城區(qū)與農(nóng)田混排區(qū)排澇泵站流量計算方法的探討

劉 超

（安徽省蚌埠市水利勘測設(shè)計院 蚌埠 233000）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程不斷加快，特別是城市新城區(qū)和工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，導(dǎo)致城市新區(qū)原有的農(nóng)田排澇區(qū)泵站排澇能力不能滿足新建城區(qū)和農(nóng)田的排澇要求，須重建和新建排澇泵站，增加排澇流量，提高防澇減災(zāi)能力。但由于城區(qū)雨水設(shè)計以城市短歷時暴雨強度公式和雨水設(shè)計流量公式為主，而農(nóng)田排水流量公式主要為推理公式法、瞬時單位線法水文公式，這兩種計算方法在暴雨樣本選樣及采用的重現(xiàn)期上有較大差異，排澇設(shè)計流量成果相差較大。因此，目前還沒有統(tǒng)一排澇標準與方法確定城區(qū)與農(nóng)田混排區(qū)排泄?jié)潮谜镜脑O(shè)計流量?，F(xiàn)以五河縣沫河口工業(yè)園區(qū)三鋪湖排澇泵站規(guī)模計算為例進行研究探討。

1 排澇區(qū)概況

三鋪排澇區(qū)位于蚌埠市五河縣沫河口鎮(zhèn)境內(nèi)，總面積51.0km2，五河縣沫河口工業(yè)園區(qū)座落在排澇區(qū)南部，三鋪大溝兩側(cè)，工業(yè)園區(qū)規(guī)劃面積10.0 km2。

排澇區(qū)內(nèi)有三鋪大溝和沫沖引河兩條排澇骨干大溝，其中三鋪大溝為南北向，溝長6.2km，集水面積23.4km2；沫沖引河為東西向，溝長7.62km，集水面積27.6km2。兩溝在沫河口鎮(zhèn)東交匯后向南穿淮北大堤入淮河，當(dāng)淮河水位不頂托時，三鋪湖澇水匯入沫沖引河和三鋪大溝，通過三鋪涵自排入淮河。

為解決汛期受淮河高水位頂托時的澇水出路問題，于20世紀60年代中期在三鋪大溝入淮處修建三鋪湖排澇泵站，在淮河高水位時抽排澇水入淮河，幾經(jīng)改造，總裝機1660kW，抽排能力18.2m3/s，抽排模為0.3 m3/s/km2，約合3年一遇的標準。

但由于沫河口工業(yè)園區(qū)沿三鋪大溝南段兩岸規(guī)劃建設(shè)，地勢相對較低，地面高程在16.0m左右，加之三鋪湖泵站排澇能力不足，汛期易受澇災(zāi)，成為制約沫河口工業(yè)園區(qū)建設(shè)和發(fā)展的主要因素之一。為保障工業(yè)園區(qū)內(nèi)的正常建設(shè)和生產(chǎn)，規(guī)劃重建三鋪排澇泵站。

2 泵站規(guī)模確定方法的選取

目前在蚌埠地區(qū)城市排水流量計算主要采用短歷時暴雨強度公式和室外排水設(shè)計規(guī)范中的雨水量計算公式。農(nóng)田區(qū)主要是采用《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》（1981年）進行計算，即按3d暴雨中后2d暴雨所產(chǎn)生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄（V）后，在2d內(nèi)平均排出計算。

2.1 城區(qū)流量計算方法

目前蚌埠地區(qū)城區(qū)排澇流量主要用暴雨強度公式和室外排水設(shè)計規(guī)范中的雨水量計算公式計算。即：

2.1.1 暴雨強度

q=2550×（1+0.77×lgp）（/t+12）0.71

式中：q——暴雨強度（L（/s·ha））；

p——重現(xiàn)期（y），城市一般地區(qū)p=1y，相對封閉的地勢低洼地區(qū)p=1.5～2y，重要節(jié)點工程如立交橋地區(qū)p=3y；

t——降雨歷時（min）。

2.1.2 雨量計算公式

Q=ψFq

式中：Q——雨水流量（L/s）；

ψ——徑流系數(shù)；

F——面積（ha）。

2.1.3 降雨歷時

降雨歷時按如下公式計算：

t=t1+mt2

式中：t——降雨歷時（min）；

t1——地面集水時間（min），根據(jù)最遠集水點至收水口的距離長短、地形坡度和地面鋪蓋情況而定，一般5～15min；

m——折減系數(shù)，根據(jù)管涵形式、坡度及出口條件取1～2。

根據(jù)工業(yè)園區(qū)排水規(guī)劃，規(guī)劃區(qū)排水模數(shù)在5～7m3/s/km2。

2.2 農(nóng)田計算方法

農(nóng)田排澇流量計算主要采用的計算辦法是《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》（1981年），小面積（50km2以下）抽排模數(shù)公式計算原則上按3d暴雨中后2d暴雨所產(chǎn)生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄（V）后，在2d內(nèi)平均排出計算。采用公式：

M抽＝（R2d－V）/（2×86.4）

經(jīng)計算，農(nóng)田區(qū)5年一遇的排澇模數(shù)為0.45 m3/s/km2，10年一遇的排澇模數(shù)為0.76 m3/s/km2。

根據(jù)沫河口工業(yè)園區(qū)排水規(guī)劃，其澇水通過排水管道或明渠直接排入三鋪大溝和沫沖引河，由位于淮北大堤內(nèi)側(cè)的三鋪湖排澇泵站抽排入淮河，為典型的城區(qū)與農(nóng)田混排區(qū)。要求排澇泵站規(guī)模既不能局限于只排工業(yè)園區(qū)內(nèi)的澇水，也不能僅僅作為區(qū)域泵站按農(nóng)田排澇標準考慮。但是由于城區(qū)與農(nóng)田排水量計算基礎(chǔ)的差異，僅簡單把工業(yè)園區(qū)計算的流量與農(nóng)田區(qū)計算的流量相加，顯然缺乏可信度。同時，工業(yè)園區(qū)采用的暴雨強度公式計算雨水量，基本上是雨水來多少排多少，雨水即時排出，沒有考慮整個排澇區(qū)內(nèi)溝塘和農(nóng)田的調(diào)蓄以及農(nóng)田區(qū)匯流的滯后性，泵站規(guī)模較大，有效利用時間少。經(jīng)反復(fù)探尋，按同一排澇標準、降雨歷時，充分考慮排澇區(qū)內(nèi)溝塘及農(nóng)田調(diào)蓄的原則，以充分利用現(xiàn)有水利工程，通過合理調(diào)度，保證排澇泵站經(jīng)濟運行為指導(dǎo)思想，確定排澇泵站的設(shè)計規(guī)模。經(jīng)多種方案比較分析，工業(yè)園區(qū)規(guī)劃按24h凈雨24h平均排出，農(nóng)田區(qū)按3d降雨中后2d降雨所產(chǎn)生的凈雨扣除水田調(diào)蓄后，在2d內(nèi)平均排出的方法，分別計算工業(yè)園區(qū)和農(nóng)田區(qū)在設(shè)計標準下的排澇流量，兩者之和即為泵站的設(shè)計流量。

3 泵站設(shè)計流量的確定

根據(jù)沫河口工業(yè)園區(qū)規(guī)劃和三鋪湖洼地治理規(guī)劃，按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，三鋪湖洼地近期治理排澇標準為10年一遇。

由于三鋪湖洼地區(qū)域內(nèi)沒有雨量站，故采用近鄰的蚌埠水文站實測的降雨資料進行頻率分析，3d降雨均值為138.79mm，Cv＝0.39，Cs/Cv=4.0。10年一遇 3d 設(shè)計暴雨為210.8mm。查《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》附表1，集水面積在100km2及以下，10年一遇降雨量為215mm，與蚌埠站分析數(shù)字基本一致。因此，三鋪湖洼地排澇模數(shù)計算10年一遇降雨采用215mm。設(shè)計凈雨、抽排模數(shù)均按《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》計算。

設(shè)計凈雨：前期影響雨量均采用55mm，查a區(qū)線，農(nóng)田區(qū)10年一遇設(shè)計凈雨為165mm，城市規(guī)劃區(qū)凈雨取降雨乘徑流系數(shù)，徑流系數(shù)取0.85。

城市抽排模數(shù)，按24h凈雨24h平均排出，則：

M城市=α×P/86.4

式中：M城市——城區(qū)排水模數(shù)；

α——最大24h凈雨占3d凈雨總量的權(quán)重，其值約為84%；

P——3d暴雨相應(yīng)的凈雨深。

農(nóng)田抽排模數(shù)原則上按3d暴雨中后2d暴雨所產(chǎn)生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄后（V），在2d內(nèi)平均排出計算，采用計算公式：

表1 24h暴雨時程分配表（以%計）

式中：M抽——抽排模數(shù)；

旱地率——包括非耕地水田率均按占總排水面積的百分數(shù)比；

P——3d暴雨量；

R——相應(yīng)的凈雨（代表旱地）。

系數(shù)0.9為后2d暴雨（或凈雨）占3d暴雨（或凈雨）的權(quán)重；2×5（mm）為 3d 內(nèi)水田面積上的降雨損失；200（mm）為水田的凈滯蓄水深。

計算得10年一遇工業(yè)園區(qū)抽排模為1.78m3/s/km2，農(nóng)田抽排模為0.77m3/s/km2。

三鋪湖排澇泵站排澇面積51km2，其中工業(yè)園區(qū)面積10km2，農(nóng)田區(qū)41km2，按10年一遇排澇標準（城市區(qū)排模1.78m3/s/km2，農(nóng)田區(qū)排模0.77m3/s/km2），三鋪湖洼地治理抽排流量為50m3/s。

4 流量復(fù)核

為驗證計算成果的合理性、可靠性，按排澇區(qū)發(fā)生設(shè)計標準降水（10年一遇）和發(fā)生超標準降雨（20年一遇、50年一遇），對泵站規(guī)模進行復(fù)核。

4.1 核算方法的選定

三鋪湖排澇泵站的排澇區(qū)由城市規(guī)劃區(qū)和農(nóng)田區(qū)組成，目前本地區(qū)沒有可采用的城市建城區(qū)和小面積農(nóng)田的短歷時徑流過程線，因此從偏安全方面考慮，采用不同頻率最大24h降雨，然后按一定的比例分配到每小時，得到每小時的降雨量，按徑流系數(shù)法計算凈雨，求得排澇區(qū)的徑流過程。根據(jù)排澇泵站的設(shè)計條件，確定14.5m（泵站的最低設(shè)計水位）為起調(diào)水位，泵站正常抽排50m3/s的條件下，按水量平衡公式進行洼地蓄水庫容調(diào)算，從而核算泵站的裝機規(guī)模。

4.2 降雨量分析

因三鋪湖洼地流域沒有長系列降雨資料，采用蚌埠站系列年實測降雨量資料，對年最大24h雨量系列進行頻率分析，均值為96.36mm，Cv為0.35，Cs/Cv為3.5。10年一遇24h暴雨分別為 141.6mm，20年一遇 24h暴雨為160.2mm，50年一遇24h暴雨為183mm。

4.3 最大24h降雨時程分配

根據(jù)1975年版《安徽省水文手冊》，采用淮河以北（包括沿淮）最大24h暴雨時程分配成果，暴雨時程分配見表1。

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006），短時降雨工業(yè)園區(qū)綜合徑流系數(shù)取0.6。按照《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》，不考慮前期影響雨量，農(nóng)田區(qū)徑流系數(shù)為0.45；不考慮匯流時間，計算排澇區(qū)匯流量，從而得到排澇區(qū)24h降雨匯流過程線。

表2 洼地調(diào)蓄庫容曲線表

4.4 排澇區(qū)洼地調(diào)蓄庫容

根據(jù)三鋪湖排澇區(qū)水利工程現(xiàn)狀及五河縣沫河口工業(yè)園區(qū)規(guī)劃，起到調(diào)蓄作用的除三鋪大溝、沫沖引河、李洼大溝等排澇大溝外，還有李洼大溝下段洼地（規(guī)劃為工業(yè)園區(qū)的綠化用地）及工業(yè)園區(qū)南部、寧洛高速公路以南的洼地，由規(guī)劃的排澇溝斷面和萬分之一航測圖量算，可用于調(diào)蓄澇水的洼地面積約1.95km2，16.0m高程以下調(diào)蓄庫容約183.9萬m3，洼地調(diào)蓄庫容曲線表見表2。

4.5 10年一遇降雨核算

按農(nóng)田面積41km2，城市建成區(qū)面積10km2，不考慮現(xiàn)有工程的調(diào)度，按規(guī)劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第10、11、12、13四個時段匯流流量大于抽排流量，經(jīng)平衡計算，有108萬m3的澇水需短時間滯蓄。經(jīng)調(diào)算，最高水位為15.66m，低于工業(yè)園區(qū)內(nèi)地面高程。

4.6 20年一遇降雨核算

按現(xiàn)有水利工程布局，關(guān)閉三鋪大溝上的五蚌公路節(jié)制閘，攔截五蚌公路以北15.87 km2的澇水錯峰下泄，按規(guī)劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第10、11、12三個時段匯流流量大于抽排流量，經(jīng)平衡計算，有74.78萬m3的澇水需短時間滯蓄。經(jīng)調(diào)算，最高水位為15.46m，低于工業(yè)園區(qū)內(nèi)地面高程。

4.7 50年一遇降雨核算

按現(xiàn)有水利工程布局，關(guān)閉三鋪大溝上的五蚌公路節(jié)制閘和沫沖引河上的橫嶺閘，攔截五蚌公路以北15.87 km2、橫嶺路以東9.58 km2的澇水錯峰下泄，按規(guī)劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第11、12兩個時段匯流流量大于抽排流量，經(jīng)平衡計算，有59.14萬m3的澇水需短時間滯蓄。經(jīng)調(diào)算，最高水位為15.32m，低于工業(yè)園區(qū)內(nèi)地面高程。

上述分析可知，10年一遇的設(shè)計標準及超設(shè)計標準的20年一遇、50年一遇的降雨時，通過現(xiàn)有水利工程的合理調(diào)度運行，充分利用溝塘及農(nóng)田的短時間調(diào)蓄，泵站前池水位均低于工業(yè)園區(qū)的地面高程16.0m和廠區(qū)地面高程16.5m，不會因排澇大溝澇水水位過高引起倒灌而淹沒工業(yè)園區(qū)。因此，三鋪湖排澇泵站設(shè)計規(guī)模為50m3/s，能滿足排澇要求