豐城市城西防洪綜合整治工程排澇流量計算分析

朱永華

(江西省豐城市水利局，江西豐城 331100)

江西省豐城市中心城區(qū)總體規(guī)劃為“一江兩岸”格局，贛江穿城而過，河東、河西兩大城市區(qū)隔江相望;城西區(qū)將建成集商業(yè)金融、文體娛樂、居住等功能為一體的城市新區(qū)，規(guī)劃居住人口13萬人。

城西防洪綜合整治工程是城西區(qū)防洪、排澇的骨干工程，包括防洪堤及內(nèi)澇治理工程，工程建成后可保護城西區(qū)免受贛江洪水威脅，及時排除區(qū)內(nèi)澇水，保障當?shù)厝嗣裆柏敭a(chǎn)安全。排澇泵站是內(nèi)澇治理工程主要水工建筑物，排澇流量計算分析是確定排澇泵站裝機規(guī)模的主要依據(jù)，本文通過幾種方法分別計算了城西區(qū)設(shè)計暴雨流量，并進行了較為全面的比較分析，提出了合理的設(shè)計暴雨流量，為排澇泵站設(shè)計提供了依據(jù)。

1 排澇標準及規(guī)劃

1.1 排澇標準

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》，通常以排除一定重現(xiàn)期的暴雨所產(chǎn)生的徑流作為治澇工程的設(shè)計標準。目前，我國一些城市的治澇設(shè)計標準基本在5～20 a一遇，廣東、廣西等省及地區(qū)的縣級市一般采用10 a一遇。

根據(jù)我國各地的工程經(jīng)驗，泵站工程由于涉及機電設(shè)備較多、工程運行成本較高，為控制工程投資，一般采用較低的治澇設(shè)計標準。城西區(qū)保護人口小于20萬，為一般重要的保護城市區(qū)，城市防洪工程等別為四等。根據(jù)規(guī)范并結(jié)合相關(guān)類似工程經(jīng)驗，城西防洪整治工程中，泵站排澇設(shè)計標準:10 a一遇24 h最大降雨一日(24 h)排除。

1.2 排澇規(guī)劃

豐城市城西區(qū)共設(shè)兩處內(nèi)澇出口，每處布置一座排澇泵站，即蔡家排澇站和龍頭山排澇站。龍頭山排澇站位于防洪堤下游段，地勢較低，集水面積較大，皮湖水庫下泄洪水亦從該處排入贛江，工程區(qū)大部分內(nèi)澇通過該泵站排除，為主排澇站。蔡家排澇站位于防洪堤上游段，地勢較高，集水面積較小，主要排除劍邑大橋上游區(qū)域內(nèi)澇，其排澇流量較小，為次要排澇站。兩處排澇站通過排澇渠道連接，實現(xiàn)協(xié)同排澇。

1.3 排澇分區(qū)

城西區(qū)總匯水面積30.84 km2，根據(jù)排澇泵站布置、工程區(qū)降雨匯流條件以及雨水調(diào)蓄區(qū)分布情況，將工程治澇范圍劃分為A、B、C 3個區(qū)間。皮湖水庫區(qū)間為B區(qū)，匯集水庫壩址以上區(qū)域雨水，匯水面積10.66 km2，水庫下泄洪水通過龍頭山排澇站排入贛江。水庫以外范圍以劍邑大橋為界，分成A區(qū)和C區(qū)，其中，大橋上游區(qū)間為A區(qū)(蔡家排澇區(qū)間)，匯水面積8.07 km2，該區(qū)間降雨產(chǎn)生的澇水主要通過蔡家排澇站排入贛江。大橋下游區(qū)間為C區(qū)(龍頭山排澇區(qū)間)，匯水面積12.11 km2，該區(qū)間降雨產(chǎn)生的澇水主要通過龍頭山排澇站排入贛江。

2 排澇流量計算

降雨產(chǎn)生的排澇流量計算方法主要有:調(diào)蓄演算法、排水模數(shù)法、平均排除法。

2.1 調(diào)蓄演算法

該工程調(diào)蓄區(qū)主要為皮湖水庫和濕地公園。調(diào)蓄計算主要內(nèi)容為:①皮湖水庫壩址以上匯水區(qū)域的設(shè)計洪水，經(jīng)過皮湖水庫調(diào)蓄作用，計算水庫下泄洪水過程;②皮湖水庫下泄洪水、排澇渠來水及濕地公園周邊區(qū)間匯集雨水，經(jīng)過濕地公園調(diào)蓄后，計算其出流過程，以確定龍頭山泵站裝機規(guī)模。

2.1.1 皮湖水庫調(diào)蓄計算

皮湖水庫位于防洪堤保護區(qū)內(nèi)，為小(1)型水庫。2010年，皮湖水庫進行了擴建，擴建后水庫正常高蓄水位28.38 m，總庫容為612萬m3。擴建后，皮湖水庫主要工程建筑物有:大壩、溢洪道及壩下輸水涵管。溢洪道為開敞式，無閘控制，溢流堰頂高程28.38 m。皮湖水庫庫水位-庫容關(guān)系見表1，溢洪道泄流能力見表2，輸水涵管泄流能力見表3。

表1 皮湖水庫庫水位-庫容關(guān)系曲線

表2 皮湖水庫溢洪道泄流能力

表3 皮湖水庫輸水涵管閘門全開時泄流能力

通過溢洪道及壩下涵管泄水控制庫水位，皮湖水庫騰出部分庫容，具有一定的雨水調(diào)蓄作用，確定排澇泵站裝機規(guī)模時，應(yīng)適當考慮該水庫的雨水調(diào)蓄功能。結(jié)合皮湖水庫的庫容、水工建筑物泄水能力等因素計算分析，汛期利用輸水涵管過流控制庫水位不超過27.38 m，提供90萬m3的蓄澇庫容。據(jù)此條件進行皮湖水庫洪水調(diào)節(jié)計算，起調(diào)水位27.38 m。最大下泄洪流量6 m3/s，說明水庫調(diào)蓄作用明顯。

2.1.2 蔡家排澇站規(guī)模擬定

蔡家排澇站主要排除A區(qū)雨水，A區(qū)設(shè)計頻率洪水過程線見表1。由于蔡家排澇區(qū)間沒有大面積雨水調(diào)蓄區(qū)，因此，根據(jù)A區(qū)10 a一遇24 h最大暴雨洪水過程線，擬定蔡家排澇泵站設(shè)計暴雨排澇流量為8.5 m3/s。當A區(qū)暴雨產(chǎn)生的流量大于蔡家站的設(shè)計流量時，該區(qū)余量內(nèi)澇水流通過排澇渠道引至工程區(qū)下游的濕地公園調(diào)蓄區(qū)，經(jīng)過調(diào)蓄后，由龍頭山站排除。

2.1.3 濕地公園調(diào)蓄計算分析

根據(jù)城西區(qū)詳細規(guī)劃，在龍頭山與老洲村之間建濕地公園，濕地公園面積約55 hm2。計算分析濕地公園調(diào)蓄能力時，調(diào)蓄水深考慮1.0，2.0 m兩種情況;水面面積考慮30萬，35萬，40萬，50萬m24種情況。經(jīng)過比選，擬定龍頭山濕地公園調(diào)蓄水面面積為35萬m2，調(diào)蓄水深取2 m，起調(diào)水位23.0 m。

皮湖水庫下泄洪水(B區(qū))、排澇渠來水(即A區(qū)余量澇水)以及濕地公園周邊區(qū)間(即C區(qū))匯集雨水，經(jīng)過濕地公園調(diào)蓄后，由龍頭山泵站排入贛江。C區(qū)設(shè)計洪水見表1。

經(jīng)過調(diào)蓄計算，控制濕地公園水面不超過25.0 m，不淹沒城區(qū);充分考慮濕地公園對內(nèi)澇的調(diào)蓄作用，計算出龍頭山排澇泵站設(shè)計暴雨排澇流量為23 m3/s。

2.2 排水模數(shù)法

澇區(qū)1 km2集水面積的最大排水流量稱為排水模數(shù)［m3/(s·km2)］，排水流量及排水模數(shù)計算公式如下:

式中Q為排水流量，m3/s;q為排水模數(shù)，m3/(s·km2);A為集水面積，km2;R為設(shè)計暴雨所產(chǎn)生的徑流深，mm，由暴雨、徑流關(guān)系推求;m為峰量指數(shù)(反映排水模數(shù)與洪峰流量的關(guān)系);n為遞減系數(shù)(反映排水模數(shù)與面積的關(guān)系);K為綜合系數(shù)(反映河溝配套程度、排水溝坡比、降雨歷時及流域形狀等因素)。

設(shè)計暴雨、設(shè)計暴雨與地面徑流的關(guān)系、排水模數(shù)，各地多有觀測總結(jié)資料，排水泵站工程規(guī)劃時一般可直接查用。參照國內(nèi)平原湖區(qū)資料，集水面積小于500 km2時，K=0.0135，m=1.0，n=-0.201。下面介紹了10 a一遇24 h最大降雨條件下，皮湖水庫區(qū)域、水庫以外區(qū)域排水流量計算情況。

(1)皮湖水庫區(qū)域。皮湖水庫集雨面積10.66 km2，設(shè)計暴雨所產(chǎn)生的徑流深155.0 mm，經(jīng)過計算，其排水模數(shù)q=1.3 m3/(s·km2)，排水流量Q=13.86 m3/s。

(2)皮湖水庫以外區(qū)域。城西防洪堤保護區(qū)集水總面積30.84 km2，皮湖水庫區(qū)域集水面積10.66 km2，水庫以外區(qū)域集水面積20.18 km2，水庫以外區(qū)域規(guī)劃為城區(qū)，設(shè)計暴雨所產(chǎn)生的徑流深162.0 mm，經(jīng)過計算，其排水模數(shù) q=1.2 m3/(s·km2)，排水流量 Q=24.22 m3/s。

2.3 平均排除法

平均排除法，區(qū)域產(chǎn)生的總水量除去滯蓄外，其余均需在規(guī)定時間內(nèi)排除。計算公式如下:

式中Q為設(shè)計排水流量，m3/s;A水田為澇區(qū)水田面積，km2;A旱荒為澇區(qū)旱地、道路、村鎮(zhèn)面積，km2;A河湖為澇區(qū)河網(wǎng)、湖泊水面積，km2;P設(shè)計為設(shè)計暴雨量，mm;T為排水天數(shù)，d;t為每天開機小時數(shù)，h;C為旱荒地一次暴雨徑流系數(shù);h水田為水田允許滯蓄水深，mm;h河湖為河網(wǎng)、湖泊蓄澇水深，mm。

該工程基本無水田，主要由城區(qū)、旱地及水面組成，排水天數(shù)為1 d，每天排水小時數(shù)取24 h。工程區(qū)10 a一遇最大24 h暴雨量為206.4 mm。根據(jù)以上條件，分別計算皮湖水庫區(qū)域、水庫以外區(qū)域排水流量。

(1)皮湖水庫區(qū)域。皮湖水庫集雨面積10.66 km2，水庫水面積約1.0 km2。該區(qū)域以旱地為主，旱荒地一次暴雨徑流系數(shù)取C=0.4。水庫水面蓄澇水深取100 mm。經(jīng)計算，設(shè)計排水流量8.1 m3/s。

(2)皮湖水庫以外區(qū)域。皮湖水庫以外區(qū)域集水面積20.18 km2。水庫以外區(qū)域規(guī)劃為城區(qū)，其中濕地公園面積0.55 km2，水面面積0.35 km2。該區(qū)域一次暴雨徑流系數(shù)取C=0.6。

濕地公園作為主要雨水調(diào)蓄區(qū)，起調(diào)水位23.00 m，控制高水位25.00 m，水面蓄澇水深取2000 mm。經(jīng)計算，設(shè)計排水流量為20.32 m3/s。

3 計算方法比較

3.1 調(diào)蓄演算法

調(diào)蓄演算法考慮雨水調(diào)蓄區(qū)的滯洪、削峰作用。該計算方法先計算出工程區(qū)暴雨產(chǎn)生的流量過程，再考慮大面積水體的調(diào)蓄作用，進行調(diào)蓄計算后，得到調(diào)蓄削峰后的流量過程。計算過程中，考慮了雨水產(chǎn)匯流時間因素，以及工程區(qū)水庫等調(diào)蓄區(qū)的削峰、滯蓄作用，計算結(jié)果較客觀。

城西區(qū)域主要雨水調(diào)蓄區(qū)有皮湖水庫及濕地公園，皮湖水庫流域產(chǎn)生的澇水，經(jīng)過水庫調(diào)蓄，下泄洪水峰值有所削減;水庫下泄洪水及水庫以外區(qū)域地表匯水，經(jīng)過濕地公園調(diào)蓄后，需要排除的澇水流量峰值進一步削減。

3.2 排水模數(shù)法

排水模數(shù)法通過計算澇區(qū)單位面積(km2)的最大排水流量，以求得工程區(qū)暴雨產(chǎn)生的總流量。該法計算時考慮了暴雨產(chǎn)生的徑流深，利用綜合系數(shù)反映河溝配套程度、排水溝坡比、降雨歷時及流域形狀等因素，計算中的有關(guān)參數(shù)主要是類比工程經(jīng)驗取值，具有較大的可變性。該計算方法沒有考慮工程區(qū)調(diào)蓄及雨水匯流時間長短這兩個主要因素，而該工程有較大的雨水調(diào)蓄區(qū)，這是該計算方法存在的主要缺點。

3.3 平均排除法

平均排除法，區(qū)域產(chǎn)生的總水量除去滯蓄外，其余均在規(guī)定時間內(nèi)排除。該法計算簡單，主要用于農(nóng)田排澇，計算考慮了工程區(qū)水庫等大面積滯蓄區(qū)的作用，但是沒有準確考慮滯蓄流量過程，而且沒有考慮雨水匯流過程因素。

采用調(diào)蓄演算法、排水模數(shù)法及平均排除法計算工程區(qū)設(shè)計暴雨排澇流量，計算結(jié)果見表4。

表4 設(shè)計暴雨排澇流量比較(10 a一遇24 h最大降雨)m3/s

4 排澇流量分析

通過分析3種方法的設(shè)計暴雨排澇流量計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)按設(shè)計暴雨排澇流量計算結(jié)果，各計算方法從大至小排序依次為:排水模數(shù)法、調(diào)蓄演算法、平均排除法。

(2)排水模數(shù)法計算結(jié)果偏大的主要原因是沒有充分考慮雨水調(diào)蓄區(qū)的蓄澇、削峰作用。

(3)調(diào)蓄演算法、平均排除法計算結(jié)果均較小，且其計算結(jié)果差別不大。

(4)平均排除法計算結(jié)果最小，是24 h內(nèi)的一個平均排水流量，該法主要適用于農(nóng)田排水，不宜用于城市排澇規(guī)模計算分析。

(5)調(diào)蓄演算法既考慮了雨水調(diào)蓄區(qū)的蓄澇、削峰作用，同時也考慮了洪水過程，計算結(jié)果較客觀，亦偏安全，適合用于城市排澇規(guī)模計算分析。

5 結(jié)語

本文通過調(diào)蓄演算、排水模數(shù)及平均排除等幾種方法分別計算了城西區(qū)設(shè)計暴雨流量，并進行了較為全面的比較分析。計算結(jié)果顯示，調(diào)蓄演算法既考慮了工程范圍內(nèi)調(diào)蓄區(qū)皮湖水庫及濕地公園的滯蓄及削峰作用，又考慮了暴雨匯流過程，計算結(jié)果較為客觀、合理，因此可以此作為排澇泵站裝機規(guī)模的依據(jù)。