长江中下游圩区联排泵站规模论证

余 梦

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230088）

1 基本情况

长江中下游平原具有河网密集交错、圩区成片、暴雨强度大且持续时间长、易形成内涝的特点[1-2],涝水不及时排出则有碍当地城市及农业发展。陈家圩为长江一类圩垸区,排涝面积5.4 km2,现状由石船站与陈家圩站对圩内涝水进行联排,但泵站机组设备均已淘汰,结合经济发展需求,现需对两座泵站进行拆除重建并提高圩内排涝标准,本次设计石船站、陈家圩站联排规模为6.0 m3/s。

当前常用的泵站规模计算办法有排涝模数经验公式法、水量平衡法及平均排除法等,适用于单个泵站规模的计算,计算结果安全可靠,但不能构建联排工况。MIKE11 软件是丹麦DHI 公司研发的河流模拟软件,在国内外多类型水利项目中被应用,且模拟精度能满足工程应用[3-4]。使用Mike 11构建陈家圩河网一维水动力模型,能够更好地模拟圩内水位随时间变化的过程及计算排涝总时长,对于联排泵站规模方案比选决策具有重要意义。

2 模型原理及构建

联排泵站规模论证分析的核心是构建一维水动力模型,模拟在设计工况下,两座排涝泵站采用不同规模联排时,涝区内河网不同断面处的水位、流量变化过程。本次构建的一维水动力模型主要包含MIKE 11 水动力模块。

2.1 模型原理

Mike 11 模型基于三个要素：一是反映有关物理定律的微分方程组（圣维南方程组）；二是对微分方程组进行线性化的有限差分格式；三是求解线性方程组的算法。圣维南方程组如下：

式中：Q 为断面流量,m3/s；q 为侧向入流,m3/s；A 为过水面积,m3；h 为断面水位,m；R 为水力半径,m；C 为谢才系数；α 为动量修正系数。

Mike11 软件核心模块为水动力模块,其采用6 点Abbott-Ionescu 有限差分格式对圣维南方程组进行离散化,计算网格由流量点和水位点组成,其中流量点和水位点在同一时间步长下分别进行计算,计算网格由模型自动生成。

通过将某个节点的水位及与之相连的节点水位表示为线性函数,给定边界水位或流量后,可以通过高斯消元法直接求解节点方程组,得到各个节点的水位,进而回代求解任意河道任意网格点的水位或流量（双扫描法）。

2.2 模型构建

建立MIKE 11 模型需要先使用河网编辑器、横断面编辑器、边界条件编辑器等建立输入文件,然后使用模拟编辑器进行模拟计算,最后使用MIKE VIEW 查看模型运行结果。

2.2.1 河网构建

河网编辑包括数字化河网和河段连接、建筑物的定义以及集水区进入本模型的入流点的定义。因项目设计前对雨山区进行过地形测量（河段中弘线及横断面数据）,则只需将实测河段中弘线数据及横断面测量数据进行预处理,再分别导入河网编辑器与横断面编辑器,即可生成数字化河网并应用于模型计算。河段连接则参照实测地形数据,在河网编辑器中直接进行编辑完成。

石船站、陈家圩站是陈家圩排涝的重要建筑物,据MIKE 11 建筑物类型定义及排涝泵站性质,两座排涝站类型应确定为侧向建筑物,用于排出河网模型中的涝水。经概化处理,陈家圩河网包含RA、RB 及RK 三条主河道及两座排涝泵站,模型概化图见图1。

河网的入流、出流都可以从节点发生。根据陈家圩实际情况,将RA 的上端点（里程0 m）设定为入流边界类型,用于河网模型设计洪水入流,RB 里程800 m（陈家圩站）和RB里程1900 m（石船站）处两个节点均设定为点源开边界,用于河网模型排涝出流。

2.2.2 模型参数

模型考虑的众多计算参数（如风力、河床阻力、波影响等）及输出结果参数（如时间序列、地图）由水动力参数编辑器来设定,其中大多数参数都有默认值（默认计算参数适用于大部分模型计算,输出参数则根据成果特定需求来定）,由于圩区内暴雨集中且受风力影响较小、单个圩区面积较小,模型输出成果格式对泵站规模论证结果几乎无影响,因此只需单独设定初始水位、河床糙率系数。

（1）初始水位

综合考虑区域地形条件及泵站控制运行条件,河网区初始水位采用全域4.5 m。

（2）糙率系数

圩内沟渠多为人工开挖渠道,但现状多为藕塘,根据《灌溉与排水工程设计标准》,参照区域河网基本情况,本次模型中河道糙率系数采用全域0.025~0.03。

2.2.3 边界条件

河网模型入流及出流条件等边界条件由边界条件编辑器编辑完成。

（1）入流条件

由于雨山区内缺少实测流量资料,本次利用经验方法推求该区域汇流过程线,并将由设计洪水推求的流量过程线文件导入边界条件编辑器,应用于RA 上端点（里程0 m）处河网入流。

（2）泵站控制运行条件

根据圩区地形,兼顾圩内水环境需求,本次石船站设计运行水位采用5.0 m,最低运行水位为4.2 m,陈家圩站设计运行水位为4.8 m,最低运行水位为4.0 m。为充分利用圩内排涝沟滞蓄,本模型参照泵站控制运行水位,泵站起排水位采用5.0 m,当水位低于4.5 m 时泵站停止运行。

（3）出流条件

模型中两座泵站的抽排流量过程（负数代表流量过程从模型里流出）即为模型出流条件,本次设计两座泵站联排规模为6.0 m3/s,为论证两座泵站最佳联排规模组合,本次拟定五种出流条件作为五种模型方案,分别计算联排结果,模型方案及对应出流条件见表1。

表1 各模型方案及对应出流条件

3 结果与分析

根据设定的边界条件,当区域遭遇10年一遇降雨时,初期泵站不启动,当泵前水位增长至5.0 m 时泵站开始抽排,直到泵前水位降低至4.5 m 时泵站停止抽排。通过河网水动力模型计算,各关键节点位置最高水位及抽排时长见表2、图2。

图2 主要节点位置图

表2 不同模型方案运行结果对比表

结合模型出流条件及各方案运行结果差异可知：

（1）MIKE 11 模拟长江中下游圩区联排工况,其计算成果精度满足水利工程中规划方案比选要求。

（2）泵站建设方案对泵站联排效率有直接影响,且两座泵站分建排涝效果较合建排涝效率更高。

（3）当选定陈家圩站较石船站多一台机组,即陈家圩站规模为4.0 m3/s,石船站规模为2.0 m3/s 时,两座泵站的联排效率最高。

4 结论及建议

通过本次模拟陈家圩泵站联排工况的计算结果可知：

（1）可通过MIKE 11 搭建长江中下游圩区河网模型,根据当地实际情况及项目规划方案选定适宜的模型参数及边界条件,采用多种模型出流条件以应用多种联排方案,来计算对比选定圩区最佳联排泵站规模,为水利工程规划方案决策提供重要理论依据。

（2）以陈家圩为例,相对于沿外河走向呈狭长型的平原涝区,宜采用多泵站分开建设,多泵站联排能更快降低圩内水位并缩短圩内涝水抽排时长。