復(fù)雜河網(wǎng)大型排澇泵站運(yùn)行方案的優(yōu)化研究

張 浩，潘志軍，何 勇，章宏偉

（1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310019；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

復(fù)雜河網(wǎng)大型排澇泵站運(yùn)行方案的優(yōu)化研究

張 浩1，潘志軍1，何 勇1，章宏偉2

（1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310019；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

為獲得受通航和河道安全限制的大型排澇泵站最優(yōu)運(yùn)行方案，采用二維水力計(jì)算模型分析河（航）道安全運(yùn)行邊界流量，并采用漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與一維混合數(shù)值模型分析泵站遇20 a一遇降雨條件下的多種運(yùn)行方案排澇效果。結(jié)果表明，降低泵站控制起排水位的同時(shí)，采用多機(jī)組合排澇流量接近河道安全運(yùn)行邊界流量的運(yùn)行方案排澇效果最佳、河道和航運(yùn)安全影響最小。按上述方法建立排澇泵站不同降雨頻率和雨型的運(yùn)行方案庫，為防汛排澇決策提供技術(shù)支撐。

排水量；數(shù)值模型計(jì)算；優(yōu)化運(yùn)行；排澇泵站；復(fù)雜河網(wǎng)

1 問題的提出

能否制定合理的泵站運(yùn)行方案是直接關(guān)系到排澇效果是否顯著、河（航）道運(yùn)行是否安全、運(yùn)行成本高低的關(guān)鍵。目前,大型排澇泵站的運(yùn)行調(diào)度原則通常是根據(jù)內(nèi)河指定水位測(cè)站的水位確定所需的排澇流量，從而控制啟動(dòng)機(jī)組的數(shù)量，目的是盡可能地使每臺(tái)泵能在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，可以同時(shí)兼顧排澇效率和運(yùn)行成本。當(dāng)前大型軸流水泵廣泛應(yīng)用于城市排澇工程中，這種水泵往往具有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以避免水泵在揚(yáng)程高時(shí)進(jìn)入性能不穩(wěn)定區(qū)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、減小機(jī)組啟動(dòng)功率和防止運(yùn)行中的空化和過載、調(diào)節(jié)流量及安全停機(jī)斷流。另一方面，依托復(fù)雜河網(wǎng)作為排水來源的泵站，不僅受各排水片區(qū)、泵、閘、城市引水通道等工程相互影響外，還受航運(yùn)和河道兩岸防護(hù)結(jié)構(gòu)安全等限制條件影響。所以固定水位邊界的運(yùn)行方案，已然不適合技術(shù)日益先進(jìn)的排澇泵站，泵站運(yùn)行管理單位迫切需要更加細(xì)致和優(yōu)化的方案。

目前，針對(duì)大型泵站運(yùn)行優(yōu)化的研究較多，主要采用的優(yōu)化方法有線性規(guī)劃算法[1]、非線性規(guī)劃方法[2]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[3]、遺傳算法、粒子群等算法[4]，并取得了一些成果。但研究成果來自于大致相同技術(shù)路線，即假設(shè)給定抽水總量，通過調(diào)節(jié)單機(jī)葉片角度(或轉(zhuǎn)速)、多機(jī)聯(lián)合調(diào)度、調(diào)整運(yùn)行時(shí)段等手段，達(dá)到提高泵站效率，降低運(yùn)行能耗，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。這些優(yōu)化方案適用于灌溉、調(diào)水、城市供水和排污泵站的運(yùn)行，并得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于排澇泵站方面成果較少，袁丹青等[5]在已知澇水量或澇水位，建立排澇費(fèi)用最低的排澇策略的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化排澇泵站運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。但鮮見將降水量作為邊界條件，通過綜合考慮泵站節(jié)能、航運(yùn)和河道的安全等影響，以發(fā)揮排澇泵站最大排澇效果為目標(biāo)的運(yùn)行優(yōu)化方案的研究。

為了探索大型城市排澇泵站的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方案，本文的技術(shù)路線如下：通過二維水力計(jì)算模型分析確定河(航)道安全運(yùn)行的邊界流量，建立泵站單機(jī)多種運(yùn)行模型，采用漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合數(shù)值模型分析計(jì)算臺(tái)汛期20 a一遇流域降雨條件下不同運(yùn)行模型的排澇效果，以泵站排水量、降低最高水位值、高水位影響持續(xù)時(shí)間和影響通航持續(xù)時(shí)間4個(gè)指標(biāo)，比較泵站各運(yùn)行方案的優(yōu)劣性，最終選擇合理運(yùn)行方案。

2 排澇泵站工程概況

2015年5月，杭州市在京杭大運(yùn)河最南端三堡船閘西側(cè)建成杭州三堡排澇泵站，以京杭運(yùn)河為輸水干河，通過泵站把運(yùn)河水排向錢塘江，旨在提高杭州平原水系外排能力，緩解杭州區(qū)域和流域內(nèi)澇，同時(shí)減輕嘉興、湖州及太湖防洪壓力。該工程是以防洪、治澇為主,結(jié)合改善水環(huán)境等綜合利用效益的大(一)型水利樞紐工程，泵站設(shè)計(jì)排澇流量為200 m3/s，設(shè)4臺(tái)3560 ZXQ50 - 3.65機(jī)組，斜30°布置，裝機(jī)容量13.2 MW，水泵葉片可采用液壓全調(diào)節(jié)調(diào)整工作角度，范圍- 8.0° ～ 4.0°，工作揚(yáng)程0.00 ～ 5.51 m。設(shè)計(jì)引水流量30 m3/s，年引水量6.5億m3。泵站布置平行于三堡二線船閘西側(cè)，上下游引涵進(jìn)出水口與船閘引航道緊密結(jié)合，運(yùn)行期匯水河道依托現(xiàn)狀京杭大運(yùn)河。

泵站運(yùn)行調(diào)度原則按照城區(qū)拱宸橋水文站點(diǎn)河道水位分級(jí)控制開機(jī)臺(tái)數(shù)，單機(jī)按照恒定流量運(yùn)行。當(dāng)水位在2.00 ～2.40 m開1臺(tái)泵，排水流量50 m3/s，一旦該站水位上漲達(dá)到2.40 m時(shí)，河道停航，三堡船閘停止運(yùn)行；水位超過2.40 m后，排澇不再受航運(yùn)影響，即水位在2.40 ～ 2.60 m開2臺(tái)泵，排水流量100 m3/s；水位在2.60 ～ 3.20 m開3臺(tái)泵，排水流量150 m3/s；拱宸橋水位高于3.20 m時(shí)開4臺(tái)泵，排水流量200 m3/s。通過2015年汛期試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)原方案調(diào)度方式單一，不能充分發(fā)揮工程排澇效果。

3 河道運(yùn)行邊界分析

3.1 分析方法和原理

所謂河道安全運(yùn)行是指排澇時(shí)，航道中不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)如泡漩、亂流等影響通航安全的不良流態(tài)，同時(shí)也不能出現(xiàn)過高流速導(dǎo)致河道沖刷影響河道建筑物安全，分析可采用二維水力計(jì)算分析各種運(yùn)行工況和水位下的航(河)道流態(tài)，得到河道安全運(yùn)行邊界條件，在航道和河道安全性分析方面有較成熟的應(yīng)用[6]。

3.2 運(yùn)行邊界流量計(jì)算

（1）二維水力計(jì)算模型上邊界取拱宸橋水文站，下邊界取三堡船閘閘首，模擬計(jì)算河段長(zhǎng)度約13 km（見圖1）。對(duì)計(jì)算區(qū)域采用三角形劃分，最高分辨率為5 m，最低分辨率為15 m，共16 250個(gè)節(jié)點(diǎn)，29 656個(gè)三角形，泵站進(jìn)水口局部網(wǎng)格見圖2。實(shí)測(cè)河床高程數(shù)據(jù)線性插值方式插到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，河道糙率系數(shù)按照現(xiàn)狀取0.023 ～ 0.030。拱宸橋與三堡船閘之間河道兩側(cè)支流流量由杭嘉湖東部平原一維水利計(jì)算模型提供，并以點(diǎn)源形式放入二維水力計(jì)算模型。

圖1 河道二維水力模型計(jì)算區(qū)域圖

圖2 河道二維水力模型計(jì)算泵站進(jìn)水口網(wǎng)格圖

（2）當(dāng)水位較低時(shí)，泵站起排或預(yù)排澇水均需考慮航運(yùn)影響。泵站進(jìn)水口位于京杭大運(yùn)河杭州三堡二線船引航道，為V級(jí)航道，縱向流速，因流速引起的船舶轉(zhuǎn)彎半徑限制，船閘引航道口門、制動(dòng)段和停泊區(qū)、導(dǎo)航段和調(diào)順區(qū)對(duì)縱向流速、橫向流速、回流速度的限制滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn) 》和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（見表1）。

表1 V級(jí)航道船閘引航道最大流速限值表

（3）河道沖刷條件按照《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》沙玉清公式計(jì)算，基床多為砂質(zhì)(含砂)粉土、粉砂，泥沙粒徑d50= 0.035 ～ 0.149 mm，計(jì)算杭州河段基床泥沙啟動(dòng)流速0.60 ～0.65 m/s。

（4）計(jì)算水位1.60 ～ 2.20 m時(shí)流量50 ～ 150 m3/s，水位2.40 ～ 3.00 m時(shí)流量100 ～ 200 m3/s，水位3.20 ～ 3.80 m時(shí)流量200 ～ 300 m3/s，水位差0.20 m，流量差50 m3/s，共36種組合下河道流態(tài)，泵站進(jìn)水口附近水域典型流場(chǎng)見圖3。

圖3 水位2.40 m流量100 m3/s泵站進(jìn)水口附近水域流場(chǎng)圖

（5）結(jié)果表明河道安全運(yùn)行邊界流量取決河道基床泥沙啟動(dòng)流速和船閘引航道橫向流速限制條件，通過內(nèi)插計(jì)算得出不同水位安全過流量見表2。

表2 河道不同水位安全過流量表

4 泵站運(yùn)行方案優(yōu)化

4.1 單機(jī)運(yùn)行模型

對(duì)于具有葉片調(diào)節(jié)或變速調(diào)節(jié)功能的泵站，在滿足機(jī)組總功率和設(shè)備安全運(yùn)行的條件，分別建立恒定流量、恒定葉片工作角度、最優(yōu)效率、最優(yōu)流量運(yùn)行模型，建立流量與工作揚(yáng)程關(guān)系曲線。泵站單機(jī)運(yùn)行按照流量公式建立模型：

式中：Q為單機(jī)泵排澇流量(m3/s)；p為單機(jī)泵額定功率(W)；ρ0為水密度(kg/cm3)；g為重力加速度(m/s)；H為工作揚(yáng)程，進(jìn)出水池水位差(m)；ηp為泵站單機(jī)原型裝置效率；η1為除單機(jī)泵原型裝置效率損失外的其他損失系數(shù)；η2為葉片或轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)。

4.2 單機(jī)運(yùn)行流量

按照泵裝置原型綜合特性曲線擬定不同運(yùn)行模型流量公式，建立單機(jī)運(yùn)行流量與工作揚(yáng)程關(guān)系曲線見圖4。外江水位采用的外江流域20 a一遇洪水對(duì)應(yīng)4 d平均潮位5.86 m(較不利工況)計(jì)算，恒定流量、流量最優(yōu)2種運(yùn)行模型最大工作揚(yáng)程分別為4.86 ，4.76 m，恒定葉片工作角度-1.5°、效率最優(yōu)2種運(yùn)行模型最大工作揚(yáng)程均為5.51 m，滿足算例中泵站工作最大揚(yáng)程要求。

圖4 單機(jī)運(yùn)行流量與工作揚(yáng)程關(guān)系曲線圖

4.3 泵站運(yùn)行方案優(yōu)化

擬定6種泵站運(yùn)行方案，方案1為原設(shè)計(jì)起排水位按照單機(jī)恒定流量運(yùn)行；方案2根據(jù)2015年運(yùn)行期觀測(cè)情況，適當(dāng)降低泵站運(yùn)行起排水位，增加預(yù)排措施，當(dāng)水位在1.80 ～ 2.40 m開1臺(tái)泵， 2.40 ～ 2.60 m開2臺(tái)泵，2.60 ～ 2.70 m開3臺(tái)泵，高于2.70 m時(shí)開4臺(tái)泵，單機(jī)按恒定流量運(yùn)行；方案3至方案5泵站運(yùn)行起排水位同方案2，單機(jī)分別按照恒定- 1.5°葉片工作角度、效率最優(yōu)、流量最優(yōu)運(yùn)行；方案6按照表2河道安全過流量運(yùn)行。泵站各運(yùn)行方案排澇流量見表3。

表3 各方案排澇流量表

5 排澇效果分析

5.1 分析方法和原理

平原河網(wǎng)泵（閘）的規(guī)劃或運(yùn)行通常采用建立一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型分析防洪、排澇效果[7-8]。復(fù)雜平原河網(wǎng)水系采用漫垸網(wǎng)河平面準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維非恒定流混合模型[9]能較精確的對(duì)河道洪水演進(jìn)進(jìn)行定量分析計(jì)算，得出各種運(yùn)行模式下河道各特征斷面水位和流量的過程，分析泵站運(yùn)行方案的排澇效果。

漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合模型方程組：

式中：Z、Q、F、V和K分別表示某一時(shí)刻t及在某一空間位置S斷面的水位(m)、流量(m3/s)、相應(yīng)過水?dāng)嗝娣e(m2)、斷面平均流速(m/s)和流量模數(shù)；q為單位河長(zhǎng)旁側(cè)入流的流量(m3/s)。模型考慮了堰、閘、泵、阻水橋梁，以及區(qū)間水量交換、農(nóng)業(yè)保留區(qū)滯洪作用等。

5.2 模型概化和驗(yàn)證

（1）計(jì)算模型概化。泵站運(yùn)行方案計(jì)算范圍東至上海市惠高涇，南至錢塘江、杭州灣北岸，西至東苕溪，北至太湖和太浦河，計(jì)算面積7 426 km2。河網(wǎng)概化骨干排水河道529條，計(jì)算河道斷面3 000余個(gè)。排水河道之間的調(diào)蓄水域(包括毛細(xì)河道、湖泊)概化為湖泊，共計(jì)680個(gè)，見圖5。概化湖泊和排水河道之間采用河道或排水閘、堰形式連接；概化湖泊與湖泊之間采用河道或堰形式連接。

圖5 杭嘉湖東部平原水力計(jì)算模型概化圖

（2）模型邊界條件設(shè)定。選用了32個(gè)邊界，以反映計(jì)算區(qū)域與外域的水量交換情況。模型中考慮了2種邊界屬性，分別為水位邊界、流量邊界。

（3）模型驗(yàn)證。按2013年10月的“菲特”臺(tái)風(fēng)驗(yàn)證河道主要水位站點(diǎn)最高水位見表4，拱宸橋水文站點(diǎn)水位過程線見圖6，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，表明模型的概化和參數(shù)設(shè)置基本合理，可用于后續(xù)計(jì)算。

表4 “菲特”臺(tái)風(fēng)河道最高水位驗(yàn)證計(jì)算成果表

圖6 拱宸橋水文站點(diǎn)水位過程線圖

5.3 排澇效果分析

（1）計(jì)算排澇效果，采用排水量、降低最高水位值作為排澇效果分析指標(biāo)外，增加高水位影響持續(xù)時(shí)間、影響通航持續(xù)時(shí)間指標(biāo)，排澇效果對(duì)比分析見表5。高水位影響持續(xù)時(shí)間指河道水位超過運(yùn)河景區(qū)游步道水位(亦是排澇效果警戒水位)2.70 m持續(xù)時(shí)間，是防汛決策者和市民能夠直觀感受的時(shí)間；影響通航持續(xù)時(shí)間指河道水位超過斷航水位2.40 m持續(xù)時(shí)間，能直觀反映工程運(yùn)行對(duì)航運(yùn)效益的影響。

表5 排澇效果對(duì)比分析表

（2）方案1偏保守，與河道安全過流量還有較大差距，排澇效益未能充分發(fā)揮。

（3）增加預(yù)排措施后，方案2排澇效果明顯增加，增加排水量0.11億m3，降低高水位0.05 m，持續(xù)高水位時(shí)間和影響通航時(shí)間均縮短3 h；調(diào)整單機(jī)運(yùn)行模式后，方案5效益進(jìn)一步增加，增加排水量0.21億m3，降低高水位0.09 m，持續(xù)高水位時(shí)間縮短8 h，影響通航時(shí)間縮短5 h；方案3排水量介于方案2和方案5之間，持續(xù)高水位時(shí)間縮短5 h，影響通航時(shí)間縮短1 h；方案4排澇效果增加不明顯。

（4）方案5最優(yōu)，方案3次之，但方案2 ～ 4運(yùn)行水位超過2.70 m時(shí)、方案5運(yùn)行水位超過2.60 m對(duì)河道有一定沖刷。

（5）從典型方案拱宸橋水位過程線(見圖7)可以看出，無工程排澇措施時(shí)，河道從產(chǎn)流開始在第39.5 h達(dá)到警戒水位，上漲較快；啟動(dòng)工程排澇措施后，泵站按照方案1 ～5運(yùn)行，河道均在第40.0 ～ 41.0 h達(dá)到警戒水位，即使泵站按照河道安全過流量運(yùn)行，河道在第41.5 h達(dá)到警戒水位。表明泵站預(yù)排還有較大空間。

圖7 拱宸橋水位過程線圖

6 結(jié)論和建議

（1）排澇方案應(yīng)以排澇效果最佳為目標(biāo)，通過對(duì)比分析，運(yùn)行中通過多機(jī)多種運(yùn)行模式組合在水位1.80 ～ 2.60 m時(shí)增大泵站總排澇流量、超過2.60 m時(shí)減小泵站總排澇流量，使得總排澇流量接近河道安全過流量的運(yùn)行方案獲得的排水量最大，高水位持續(xù)時(shí)間、影響通航時(shí)間最短，排澇效果最好。河道常水位1.20 ～ 1.80 m起排水位間還有預(yù)排空間，可進(jìn)一步降低起排水位，獲得更大排澇效果。

（2）杭州三堡排澇泵站工程還兼有引水功能，引水和支流匯流期間對(duì)河道有一定淤積，河道采用啟動(dòng)流速作為安全邊界條件偏安全，可做進(jìn)一步?jīng)_淤量分析，更準(zhǔn)確分析河道分段安全過流量，結(jié)合支流匯水情況制定更靈活的運(yùn)行方案。

（3）采用二維水力計(jì)算模型分析河道安全運(yùn)行邊界流量，運(yùn)用漫垸網(wǎng)河準(zhǔn)二維與網(wǎng)河一維混合模型計(jì)算和分析排澇效果，建立不同降雨頻率和雨型最優(yōu)運(yùn)行方案，乃至超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急運(yùn)行方案，為防汛管理機(jī)構(gòu)在區(qū)域或流域防洪排澇決策中提供技術(shù)支撐，對(duì)復(fù)雜河網(wǎng)大型排澇泵站運(yùn)行方案優(yōu)化研究有借鑒意義。

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（責(zé)任編輯 姚小槐）

Study on the Operation Scheme Optimization of
Large Drainage Pump Station in Complex River Network

ZHANG Hao1，PAN Zhi - jun1，HE Yong1，ZHANG Hong - wei2
(1. The Construction & Management Offi ce of Hangzhou City South，Hangzhou 310019，Zhejiang，China；2. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy & Hydro - Electric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang，China)

In order to obtain the optimal operation scheme of large drainage pump station limited by shipping and river channel safety，two - dimensional hydraulic calculation model was applied to analyze theriver channel safe operation boundary fl ux，and the mixture numerical model of overland braided stream with quasi - two dimension and one dimension was utilized to study the drainage effect of various operation schemes in the heaviest rainfall in 20 years. As the result shows，the operation scheme in whichthe starting level for drainage of pump station is lower，multi -set combination is adopted，and the drainage fl ux is closed to theriver channel safe operation boundary fl ux，has the maximum total displacement and minimum infl uence on river channel and shipping safety.According to above method，scheme library of different operations for drainage station is established based on different rainfall frequency and pattern，thus to provide technical support for the solution of fl ood control and waterlogging.

displacement；numerical model calculation；optimized operation；drainage pump station；complex river network

TV131.4；TV675

A

1008 - 701X(2017)02 - 0028 - 06

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.008

2016-11-11

張 浩(1983 - )，男，工程師，碩士，主要從事水利工程建設(shè)管理好運(yùn)行管理工作。