基于水动力模型的南通市通吕运河泵站排涝规模计算与分析

2024-01-26刘颖婧

水利规划与设计 2024年1期

刘颖婧

(1.上海市堤防泵闸建设运行中心，上海 200080；2.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200120)

0 引言

南通市东临黄海，南靠长江，河网交错，水系纵横，属于典型的平原感潮河网地区[1]。通吕运河泵站位于南通市通吕运河闸站枢纽处，该枢纽为闸站合建形式，原泵站为单向引水泵站，共设3台引水泵，单泵引水规模33.3m3/s，合计引水规模100m3/s，排涝完全依靠闸门承担。南通市滨江临海，降水量年际变化大[2]，近年来随着极端天气事件的增多，台风、暴雨频发[3]，工程区域遭受短时强降雨的概率越来越高[4-5]，且暴雨主要发生在每年6—10月[6]。

通吕运河是南通市主要的排涝通道之一，由于通吕运河西临长江，闸门排涝受潮汐影响较大，当强降雨遭遇高潮位时，水闸自排受限，存在排涝风险，亟需新增强排措施，将原通吕运河单向引水泵站改为双向引排水泵站，对涝水进行辅助强排。目前水动力数学模型已被广泛应用于泵站相关的分析研究中[7-13]，本文运用一维河网水动力数值模拟的方式，计算、分析和研究通吕运河泵站双向运行改造的必要性，并结合计算成果得出通吕运河排涝泵站所需的排涝流量规模，分析排涝效果，为项目建设提供合理的设计依据。

1 水动力模型的建立

1.1 建模范围

据南通市水利分片调整成果，南通市可分为里下河圩区、斗南垦区、高沙土区、九吕区、通启区、沿江圩区、诸岛区[14]。

本工程项目所在地通吕运河属于九吕水利分片，因此，将该水利分片作为本次河网水动力数学模型的建模范围。

九吕水利分片的四至边界分别为北至如泰运河、西至通扬运河、东濒黄海、南临老通吕公路控制线。经测算，该水利分片的流域面积共计约2376km2。

1.2 河网概化

依据九吕水利分片内相关水利资料，对该分片内的河网在水动力数学模型中进行概化，对建模范围内的主要河道及、主要泵闸的基本情况及特征控制要素进行梳理，并在模型中反映。经概化，九吕水利分片内的九圩港、遥望港、通吕运河、团结河等共计54条主要河道参与了河网的水动力演算。

河网中各河道的河底高程主要是由《南通市水利治理规划》等上位水利规划文件中摘录整理，在河道交汇处进行河底地形的加密及平滑处理，以保证模型水流流态的合理性。河网中各河道的宽度主要是由Google Earth地图软件中提取整理；本模型每隔500m即设置一个模型断面，在河口处、河流交汇处、泵闸水工建筑物的上下游等重要位置，还对模型断面进行了进一步的加密设置，以期能够尽可能真实的反映模拟河道的实际情况。

1.3 泵闸设置

九吕水利分片内现状建有若干泵闸水利工程，其中，江侧主要有5座水闸、3座排涝泵站，分别为九圩港闸、天生港闸、南通节制闸、海港引河南闸、裤子港闸、通吕运河排涝站(排涝流量待定)、海港引河排涝站(排涝流量48m3/s)、裤子港排涝站(排涝流量12m3/s)；海侧主要有6座水闸，分别为东安闸、遥望港闸、新中闸、团结港闸、东灶港闸、大洋港闸；三余低洼区主要有3座水闸，分别为三余北套闸、团结西闸和三余套闸。泵闸的规模见表1—2。

表1 排涝泵站规模

表2 闸门规模

1.4 模型边界条件

模型的入流边界及内部面源边界采用流量边界，其中，模型的入流流量边界为根据水位-流量关系，采用明渠非均匀流公式推算求得，内部流量边界为根据平原坡面降雨产汇流计算的结果。

模型的出流边界采用潮位边界，考虑到本模型的建立主要是为了研究工程区域内通吕运河泵闸枢纽在强降雨遭遇高潮位时的排涝能力，因此，本模型选取了长江侧10年一遇的设计潮型作为本模型长江侧的出流潮位边界。

通过查阅相关资料了解到长江侧天生港潮位站10年一遇设计洪(潮)水位为4.55m(废黄河高程，下同)，结合2012—2018年天生港实测潮位资料，选取2018年8月10日0时至2018年8月18日0时天生港实测潮位数据作为长江侧10年一遇的设计潮型，具体如图1所示，经插值获得本模型沿江各河道边界的设计潮型。

图1 天生港潮位站10年一遇设计潮型(废黄河高程)

图2 南通20年一遇设计洪水过程线

模型海侧选取的出流潮位边界时间序列数据与长江侧选取的潮位实测数据的时间相对应，即模型海侧出流潮位边界选取2018年8月10日0时至2018年8月18日0时海侧各出流边界位置对应的潮位时间序列数据，上述数据通过Nao Tide潮位调和分析软件求得。

1.5 设计暴雨推求设计洪水

1.5.1设计面雨量

根据《南通市水利治理规划》(2016年12月)中对南通市的暴雨数据的整理分析结果，南通市统一采用P-Ⅲ型频率曲线进行适线，具体计算结果见表3—4。

表3 区域面雨量频率分布参数

由表4可知，南通市20年一遇的最大1日面雨量为141.8mm、最大3日面雨量为207.7mm。根据《南通市水利治理规划》(2016年12月)，市区域暴雨采用最大3日雨量计算，因此，选取最大3日面雨量作为本项目中的设计面雨量。

表4 不同重现期下区域面雨量单位：mm

1.5.2设计净雨量

净雨量由设计降雨量扣除截留、下渗、填洼和蒸发水量得到。根据《江苏省暴雨洪水图集》(84版，以下简称84图集)，在计算设计净雨时，采用初损后损法扣损，经计算，20年一遇最大3日设计净雨量为183.7mm。根据84图集表10，查算最大3日净雨过程。

1.5.3设计洪水计算

由84图集中图33，可知初算设计洪峰值，设计洪峰流量Qm=qm×R×F；各时段单位线过程，用面净雨过程卷积得设计洪峰及设计流量过程线。

图3 模型范围内各条河道的线源洪水流量过程线

各时段面净雨量乘以流量系数Fc=F/3.6Δt，得各时段总径流量Ii。

查84图集中表18，得流域6小时单位线，与各时段总径流量Ii卷积，得该流域相应重现期洪水过程线，洪峰流量1980m3/s。设计洪水过程线计算成果如2图所示。

对模型区域九吕水利分片结合地势高低及河道分布情况，进一步具体划分排涝分区，得出本模型区域中各小排涝分片的面积权重，据此将求得的区域总洪水过程线以线源的形式将上述求得的洪水流量作为源项合理分配到模型区域内各条河道中，具体如图3所示。

1.6 模型率定

在一维河网水动力数学模型中，模型的率定主要是通过调整模型范围内各条河道的糙率，从而使得各条河道的水位模拟值与实际情况尽可能的接近。

本模型中借鉴和参考了南通地区过往水动力河网数学模型中糙率的取值经验，并结合模型范围内各河道的实际水位情况进行了模型的率定工作，总体上可保证本报告所建立的河网模型能够较好的反映区域内河道的实际情况。

2 模型设置

2.1 排涝泵站规模设计工况

通吕运河西临长江，闸门排涝受潮汐影响较大；强降雨遭遇高潮位时，水闸自排受限，存在排涝风险，亟需新增强排措施，对涝水进行辅助强排。

为了研究通吕运河泵站双向运行改造的必要性，本报告在河网水动力数学模型中设置了3种不同的通吕运河排涝泵站的设计工况组次，以期为确定合理的通吕运河排涝泵站规模，分析排涝效果，提供一定的依据和参考作用。

根据水利机械专业初步分析，通吕运河双向引排泵站反向排涝时单泵效率较正向引水规模将有所折损，当正向引水工况单泵引水规模为33.3m3/s时，反向排涝工况下对应的单泵排涝规模约为25m3/s，故3台泵同时工作时通吕运河运河双向引排泵站最大排涝规模约为75m3/s。

结合双向引排泵站的排涝规模，针对通吕运河排涝泵站具体的排涝工况设置情况如下：

工况一：泵站排涝流量为0，即不设置通吕运河排涝泵站。

工况二：泵站排涝流量为50m3/s(即2台泵进行反向排涝工作)。

工况三：泵站排涝流量为75m3/s(即3台泵进行反向排涝工作)。

2.2 泵闸调度情况

(1)排涝泵站调度原则：闸门上游水位大于2.4m且闸门下游水位高于上游水位(闸门无法打开时)开泵。

(2)排涝挡潮闸门调度原则：闸门上游水位大于2.4m且闸门下游水位低于上游水位时开闸。

(3)三余低洼区闸门调度原则：该区为独立排涝分区，遭受暴雨时，为阻隔外围高水入侵，闸门始终关闭。

2.3 模型时间

本模型建立的目的是为了分析当强降雨遭遇高潮位时，是否有必要新建排涝泵站辅助排涝，因此本模型中将1.5.3节推求出的设计洪水过程线的洪峰时段设置为长江侧出现设计高潮位的时段，旨在模拟长江高潮位与内河洪峰“两碰头”，研究当区域因遭受20年一遇暴雨使得河道内水流流量暴涨，而长江侧恰好处于大潮时段，水闸自排受限、排涝压力叠加时河道内的水位情况，并分析新设排涝泵站对排涝压力的缓解程度。

高潮位发生日期：8月12日至8月18日，最高潮位出现在13日早上。

洪水发生日期：8月12日至8月14日，洪峰设置为出现在8月13日零点。

3 模型计算结果与分析

3.1 闸站站前计算结果分析

3.1.1工况一：不设置通吕运河排涝泵站

该工况在模型中没有设置通吕运河泵站的排涝功能，即工程区域内的涝水仍然仅依靠区域内现状的排涝泵闸。

由该工况下模型计算结果可知，暴雨+高潮位“两碰头”的情况使得模型范围内共出现了3次通吕运河闸站枢纽上游水位超过排涝最高控制水位2.80m的情况，分别为：8月13日3∶00～9∶00闸站枢纽上游水位超2.8m，最高水位3.54m，出现于13日早上7∶00，历经6h水位降至2.8m以下；8月13日15∶00～20∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位3.42m，出现于13日19∶00，历经5h水位降至2.8m以下；8月14日4∶00～8∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位3.07m，出现于14日7∶00，历经4h降至2.8m以下。

计算结果表明，在20年一遇暴雨+10年一遇高潮位“两碰头”的情况下，通吕运河闸站枢纽站前水位暴涨，且需要经过较长时间才能降至2.8m以下，且峰值水位较高，排涝压力十分巨大，即在上述暴雨遭受高潮位的情况下，水闸自排受限，仅靠现有排涝泵闸设施将难以有效在较短时间内缓解排涝压力，排涝风险很高，急需辅以一定的强排措施加快涝水的排出，尽可能在现有的基础上降低站前水位超过排涝控制水位的时间，缓解排涝压力。

综上所述，通吕运河泵站由单向引水泵站改为兼具排涝能力的双向引排泵站是非常有必要的。

3.1.2工况二：通吕运河排涝泵站设计流量50m3/s

该工况在模型中原通吕运河闸站枢纽处设置了通吕运河排涝泵站，排涝泵站的设计排涝流量取为50m3/s，即启用2台泵进行反向排涝工作。

由该工况下模型计算结果可知，暴雨+高潮位“两碰头”的情况使得模型范围内共出现了2次通吕运河闸站枢纽上游水位超过排涝最高控制水位2.80m的情况，分别为：8月13日3∶00～9∶00闸站枢纽上游水位超2.8m，最高水位3.44m，出现于7∶00；历经6h水位降至2.8m以下；8月13日16∶00～20∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位3.37m，出现于19∶00，历经4h水位降至2.8m以下；8月14日5∶00～8∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位3.02m，出现于7∶00，历经3h降至2.8m以下。

计算结果表明，在20年一遇暴雨+10年一遇高潮位“两碰头”的情况下，通吕运河闸站枢纽站前水位暴涨，该工况下虽然在通吕运河闸站枢纽位置设置了设计排涝流量50m3/s的排涝泵站，但是涝水仍然需要经过较长时间才能将至2.8m以下，对第二、第三排涝峰值水位从高出警戒水位到降至警戒水位以下的排涝历时均分别降低了1h，但是对第一排涝峰值水位从高出警戒水位到降至警戒水位以下的排涝历时较工况一未有所降低。

从排涝效果上来看，对站前河道内水位的峰值有一定的削弱作用，排涝历时较不设置排涝泵站的工况有一定程度的降低，即在上述暴雨遭受高潮位的情况下，水闸自排受限，在现有排涝泵闸基础上新增设一座设计排涝流量50m3/s的排涝泵站，能在一定程度上缓解排涝压力，对排涝效果的提升有一定作用，但并不十分显著，因此考虑在该工况的基础上进一步提高泵站排涝能力，以尽可能在现有基础上降低站前水位超过排涝控制水位的时间，缓解排涝压力。

综上所述，工况二只启用了2台双向泵进行排涝，实际上泵站排涝能力仍有进一步提升的条件和能力，鉴于工况二作用下对排涝效果有一定的提升但并不显著，因此考虑通吕运河排涝泵站的设计流量需在本工况的基础上进一步提高。

3.1.3工况三：通吕运河排涝泵站设计流量75m3/s

该工况在模型中原通吕运河闸站枢纽处设置了通吕运河排涝泵站，排涝泵站的设计排涝流量取为75m3/s，即3台泵站全部启用，共同进行泵站的反向排涝工作。

由该工况下模型计算结果可知，暴雨+高潮位“两碰头”的情况使得模型范围内共出现了3次通吕运河闸站枢纽上游水位超过排涝最高控制水位2.80m的情况，分别为：8月13日4∶00～11∶00闸站枢纽上游水位超3.2m，最高水位3.41m，出现于7∶00；历经5h水位降至2.8m以下；8月13日16∶00～20∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位3.30m，出现于19∶00，历经4h水位降至2.8m以下；8月14日5∶00～8∶00闸站上游水位超2.8m，最高水位2.95m，历经3h降至2.8m以下。

计算结果表明，在20年一遇暴雨+10年一遇高潮位“两碰头”的情况下，通吕运河闸站枢纽站前水位暴涨，在工况三条件下，通吕运河闸站枢纽位置设置了设计排涝流量75m3/s的排涝泵站，涝水较前两种工况可以在相对更短的时间内降至2.8m以下，排涝压力有了进一步的缓解，与工况二相比，除了对第二、第三排涝峰值水位从高出警戒水位到降至警戒水位以下的排涝历时均分别降低了1h外，对第一排涝峰值水位从高出警戒水位到降至警戒水位以下的排涝历时也降低了1h，3次峰值水位发生时段累计的超警戒水位时长累计共降低了4h，累计排涝历时总体上较工况二得到了进一步的缩减。

从排涝效果上来看，工况三对站前河道内水位峰值的削弱作用较工况二得到了进一步提高，累计排涝历时较工况二也有了进一步降低，即在上述暴雨遭受高潮位的情况下，水闸自排受限，在现有排涝泵闸基础上将泵站排涝规模设置为75m3/s(3台泵全部参与反向排涝工作)，可以较为有效地缓解排涝压力，对排涝效果的提升作用较明显。

综上所述，本工况条件下，通吕运河排涝泵站的设计流量是较为合理可行的。

3.1.4不同工况计算结果对比分析

根据数模计算结果，对上述不同工况条件下闸站枢纽站前的峰值水位及峰值水位排涝历时情况进行了汇总整理与对比分析，具体的对比情况见表5—6。