平原河网地区城市排涝泵站设计流量分析方法研究

曾台衡，谢文俊，曹国良

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉430064）

0 引言

洪涝灾害是人类社会发展的重大威胁，随着现代社会科学技术水平的提高，抵御洪水的能力也有了显著提升，但洪涝灾害威胁仍未解除，特别是平原河网地区内涝问题仍然较为突出。在城市化建设过程中，由于城市对降雨径流的自然调蓄能力下降，排水通道排水不畅、外排能力不足，致使许多区域常年出现“关门淹”的情况，严重阻碍了经济的发展。因此，往往需要修建排涝泵站辅助排涝，实现“被动防涝”到“主动外排”［1，2］。

本文以湖北省荆州市沙市区盐卡泵站为例，重点研究平原河网地区新建泵站排涝流量的计算方法，先用平均排除法结合城市暴雨强度公式计算该排涝泵站的排涝流量，再应用城市管网模型SWMM对其进行复核，最终确定新建盐卡泵站排涝流量。

1 工程概况

以荆州城区为代表的湖北省平原河网地区，5-8月为暴雨频发期，雨量大、时间集中，大部分地区地势低洼，汛期受外江、内湖长时间高水位影响，涝水无法及时有效排出，加之外排能力不足，导致区域渍涝灾害频发、影响范围广、损失严重。荆州城区现状骨干排水渠道为豉湖渠和西干渠，上游城区段均为箱涵，下游人口密集且沿岸土地多已规划为城市建设用地，难以通过工程措施来扩大其过流能力，仅依靠豉湖渠、西干渠两个排水出路无法满足城市排涝需求。根据城市防洪及相关规划，新增长江排水通道，即新建盐卡泵站抽排涝水入江，对提高荆州城区外排能力，保障防洪排涝安全意义重大。

根据荆州城区水系、水利工程情况，盐卡泵站服务范围可划分为沙市区、沙市农场区、宝莲区、岑河区、锣场区等5个排涝分区，服务范围面积合计为190.2 km2，如图1所示。根据《治涝标准》，结合城市总体规划，沙市区、宝莲区、沙市农场区等三个排涝分区排涝标准为20年一遇24 h暴雨24 h排除，岑河区排涝标准为10年一遇24 h暴雨24 h排至田面无积水，锣场区排涝标准为10年一遇一日暴雨三日排至作物耐淹深度。

图1 泵站排区范围示意图Fig.1 Schematic diagram of pump station discharge area

2 设计流量计算

采用平均排除法、EPASWMM 水文水动力模型两种方法分析盐卡泵站设计流量［3-5］。

荆州城区排涝调度需服从四湖中下区总体调度要求，四湖中下区总体排涝标准为10年一遇，豉湖渠、西干渠按设计排涝流量下泄，在设计排涝工况下，豉湖渠南港桥处、西干渠黄港节制闸处设计排涝流量分别为54.5 和14.0 m3/s，以此作为盐卡泵站设计流量分析的边界条件。

2.1 设计暴雨

根据沙市水文站1962-2017年最大24 h 暴雨系列，经频率计算，采用P-Ⅲ型曲线适线，查《湖北省暴雨径流查算图表》，分析得盐卡泵站服务范围10年一遇最大24 h面暴雨为128.2 mm，20年一遇最大24 h 面暴雨为153.1 mm。排区20年一遇24 h 暴雨时程分配过程见表1。

表1 20年一遇24小时暴雨时程分配过程Tab.1 Time distribution process of a 24-hour rainstorm in 20 years

2.2 平均排除法

平均排除法是将相应设计标准的净雨量在规定的排涝时间内平均排除。平均排除法方法相对简单，所需资料较少且较易获得，应用非常广泛，并被现行规范推荐使用，如湖北、安徽等省份多使用该法［6，7］。但该方法对汇流过程考虑较少，难以分析洪峰流量和洪水过程。此外，平均排除法没有考虑流域面积对汇流过程的影响，主要适用于集水面积较小的平原区，或者排水面积较小的田间排水沟设计；对于较大面积的排水区，在使用平均排除法计算排涝流量时，可考虑采用一定的折减系数，以反映较大面积区域降雨不均勾和沿程流量衰减的影响。其计算公式如下：

式中：F为排涝区内水田面积，km2；F'为排涝区内旱地及非耕地面积，km2；F″为排涝区内水面面积，km2；P为设计暴雨，mm；C1为水田和水面的径流系数；C2为旱地区非耕地的径流系数；H为水田最大允许蓄水深度，mm；V为排涝区调蓄水量，万m3；T为排水历时，d；t为日开机时间，h。

根据计算成果，各排涝分区排涝流量合计为122.1 m3/s，扣除荆州城区豉湖渠、西干渠设计排涝流量68.5 m3/s，规划新增排涝流量53.6 m3/s，即平均排除法分析得盐卡泵站设计流量为53.6 m3/s。

各排涝分区排涝流量设计成果见表2。

表2 平均排除法分析设计流量计算成果表Tab.2 Calculation results of design flow analysis by average elimination method

2.3 EPASWMM 水文水动力模型

根据涝区分片情况，每一片涝区都不是单一的保护对象，整个涝区采取概化综合径流系数的方法具有较大的不确定性，因此考虑结合排水管网的分布式水文水动力模型EPASWMM进行排涝计算［8，9］。

（1）基本原理。EPASWMM 是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。模型分为以下几个核心模块：径流模块、输送模块、扩充输送模块和蓄存/处理模块［10，11］。

（2）汇水区划分及排水路径。模型汇水区总面积190.2 km2，根据相关规划及实际地形地貌，利用GIS 软件根据汇水节点将排涝区划分为181 个子汇水区，概化布设管道作为排水路径，地面径流就近入河。模型采用Horton 产流、动力波方法演算，通过试算优化确定排涝规模［12］。整个排涝区汇水区划分及排水路径如图2所示。

图2 排水路径及汇水区划分Fig.2 Drainage path and catchment area division

（3）计算参数。模型参数主要包括汇水区地形、土地类型、不透水率、蓄水曲线、管网渠道糙率等。汇水区地形情况及土地类型根据万分之一地形图结合城市总体规划土地利用规划成果进行综合确定，不透水率为子汇水区不同土地类型径流系数加权值，结合排涝区土地利用类型综合确定；蓄水曲线结合荆州市蓝线规划渠道及湖泊尺寸及蓄水量进行计算。各排涝分区内的子汇水区采用20年一遇暴雨时程分配过程成果，作为模型输入条件。

（4）控制边界条件。①控制水位。模型控制水位主要包括调蓄水体及泵站前池的汛前正常运行水位和最高控制水位，按照区域河道景观及区内地面排水要求综合确定。根据《荆州市城市蓝线规划》，汛前正常运行水位在满足防洪排涝要求的基础上，尽量满足区域生态、景观等多方面的要求，根据区域主要排涝河道现状、生态景观规划需求，确定模型涉及各水体正常运行水位及最高控制水位如表3所示。②二级排涝泵站控制流量。由于盐卡泵站服务范围面积较大，分区域规划用地性质、产业结构有所不同，各排涝片区排涝标准有所不同。当遭遇20年一遇设计暴雨时，锣场区、岑河区按10年一遇相应标准控制出流流量，沙市城区、沙市农场区、宝莲区不进行控制。

表3 主要水体控制水位表Tab.3 Control water level table of main water bodies

（5）计算成果。在豉湖渠、西干渠按设计排涝工况控制下泄情况下，当盐卡泵站设计规模为55.4 m³/s 时，可基本保证豉湖渠、西干渠等调蓄水体水位控制在最高控制水位以下，即区域排涝能力可达到相应设计标准。豉湖渠、西干渠水位变化过程见图3、图4。

图3 豉湖渠（豉湖渠闸站下游）水位变化过程图Fig.3 The water level change process diagram of the Chihu Canal（downstream of the Chihu Canal Gate Station）

图4 西干渠（与四清渠汇口处）水位控制情况Fig.4 Water level control of the Xigan Canal（at the junction with Siqing Canal）

2.4 盐卡泵站设计流量确定

根据计算结果，平均排除法、SWMM 水文水动力模型两种方法分析盐卡泵站设计流量分别为53.6和55.4 m3/s。盐卡泵站排区范围内调蓄水体容积相对较小，水域调蓄能力一般，本工程排区范围内以农田为主，也有部分工业园区，而平均排除法是要通过计算排涝系统的平均流量，此方法没有考虑洪水过程，计算出来的成果随时间不变，同时排涝历时越短，求得的均值也会越大，因此平均排除法只是略小于SWMM 水文水动力模型的结果。拟建盐卡泵站为荆州城市排水泵站，从服务于区域经济社会稳定持续发展角度出发，本次偏安全考虑，盐卡泵站设计流量采用SWMM水文水动力模型计算成果，取55 m³/s。

3 结 语

平均排除法作为传统分析方法，更多考虑的是在设计排涝要求时间内将涝水均匀排除，在流量过程上虽有所欠缺，但仍然是平原河网地区排涝泵站设计流量分析的重要手段。平均排除法在满足区域排涝标准的要求的同时，计算参数只需对排区的用地类型面积结合土地利用规划进行分别划定，并结合区域的总体规划拟定径流系数，方法简单可行，也有一定的精度，对于资料要求不高的地区可以采用其成果，但是对于要求满足控制水位的排涝区该方法的计算成果可以作为参考［13，14］。EPASWMM 水文水动力模型，作为相对新型的分析手段，可提供动态模拟结果、不同工况效果分析是其优势所在，本次可以较好地模拟盐卡泵站开启后联通港渠的水位变化过程线，也可以满足渠道的控制水位的要求。但该方法对资料要求相对较高，需要收集整理城市雨水管网规划布置、地形地貌参数、各地块土地类型等诸多参数，因此给模型分析也带来了一定的不确定性，但是该模型具有水文水动力学的理论支撑，水量、水质均可模拟，无计算时间步长限制，无研究区规模的限制，同时模型是开源，可以做到与GIS集成，这些优势让EPASWMM 水文水动力模型得到了广泛适用和研究。

两种方法原理都是根据区域产汇流特点分析泵站规模。但EPASWMM 水文水动力模型计算更注重全过程控制，一般结果会高于平均排除法。对于水面率较低，调蓄能力一般的区域，比如盐卡排区，两种方法分析成果相差不大。实际过程中，应该将传统的平均排除法和新型的水文水动力模型法结合运用，并结合技术经济比选，科学合理确定排涝泵站设计流量，为解决城市排水问题提供科学、经济、可行的技术方案。□