平原河网区城市排涝泵站设计流量研究

刘照群，熊 曦，万 伟

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070）

1 区域概况

1.1 自然地理和水系

黄州区隶属于湖北省黄冈市，长江中游北岸，湖北省东部，黄冈市西南部，东临巴水（浒子口至巴河口），西南滨长江。黄州区内部水系属于长河下排区。长河为巴水支流，源于团风县淋山河冯家墩村，经横堤闸进入黄州区，再经土司港闸入巴水。长河流域以罗家沟横堤为界将分为长河上排区和长河下排区，其中长河上排区集水面积175km2， 下排区为黄州区境内，集水面积299.9km2，上、下两排区为各自独立的排涝分区。

1.2 现有排涝工程

现状情况下黄州区内现有排水闸3座分别为土司港闸、磨盘咀节制闸和黄州闸；排涝泵站5座分别为白潭湖泵站、东湖泵站、黄州泵站、南湖泵站、万福泵站。上述实行联合运用，由黄州区防汛指挥部统一调度， 共同承担着长河下排区的排涝任务和黄冈市城市防洪任务。

2 模型建立

2.1 计算原理

本次采用HEC-RAS模型建立一维水动力模型，该软件以求解一维河网恒定流基本方程为理论基础。

河网非恒定流基本方程如下：

式中 Z为河道水位（m）；Q为河道流量（m3/s）；q＇为单位河长的侧向入流流量 （m3/（s·m））；B、b为总河宽、主槽河宽（m）；A为河道过流面积（m2）；x为河长（m）；t为时长（s）；g为重力加速度（m/s2）；u为主槽流速（m/s）；C为谢才系数（m1/2/s）；R为水力半径（m）；e为流速水头修正系数， 对于比较顺直的河段取e=1，否则取e<1。

模型计算采用有限差分方法对非恒定流偏微分方程组进行数值求解， 将各单一河道划分为若干个计算断面， 然后根据节点连接条件辅以边界条件形成封闭的各节点水位方程， 求解此方程组得到各节点水位，再将各节点水位回代到单一河道方程，最终得到各单一河道各断面。

2.2 河网水系概化

2.2.1 排涝分区

根据《黄冈市城东新区环白潭湖地区水系整治规划》、水系分布和工程体系，将区域排涝情况，分为4大排涝区，如图1。

图1 排涝分区

2.2.2 河网概化

由于万福泵站所在的长沟—赤壁港片， 可独立排涝， 本次将万福泵站所在的长沟—赤壁港片不纳入模型计算中。 区域内蓄涝容积主要为湖泊容积，内有白潭湖等10个湖泊。为简化处理，将余家潭、小汊湖等并入蔡家潭，将驼家湖并入白潭湖，将青砖湖并入遗爱湖，现状赵家潭已发展为精养鱼池， 不纳入模型计算。 长河下排区河网水力学概化模型如图2。

图2 区域河网水系概化示意图

2.3 输入条件

2.3.1 分区入流

黄州区现状排涝标准为20年一遇。 黄州区位于长河下排区，几乎全部为平原湖区，排区内有大量湖泊调蓄， 对于有大面积湖泊调蓄的排区的设计排涝历时按照排湖历时确定。 通过对2016年和2020年水位回落过程分析，拟定区域排涝历时为暴雨15日排完。

根据黄州区境内罗家沟雨量站、 长孙堤雨量站和马家潭水文站1963—2019年共57年实测暴雨系列，按照泰森多边形法计算排区的设计面暴雨。根据现状地类情况，按径流系数法，采用不同的径流系数分区计算单元20年一遇的入流过程， 分区流量过程作为输入条件。

2.3.2 河道断面及湖泊容积曲线

根据收集的实测断面，河道共136个横断面，平均断面间距50m。 为了达到计算精度的要求，在特定地点，如河流交汇处加密断面数据，以作控制。

2.4 边界条件

2.4.1 起调水位

根据《黄州区防汛抗旱调度方案》，本次计算中，遗爱湖、黄婆汊起调水位按17.13m计算，白潭湖及长河起调水位按16.63m 计算， 蔡家潭起调水位按16.83m计算。

2.4.2 控制水位

根据调查， 环白潭湖地区规划道路中心线标高不低于19.0m。 但本次为更精确地确定排涝控制水位，经过现场调研发现，综合考虑现状地面标高、道路设计要求，防洪排涝、雨水排放等要求，从减少土方量的角度出发， 实际地块场地标高是按不低于18.8m控制的。 同时， 根据竖向排水规划及黄州区1∶10000地形图、本次测量长河两岸1∶2000带状地形图，长河土司港至南湖桥段、 南湖周边两岸鱼塘基本吹填，场坪高程最低处仅18.8m。本次湖泊控制最高涝水位按地面产流顺利汇入湖泊及港渠不受顶托为控制，综合考虑，确定白潭湖、遗爱湖20年一遇最高蓄涝水位为18.0m； 黄婆汊和蔡家潭周边尚未建成或规划环湖路，周边农田和村庄分布高程均在19.5m以上，综合考虑，为地面汇流能更顺畅，黄婆汊和蔡家潭20年一遇最高涝水位为18.5m。 长河沿程涝水位按各湖泊能自流汇入控制，自下至少最高涝水位18.0～18.3m。

3 模型率定

影响河道水面线精度的参数有收缩扩散系数和河道糙率， 其中河道糙率的取值对水面线结果的影响非常大。 根据河道现场调研， 初步拟定河道糙率0.25～0.35，为验证模型准确性和参数的率定，需要根据实测水位和模型模拟计算结果进行拟合。 本次选取典型的2020年实测区域内白潭湖片区水位过程和模型模拟过程进行对比分析。

2020年汛期， 长河下排区内持续强降雨， 时间长、雨量大，区域内河、湖、港水位普遍上涨，白潭湖、长河、赤壁港、中沟等水系出现满溢倒灌，导致城区，特别是白潭湖片区、南湖工业园、黄冈产业园出现大面积积水，黄冈师范低洼地带平均积水0.8m，最深处达1.5m。 长河最高水位达19.92m， 超历史最高水位0.04m。

利用2020年实测降雨过程及径流系数法还原各分区径流过程（经统计计算，2020年汛期长河下排区最大15d暴雨接近20年一遇设计暴雨，最大5d暴雨接近50年一遇）。 经计算得到长河水位过程如图3。

图3 2020年长河水位过程线

由图可知，计算结果中长河最高水位19.84m，与实际最高水位19.92相差不大；涨水过程实测与模拟过程几乎一致，只是水位略高，主要是实际操作时由于前期泵站是逐台开启，前期排水能力不足，而计算结果是根据洪水大小和泵站能力计算理论开机，所以前期水位低； 水位回落过程实测水位明显高出较多，同样是受人为调度影响，提前关机，导致实测水位消落时实测过程相对较缓。总体而言，实测过程与模拟计算过程大致相同，最高水位基本相当，由此可知模型及参数基本合理。

4 计算结果

本次初步拟定土司港泵站设计流量85，110，130m3/s，通过HEC-RAS模型计算，计算结果，当土司港泵站设计流量为85m3/s时，白潭湖和长河20年一遇最高水位分别为18.22m及18.42m； 当土司港泵站设计流量为110m3/s时， 白潭湖和长河20年一遇最高水位分别为17.97m及18.35m；泵站设计流量为130mm3/s时， 白潭湖和长河20年一遇最高控制水位分别为17.89m及18.20m， 可控制最高水位不超过最高蓄涝水位， 满足长河下排区20年一遇治涝标准。 为更合理、科学的确定土司港泵站设计流量，还需要进一步从工程投资费用、工程影响、综合利用效益等方面，综合确定设计流量。

5 结语

（1）通过HEC-RAS软件建立黄州区河网水动力模型，拟定泵站不同的设计流量方案，通过模型计算，可得到20年一遇排涝标准下的分区最高控制水位， 根据水位控制可确定新建排水泵站的设计流量。

（2）通过HEC-RAS软件建立一维河网水动力模型，同时考虑了湖泊调蓄和调度原则，通过最高蓄涝水位的控制，确定新建泵站的设计流量，为平原河网地区城市排涝泵站设计流量的确定提供了一种手段和工具。 在实际过程中，应该将平均排除法和HEC-RAS软件建立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。