大藤峡水利枢纽库区七星河泵站规模分析

樊红霞，尹开霞，姜紫萍

( 1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610；2. 河海大学 水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

七星河泵站位于大藤峡库区，既要排上游山洪，又要排出口河段城区内涝，还需满足七星河消落带治理的要求。七星河防洪排涝总体布局及特征水位、调度运行方式的确定，应满足景观要求和城区排水安全需要。受大藤峡水库回水影响，七星河泵站排涝设计流量、特征水位确定应充分考虑大藤峡水库防洪、发电等综合调度运用方式。

本文通过分析大藤峡运行方式和干支流洪水遭遇情况，确定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作为抽排设计工况，以此确定七星河泵站的规模。研究成果可为库区泵闸规模分析提供借鉴和参考。

1 工程概况

七星河泵站位于大藤峡库区黔江河段的一级支流七星河河口，是大藤峡库区武宣县城七星河防护工程体系的一部分。

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段，是一座防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的大型水利工程。汛期6-8月份预留15×108m3防洪库容，相应防洪限制水位为47.6m；为控制淹没范围，当入库流量大于20 000m3/s时，水库进行防洪调度，水位可降至防洪运用最低水位44m；4、5、9月份，按流量分级控制坝前水位方式运行，允许最高水位为59.6m；10-3月份，亦按流量分级控制坝前水位方式运行，允许最高水位达到正常蓄水位61m。另外，大藤峡水利枢纽4-7月份还有生态调度需求，枯水期有补水压咸调度需求。

七星河河口距离大藤峡坝址上游约60km，七星河泵站的规模、调度运用与大藤峡水库运行方式关系密切。大藤峡水库建成后，在遭遇不同水情条件下，泵站外江水位根据大藤峡水库防洪、发电等调度运行工况确定[1]。

2 资料及计算方法

2.1 采用资料和设计暴雨洪水分析

设计工况确定时，雨洪遭遇分析采用水文资料包括1960-2016年武宣站洪水水文要素、逐日流量表和逐日降水量表。

七星河设计暴雨洪水计算采用《广西壮族自治区暴雨径流查算图表》中介绍的推理公式法计算[2]，公式如下：

(1)

式中：Qm为洪峰流量，m3/s；hτ为相应于汇流时段的最大净雨量，mm；F为流域面积，km2；τ为流域汇流时间，h。

2.2 调蓄计算

调蓄演算主要有两种方法，即Mike11模型法和平湖调蓄分析法[3]，两种方法在调蓄计算中的运用均十分广泛。

2.2.1 Mike11模型法

Mike11模型法利用MIKE软件水动力模块(HD)[4]建立调蓄排涝数学模型进行计算。

HD水动力模块所用的描述一维非恒定水流运动规律的控制方程组为圣维南方程组，它由描述质量守恒的连续性方程和描述能量守恒的动量方程组成[5-6]。其方程如下：

(2)

式中：x为距离坐标；t为时间坐标；A为过水断面面积；Q、h为流量及水位；q为旁侧入流量；α为动量系数，一般取值为1；C为谢才系数；R为水力半径；g为重力加速度。

2.2.2 平湖调蓄分析法

平湖法适用于地形较缓的涝区，在分析时忽略泵站排水时的水面比降，仅考虑水体水平升降变化。为分析调蓄水面变化及蓄排设施的规模，采用水量平衡作为基本原理进行调蓄计算，并通过反复计算来确定合理的泵站规模。水量平衡法公式为：

(3)

3 七星河泵站规模分析

3.1 防洪排涝标准和工程总体布局

根据《武宣县城总体规划(2006-2020年)》及《防洪标准》(GB 50201-2014)、《治涝标准》(SL 723-2016)等规范规定[7-8]，武宣县城主城区防护设计按50年一遇洪水标准，抽排标准采用20年一遇年最大24h设计暴雨1d排完且城区不致灾。七星河泵站排涝标准亦为20年一遇年最大24h设计暴雨1d排完且城区不致灾。

武宣县城区位于大藤峡库区黔江左岸、支流七星河右岸，同时受到黔江洪水、七星河流域洪水及本地暴雨内涝的威胁。另外,受大藤峡水库运行影响，当大藤峡水库汛期降低水位运行时，库区形成10m左右的消落带，影响水环境安全，恶化城乡居民生产生活环境。因此，武宣县城不仅要解决防御黔江、七星河洪涝问题，还要解决治理七星河消落带环境问题。

为了满足武宣县城防洪排涝和七星河消落带治理的需要，七星河口处集中建立防洪排涝闸坝抵挡黔江洪水，七星河下游形成七星湖。另外，建设黔江左岸堤防联合七星河口闸坝形成完整的防线抵挡黔江洪水，建设七星河两岸堤防抵挡七星河流域洪水。黔江左岸堤防、七星河两岸堤防、七星河口闸坝形成武宣县城区防洪体系。

武宣县城区一部分涝水由老虎沟、书房山、崩冲口闸泵直接排入黔江；另一部分属于七星河流域，由市政管网收集，通过七星河两岸堤岸预留排水涵管排入七星河。七星河流域上游山洪、下游两岸涝水汇入七星湖调蓄后，经由七星河口闸泵自排或抽排入黔江。因此，七星湖、七星河口闸泵、老虎沟、书房山、崩冲口闸泵形成武宣县城区排涝体系。

七星河闸泵工程也是大藤峡库区武宣县城七星河防护体系的一部分。

3.2 计算条件分析

3.2.1 七星湖控制水位

七星河闸泵的建设需要解决防洪排涝和治理消落带等问题，结合大藤峡水库运行方式，以及七星河流域内耕地抬填片最低抬填高程为61.8m，拟定七星河正常蓄水位61.0m。另外，根据武宣县城东新区规划竖向规划成果，七星河两岸武宣县城区域规划地面高程在64m以上，设计最低雨水管底高程为61.5m，拟定七星湖最高控淹水位为最低雨水管底高程61.5m。

3.2.2 计算工况

七星河流域面积较小，洪水由区内暴雨引发，以武宣站暴雨代表七星河流域洪水进行干支流洪水遭遇分析。根据武宣站日雨量和流量资料分析，黔江干支流不会发生大洪水同频遭遇的情况，当七星河发生5年一遇(145mm)及以上洪水时，外江相应洪水也在2年一遇洪水(25 300m3/s)以下，外江(黔江干流)发生5年一遇(33 300m3/s)及以上洪水时，七星河相应洪水均在2年一遇(96mm)以下。具体见图 1。

图1 七星河与黔江洪水分析图(单位：m3/s)

根据大藤峡水库运行调度方式，大藤峡水库在主汛期、次汛期、非汛期不同来水流量和发电工况条件下，坝前水位在正常蓄水位61～44m之间，相应七星河口回水位见表1和表2。

表1 大藤峡库区干流(七星河口)设计频率洪水回水成果表

表2 大藤峡库区干流(七星河口)对应发电工况回水成果表

武宣县城区排水按照大藤峡不同运行期外江水位情况，分别采取开闸自排和开泵抽排措施。根据干(黔江)支(七星河)流洪水遭遇分析及大藤峡水库运行调度方式，考虑可能的计算工况组合12组，各工况设计上下边界条件见表3。当闸外水位高于闸内水位时，关闸抽排；闸内水位高于闸外水位，开闸自排，按关闸抽排工况分析七星河口泵站规模。

表3 七星河泵闸运行工况边界条件表

由表3可见，仅工况4和工况5需采用泵站抽排，其他工况均可自排。因此，本次七星河泵站规模调算设计工况采用最不利的组合5，即主汛期干流20年一遇洪水遭遇七星河2年一遇洪水。

3.3 泵站规模

3.3.1 设计排涝流量

根据推理公式法计算公式并分析，七星河2年一遇设计暴雨洪水洪峰流量为148m3/s。

为更好利用七星湖调蓄功能，结合预报调度技术，考虑根据天气预报提前开闸，将七星湖水位预降至60.50m，腾出218×104m3调蓄库容。由于七星河流域较小，洪水由区内暴雨引发，而Mike11模型法与平湖法差别不大，对于单泵站排涝，采用平湖法调蓄分析较为简单。所以，七星河泵站设计利用平湖法调蓄分析，根据公式计算，当起调水位为60.5m，泵站抽排流量不小于32.0m3/s时，可满足七星湖水位不超过最高控淹水位61.50m。

3.3.2 泵站特征水位

根据规范要求[9]，结合七星湖特征水位及大藤峡运行水位，确定泵站特征水位：

最高运行内水位采用七星湖控淹水位61.50m；设计内水位采用七星湖常水位61.00m；最高内水位为设计工况下的七星湖最高内涝水位62.78m；最低运行内水位和最低运行外水位为起排水位60.50m；设计外水位取外江10年一遇设计水位61.35m；最高运行外水位和防洪高水位取外江50年一遇设计水位66.35m。

4 结 论

本文通过武宣站雨量和流量资料，分析黔江干支流不会发生大洪水同频遭遇的情况。结合大藤峡运行方式，确定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作为泵站规模设计工况。根据七星湖特征水位及大藤峡运行水位，确定七星河泵站特征水位：

1)最高运行内水位61.50m；设计内水位61.00m；最高内涝水位62.78m。

2)最低运行内水位和最低运行外水位60.50m；设计外水位61.35m。

3)最高运行外水位和防洪高水位66.35m。

根据平湖法调蓄分析，泵站抽排流量不小于32.0m3/s时，可满足七星湖水位不超过最高控淹水位的要求。