌潮的影响，八堡船闸的调度运行较为复杂，当预报七堡潮差大于1.00 m 时，对进出闸进行限制，涨潮后5.0 h 可以进闸，涨潮后1.5 h 可以出闸，1 个潮内进闸、出闸的时长分别约为6.9，7.4 h。且由于大潮期涨潮动力较强，进、出闸段航线的纵向流速和横向流速均出现不满足规范要求的时段，根据《船闸总体设计规范》[12]，最大纵向流速VH不应大于2.00 m/s，横向流速VZ不应大于0.30 m/s，对航线代表点横向流速满足VH≤0.30 m/s，VH≤0.50 m/s 和纵向流速VZ≤2.00 m/s 的1 个潮周期内的时长进行统计，分析通航期最大的单泵排涝对通航水流条件的影响。

采用通航工况条件下，1 台水泵运行时排涝前后，落潮时因排涝流偏向下游流动，故排涝对于船闸的运行条件无不利影响；在涨潮期，排涝流绕过船闸下游导堤与涨潮流一起流向上游，导致航线上部分位置流速有所增大，从而引起横流流速增大。根据航线上代表点（见图2）流速采集，分析满足不同流速要求的时长（见表3），泵站排涝50 m3/s 引起船闸口门区航线上满足通航要求的时长并未发生明显变化，变化幅度基本在0.10 h 以内，不会引起八堡船闸口门通航水流条件的恶化。