水庫防護(hù)區(qū)泵站設(shè)計(jì)排水量實(shí)例分析

李殿球，張 琳，汪繁榮

（1長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院庫區(qū)處，武漢 430010；1漢江水利水電開發(fā)有限公司，湖北 丹江口 442700；3長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

1 問題的提出

為滿足發(fā)電、防洪、灌溉等興利要求，興建水庫不可避免地造成水庫淹沒損失。為減少水庫淹沒損失，在大中型水庫設(shè)計(jì)時(shí)通常對(duì)庫區(qū)一些淹沒深度不大、具有防護(hù)條件的比較成片的農(nóng)田、居民點(diǎn)，采取工程防護(hù)措施。平陽壩位于三峽工程庫區(qū)巴東縣平陽河中游，既屬于三峽水庫淹沒區(qū)，又是三峽水庫的消落區(qū)。三峽工程初步設(shè)計(jì)階段，平陽壩的淹沒處理采用防護(hù)方案，并按照平原圩區(qū)的除澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了防護(hù)工程的可行性研究，即按枯水期5年一遇設(shè)計(jì)頻率的1日暴雨3日排至農(nóng)田不淹水位163.78m，泵站設(shè)計(jì)排水流量為7m3／s。經(jīng)過泵站排水演算后，防護(hù)區(qū)雍高水位達(dá)到168.38m，位于防護(hù)區(qū)低洼處的成片農(nóng)田淹沒達(dá)到4.6m水深，約有46.67hm2耕園地受到不同程度的淹沒，約占防護(hù)區(qū)耕園地面積的1／2。還有6 500m2左右的房屋也成為“水中龍宮”，約占防護(hù)區(qū)房屋面積的1／3。由此可見，采用平原圩區(qū)除澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為水庫區(qū)防護(hù)工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不能實(shí)現(xiàn)防護(hù)目標(biāo)。

2 防護(hù)區(qū)基本情況及工程概況

平陽壩防護(hù)區(qū)系平陽河一寬谷型盆地。盆地東西長(zhǎng)6.1km，南北寬0.8km，中部最寬處有1.4km，幅員面積5km2，耕地500hm2。該區(qū)土地肥沃，氣候溫和，光熱充足，以種植水稻、小麥、油菜、玉米為主，并有經(jīng)濟(jì)園林，是巴東縣長(zhǎng)江北岸少有的平壩和水稻產(chǎn)區(qū)，被當(dāng)?shù)刈u(yù)為巴東縣小糧倉。平陽河是長(zhǎng)江的二級(jí)支流，發(fā)源于宜昌市興山縣龔家橋鄉(xiāng)，從平陽壩中部自東向西橫穿而過，在巴東縣平陽壩鎮(zhèn)下游坑子注入長(zhǎng)江一級(jí)支流沿渡河（又稱神農(nóng)溪）。

平陽壩盆地間河床最低高程為159m，盆地中的成片農(nóng)田最低高程163.78m。三峽工程正常蓄水位175m，淹沒設(shè)計(jì)平陽壩防護(hù)區(qū)內(nèi)3個(gè)村13個(gè)組，人口535人。淹沒房屋面積20 952m2。淹沒耕園地面積93.6 hm2，其中水田84.83 hm2，旱地2.27 hm2，園地6.4 hm2。在三峽工程初步設(shè)計(jì)階段，巴東縣政府為了減少水庫淹沒損失和減輕巴東縣三峽水庫農(nóng)村移民安置難度，進(jìn)行了平陽壩淹沒區(qū)防護(hù)方案的可行性研究。

據(jù)平陽壩防護(hù)工程可行性研究報(bào)告，可研階段確立的防護(hù)工程建筑物主要有長(zhǎng)57.9m、高27m的峽門口防護(hù)壩，排水流量為7m3／s、揚(yáng)程15.14m的排水泵站。同時(shí)，為方便防護(hù)區(qū)農(nóng)田灌溉和集鎮(zhèn)供水，可行性研究還設(shè)計(jì)有上峽門口取水壩、引水渠及水電站。其中防護(hù)壩、排水泵站和上峽門口取水壩屬4級(jí)建筑物，引水渠系和水電站屬5級(jí)建筑物。

汛期，三峽水庫維持在汛期限制水位145m運(yùn)行，水庫水位低于平陽壩地面高程，防護(hù)壩開閘放水，平陽河來水可自排入三峽水庫?？菟竟?jié)，三峽水庫在正常蓄水位175m運(yùn)行，水庫水位高于防護(hù)區(qū)地面高程，防護(hù)壩關(guān)閘擋水，防護(hù)區(qū)降雨和上游來水，啟動(dòng)排水泵站抽排。平陽河防護(hù)壩斷面枯水期（10月15日至次年4月30日）P＝20%的流量為141m3／s，P＝10%的流量為182 m3／s。泵站排水設(shè)計(jì)流量為7 m3／s，選3臺(tái)900HLB－10型立式混流泵，裝機(jī)3×310kW。泵站廠房為岸邊式濕室型。

取水壩、引水渠道的任務(wù)之一是高水高排，在枯水季節(jié)排除平陽河上游河道平時(shí)的基流，減少下游排水泵站的運(yùn)行費(fèi)用，也可以減少裝機(jī)350kW左右。任務(wù)之二是灌溉、集鎮(zhèn)供水和引水發(fā)電等。取水壩無庫容，對(duì)洪水基本上無調(diào)節(jié)作用。引水渠全長(zhǎng)12.57km，其中明渠8段，渡槽6座、隧洞2段，全程設(shè)計(jì)通過流量3.5m3／s。水電站位于防護(hù)壩附近。設(shè)計(jì)發(fā)電流量2.18m3／s，設(shè)計(jì)水頭49.13m，設(shè)計(jì)保證率80%時(shí)，相應(yīng)保證出力295kW，裝機(jī)容量3×400kW。電站尾水直接排入防護(hù)壩下游的三峽水庫。

3 防護(hù)區(qū)水文特點(diǎn)

3.1 河道坡降大，匯流歷時(shí)短

平陽河全流域面積199.8km2，河流全長(zhǎng)25.3 km，河源高程約900m。平陽壩防護(hù)工程防護(hù)壩控制集雨面積159.1 km2，主河槽長(zhǎng)19.7 km，平均坡降3.5%。流域多年平均降雨量為1 230mm。

平陽河防護(hù)壩以上主河槽平均坡降達(dá)3.5%，枯水期5年一遇45.4mm的降雨，洪峰到達(dá)防護(hù)壩時(shí)間為降雨開始發(fā)生后6h，在防護(hù)壩處形成的流量為141m3／s，洪水入庫水量為297.6×104m3，匯流在時(shí)空分布上比較集中。而平原圩區(qū)坡降小，匯流速度慢，匯流時(shí)間長(zhǎng)。就同一凈雨深的降雨而言，平原圩區(qū)的匯流歷時(shí)無疑比山區(qū)匯流歷時(shí)長(zhǎng)，難以形成峰量。

3.2 承雨面積大，調(diào)蓄面積小

平陽壩防護(hù)工程防護(hù)壩控制匯流面積159.12km2，占全流域面積的79.65%。由于山區(qū)多為坡度較大的非耕地和旱地，除了降雨的初損和入滲外，凈降雨發(fā)生后全部匯集于溪溝，因缺少堰塘、水庫調(diào)蓄，全部匯入防護(hù)區(qū)。防護(hù)區(qū)163.78m高程以下0.4km2的蓄滯水面積承受159.12 km2集水面積的匯流，蓄滯水面積只有集水面積的1／400，因而在滯水區(qū)形成平均7.44m的水深。而平原圩區(qū)除了湖泊和堰塘的調(diào)蓄外，還有大面積的水田調(diào)蓄。若平原圩區(qū)在等量的集雨面積上發(fā)生45.4mm的降雨，不會(huì)形成洪災(zāi)和澇災(zāi)。

3.3 地勢(shì)低洼，匯流集中

平陽壩在三峽水庫支流的尾水末端，屬平陽河河口沖積小平原。防護(hù)壩建設(shè)并投入運(yùn)行后，防護(hù)區(qū)就成為該集雨區(qū)最低洼的洼地，是全流域洪水過境的咽喉。暴雨形成的徑流全部集中于一點(diǎn)，在空間分布上高度集中。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，若承雨面積上發(fā)生10mm的凈降雨，防護(hù)區(qū)的163.78m高程下的調(diào)蓄水面就平均有4.0m深的滯蓄水。防護(hù)區(qū)枯水季節(jié)10年一遇一日設(shè)計(jì)暴雨不過45.4mm，產(chǎn)生的凈雨17.8mm。匯入防護(hù)區(qū)后若不及時(shí)進(jìn)行抽排，防護(hù)區(qū)的滯水水位將上升到169.52m，盆地最低處的淹沒水深超過了10m，約有8 000m2房屋和50hm2耕地受到淹沒。而在平原圩區(qū)發(fā)生45mm的降雨，它不會(huì)造成任何災(zāi)害。

4 可研階段泵站的排水量及水位

可行性研究階段，平陽壩防護(hù)工程泵站排水設(shè)計(jì)流量是根據(jù)除澇設(shè)計(jì)規(guī)范取重現(xiàn)期為5年，即枯水期5年一遇的24h最大暴雨，三天排至農(nóng)田不淹水位163.78m。泵站設(shè)計(jì)排水流量為7m3／s，裝機(jī)4×310kW。經(jīng)過調(diào)洪演算，5年一遇的24h最大暴雨排完時(shí)間為3.3天，防護(hù)區(qū)最高滯水位為163.38m。

平原圩區(qū)除澇設(shè)計(jì)中的不淹水位是指平常的不淹，在設(shè)計(jì)暴雨發(fā)生時(shí)是可以臨時(shí)淹沒的。它可以是正常蓄水位而不是臨時(shí)滯蓄水位。照此進(jìn)行設(shè)計(jì)的平陽壩防護(hù)工程，防護(hù)區(qū)163.78m至168.38m高程之間的農(nóng)田和居民房屋是會(huì)受到臨時(shí)淹沒的，其中163.78m處的農(nóng)田淹沒水深達(dá)到4.6m，防護(hù)工程并沒有達(dá)到防護(hù)目標(biāo)。究其原因，防護(hù)區(qū)的排水是根據(jù)平原圩區(qū)除澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照排水歷時(shí)的要求用平均排除法進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)的，它只考慮了農(nóng)作物的耐淹時(shí)間，而忽略了淹沒水深。平原圩區(qū)地形平坦，它的承雨面積也可能就是調(diào)蓄面積，100mm的降雨形成的水深不過幾十毫米，滯水位對(duì)農(nóng)作物淹沒影響不大。因而，平原圩區(qū)的排澇設(shè)計(jì)注重不淹水位而忽略臨時(shí)滯蓄水位和淹沒水深是可以的。但應(yīng)注意到，農(nóng)作物的耐淹時(shí)間是在一定的淹水深度內(nèi)，對(duì)農(nóng)作物不致引起明顯減產(chǎn)的允許淹水時(shí)間。水庫防護(hù)區(qū)是山區(qū)的河谷盆地，防護(hù)工程建成后它成為集雨面積上的“水袋子”，來水迅猛，水量集中，形成幾米甚至十幾米的淹沒水深，防護(hù)區(qū)的農(nóng)作物和群眾房屋遭受沒頂之災(zāi)。因此，水庫區(qū)防護(hù)工程只考慮農(nóng)田的耐淹時(shí)間是不夠的，還應(yīng)該足夠地考慮農(nóng)作物的耐淹水深和居民點(diǎn)的設(shè)防水位。對(duì)庫區(qū)防護(hù)工程來說，不淹水位卻是它的設(shè)計(jì)滯蓄水位。

5 庫區(qū)防護(hù)工程排水流量計(jì)算

庫區(qū)防護(hù)工程受地形條件控制，首先應(yīng)考慮防護(hù)對(duì)象的設(shè)防水位，其次才是耐淹時(shí)間，這就必須以防護(hù)區(qū)滯蓄水位作為控制條件來確定泵站排水設(shè)計(jì)流量。下面介紹以滯蓄水位作為控制條件來計(jì)算設(shè)計(jì)排水流量，其計(jì)算公式為：

式中，Q——泵站排水設(shè)計(jì)流量（m3／s）；W——t1～t2時(shí)間內(nèi)的入庫水量（m3）；V——防護(hù)區(qū)控制水位以下的調(diào)蓄庫容（m3）；t2——在入庫洪水消落過程中入庫流量等于泵站設(shè)計(jì)排水流量的相應(yīng)時(shí)刻（h）；t1——在入庫洪水上漲過程中入庫流量等于泵站設(shè)計(jì)排水流量的相應(yīng)時(shí)刻（h）。

從t1時(shí)刻起，入庫流量開始大于泵站的排水流量，防護(hù)區(qū)滯蓄水位升高，并在t2時(shí)刻達(dá)到防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)滯蓄水位。此后，入庫流量小于泵站的排水流量，防護(hù)區(qū)滯蓄水位開始回落。上述公式計(jì)算的是t1～t2時(shí)段內(nèi)水泵抽排的平均流量。實(shí)際上，t1～t2時(shí)段內(nèi)水泵的排水流量是變化的。t1時(shí)刻防護(hù)區(qū)滯蓄水位較低，水泵揚(yáng)程較高，水泵流量較小，必然小于平均流量。此后，隨著防護(hù)區(qū)庫水位的不斷上升，水泵揚(yáng)程逐漸變小，從接近平均揚(yáng)程到后來小于平均揚(yáng)程，水泵流量也在不斷變大，從接近平均流量到超過平均流量。在t2時(shí)刻水泵工作揚(yáng)程最小、流量最大。泵站在一次洪水抽排過程中，水泵平均揚(yáng)程下的流量與平均流量雖然是兩個(gè)概念，并且在數(shù)值上會(huì)存在差異，但水泵流量與揚(yáng)程關(guān)系曲線在其高效區(qū)多數(shù)近似為一條直線，所以兩者差異不大。我們用平均揚(yáng)程和平均流量作為水泵最佳工況點(diǎn)來選取水泵，當(dāng)防護(hù)區(qū)滯蓄水位較低，水泵工作揚(yáng)程高于平均揚(yáng)程，其排水流量小于平均流量。當(dāng)入庫流量大于泵站的排水流量開始發(fā)生后，防護(hù)區(qū)滯蓄水位不斷升高，水泵工作揚(yáng)程從逐步接近平均揚(yáng)程到后來小于平均揚(yáng)程，水泵排水流量也從逐步接近平均流量到后來大于平均流量。這與實(shí)際情況是吻合的。

計(jì)算步驟：①計(jì)算并繪制防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)洪水過程線；②繪制防護(hù)區(qū)水位容積曲線；③假定一系列排水流量，在來水過程線上截取滯水量，并根據(jù)滯水量在庫容曲線上讀取滯水位；④繪制排水流量與滯水位關(guān)系曲線；⑤根據(jù)防護(hù)區(qū)限制滯水位，在排水流量與滯水位關(guān)系曲線上讀取泵站排水設(shè)計(jì)流量。

庫區(qū)防護(hù)工程防的是水，難的也是水。難就難在水的來勢(shì)快，水量集中。目前的水庫淹沒處理設(shè)計(jì)規(guī)范是水庫區(qū)防護(hù)工程排水泵站都是按照平原圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，也都不同程度地存在類似問題。因此，水庫區(qū)防護(hù)工程的排水泵站一定要根據(jù)防護(hù)區(qū)地形特點(diǎn)和來水特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免防護(hù)區(qū)受到淹沒損失。