淺析接力泵站在沿海平原排澇中的應(yīng)用

，，

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院 規(guī)劃分院, 杭州 310002)

1 研究背景

浙江省沿海平原受潮汐影響，在高潮頂托時需關(guān)閘蓄澇，在低潮開閘時河道流速依舊緩慢，河道過流嚴(yán)重不足。這是因為沿海平原地勢低平，上下游水力坡降極小，導(dǎo)致水流動力不足[1]。如杭嘉湖東部平原地面高程只有1.2～2.2 m，且腹地距離排水出口很遠(yuǎn)，如南排骨干河道長山河長65 km，排澇時水力坡降只有0.03‰；寧波平原的余姚城區(qū)距離甬江河口長達(dá)90 km，水力坡降只有0.03‰～0.04‰；臺州溫黃平原的東排河道洪家場浦、青龍浦和金清港河道長度均在20 km以上，行洪時水力坡降只有0.025‰～0.03‰。

為提高平原的排澇能力，生產(chǎn)實踐中常采用的工程措施有對主干河道進(jìn)行拓寬疏浚，以擴(kuò)大行洪斷面及提高河道過流能力。但河道拓浚措施效果非常有限，如杭嘉湖平原的長山河由河寬35～100 m拓浚至50～120 m，沿程河道水位只降低0.03～0.06 m；溫黃平原的青龍浦由河寬25～70 m拓浚至50～100 m，沿程河道水位只降低0.06～0.10 m。另一方面，由于拓浚河道路徑長，拓浚河道需要征用土地和拆遷的房屋量很大，如青龍浦由河寬25～70 m拓浚至50～100 m時，征用土地增加2 014畝(1畝≈666.67 m2)[2]。平原河道實施拓浚工程，征地多且投資大，而排澇效果有限，因此迫切需要轉(zhuǎn)變思路，提出新的治澇措施。

2 接力泵站治澇措施的應(yīng)用要點

針對平原河道流速緩、過流能力不足的問題，本文設(shè)想沿主干排水河道，從上游至下游，逐段設(shè)置泵站，下級泵站設(shè)計流量規(guī)模高于上級泵站。通過以電能換動能，以動能換勢能，逐級加快水流速度、增大水力坡降、提高河道及口門排水能力[3-6]。以下對接力泵站措施的適用范圍、布局和規(guī)模及水力計算的概化方式等問題逐一分析說明。

2.1 接力泵站的適用范圍

由于沿海平原受潮汐影響，且河網(wǎng)水系彼此互通，有的河網(wǎng)具有不同的排水出口，造成了河網(wǎng)水流的往復(fù)不定，這限制了接力泵站的應(yīng)用范圍?？紤]沿海平原的地形和排澇特點，將接力泵站的適用范圍總結(jié)如下。

2.1.1 匯水范圍相對封閉、排水方向相對單一的區(qū)域

平原河網(wǎng)水系四通八達(dá)，而接力泵站一般只能布置在一條或幾條主干排澇河道上。若排水范圍相對開放，排水路徑也有多個方向，則在主干河道上布置的接力泵站，可能導(dǎo)致平原腹地范圍內(nèi)的澇水轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致泵站排水效率低下。

圖1和圖2分別為單一匯水方向和2個匯水方向的接力泵站布置示意圖。

圖1 單一匯水方向的接力泵站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of relay pump station arrangement with single direction of catchment

圖2 2個匯水方向的接力泵站布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relay pump station arrangement with dual directions of catchment

圖1中1#閘站具有相對封閉的匯水區(qū)域和排水方向，在主干河道上布置接力泵站，會提高匯水速度和排水效率。

圖2中1#閘站在主干河道設(shè)置接力泵站后，匯水范圍明顯擴(kuò)大。這是因為，平原河道相互溝通，在主干河道布置較大流量的接力泵站，會將排往2#閘站的澇水轉(zhuǎn)移到1#閘站，不僅難以提高排水效率，而且會加重了1#閘站的排澇任務(wù)。

對于區(qū)域面積較大的平原，排水有多個方向，且仍然存在地勢低平、排水過緩的問題，需要對平原“分片節(jié)制”，然后分片采用接力泵站的方式?！胺制?jié)制”即對平原各個排水方向劃定排水范圍，以節(jié)制閘方式對其排水范圍實行封閉。如余姚姚江平原有北排、西排和東排3個排水方向，以節(jié)制閘對各排水范圍實施封閉，再對各片實施接力泵站工程。

綜上，匯水范圍相對封閉、排水方向相對單一的區(qū)域是使用接力泵站的一個前提條件。

2.1.2 平原河道自排條件下過流能力不足的區(qū)域

使用接力泵站的另一個前提條件是平原河道在自排條件下過流不足。2個前提條件均滿足時，可考慮實施接力泵站措施。河道過流不足包括2種情況：①河道過流斷面不夠大，拓浚難度很大；②河道過水?dāng)嗝孀銐虼?，但由于地勢低平，水力坡降太低?dǎo)致過流不足。

圖3 狹窄河道的接力泵站布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of relay pump stationlayout on narrow river

河道過流斷面不夠大，拓浚難度大的問題突出表現(xiàn)在城市中心區(qū)域。該區(qū)域河道本身狹窄，而河道兩岸往往城市建筑密集，部分還有文物保護(hù)單位，拆遷和補(bǔ)償難度均十分大，在此條件下，可考慮在狹窄河道末端建接力泵。接力泵通過泵站強(qiáng)排動力加快水流速度，故需對狹窄段的河岸沖刷加以護(hù)砌；同時下游的承泄區(qū)河道也應(yīng)保證足夠的過流能力，如圖3。

另一種情況，即河道過流斷面足夠，但由于水力坡降小，導(dǎo)致過流不足的問題突出表現(xiàn)在平原面積大、排水路徑長、地面低平的區(qū)域。平原腹地大，導(dǎo)致排水路徑長，水力坡降必然很小，導(dǎo)致水流動力不足；地面低平，導(dǎo)致河道水深不足，很容易漫溢到地面。在此情況下，考慮在主干河道設(shè)置接力泵站。主干河道應(yīng)根據(jù)路徑長短、匯水多少確定接力泵站的級數(shù)和位置。

綜上，必須在滿足以上2個前提條件下才可考慮應(yīng)用接力泵站的措施。

圖4 多級接力泵站布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi-stage relay pump station

2.2 接力泵站的布局和規(guī)模

(1)接力泵站必須與節(jié)制閘配套建設(shè)。一般泵站如口門泵站和圩區(qū)泵站，即其出水池水位是明顯高于進(jìn)水池水位的；而接力泵站是為了提高河道過流能力人為設(shè)置的提水泵站，為防止電排水量回流，必須設(shè)置節(jié)制閘。接力泵與節(jié)制閘配合運用，一般較小暴雨時，仍開閘自流；只有在遭遇較大暴雨洪水時，才會關(guān)閘開泵，以泵排代替自流。

(2)接力泵站應(yīng)結(jié)合路徑長短和匯水范圍布置。在區(qū)域排水距離較長、匯水范圍較大的平原考慮布置多級泵站。在只有單條主干排水河道的區(qū)域，多級泵站之間的距離和匯水范圍要考慮大致均等；在有多條平行主干排水河道的區(qū)域，主干河道均應(yīng)考慮布置接力泵站，形成匯水范圍大致均等的多級泵站群(圖4)。但“多級”并非是接力泵站的必要條件。事實上，多級接力泵站調(diào)度復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合地形布置，盡可能避免多級泵站布置。如在澇區(qū)腹地布置接力泵站，其承泄區(qū)如有山體丘陵，應(yīng)結(jié)合排澇隧洞或沿山高排渠布置，以盡可能減少對承泄區(qū)的影響。

(3)接力泵站的設(shè)計流量規(guī)模要合適。接力泵站的主要作用體現(xiàn)在較河道自流流量大且大流量過流時間長(圖5)。因此接力泵站的設(shè)計流量一般要求大于或接近于河道自流的洪峰流量；但接力泵站設(shè)計流量也不可過大，要考慮泵站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性及開機(jī)頻率，同時需要一定規(guī)模的河道配套。浙江省目前單個泵站的設(shè)計流量一般≤200 m3/s。

圖5 接力泵站與河道自排的流量過程示意圖Fig.5 Flow processes of relay pump station and channel’s self-draining

2.3 接力泵站的模型概化和方程

2.3.1 平原河網(wǎng)計算模型

沿海平原河網(wǎng)水流運動是典型的非恒定流，采用圣維南方程組描述,即：

(1)

(2)

式中：x為距離坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；B，A，R分別為河段斷面的河寬、過水面積、水力半徑；u為河道流速；q為河段的單寬旁側(cè)入流；Z，Q分別為所求的斷面水位和流量；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)。在實際計算中，一般以四點隱式差分格式將上述偏微分方程組離散為差分方程組，即：

(3)

(4)

式中：θ為差分系數(shù)； Δxj為差分空間步長；Δt為差分時間步長。

該差分方程組與河汊(河道交匯處)、閘汊(內(nèi)部及口門節(jié)制閘)平衡方程、邊界條件及初始條件聯(lián)立，構(gòu)成一個大型的非線性方程組，采用迭代法求解。

2.3.2 接力泵站的概化

在圣維南方程組中，是以2個斷面之間的河段列微分方程的，式(1)等式右邊的單寬流量即反映匯入河段的集中入流。對于泵站，可對其進(jìn)水池、出水池均以一微小河段概化，泵站的抽排流量以集中入流反映。概化模型可反映如抽排可能導(dǎo)致泵前短距離河道水位很低、抽排到下游的水量導(dǎo)致泵后短距離范圍水位壅高等實際情況。接力泵站的概化如圖6所示。

圖6 接力泵站的概化Fig.6 Generalization of relay pump station

圖6中，接力泵站在內(nèi)河中應(yīng)用，必須以節(jié)制閘分隔，以防止抽排水量回流。其中，泵前進(jìn)水池以第j-2內(nèi)河段模擬，其首末斷面編號分別為j-2，j-1；泵后出水池以第j內(nèi)河段模擬，其首末斷面編號分別為j，j+1。泵站抽排流量為qm。應(yīng)當(dāng)指出，為模擬實際狀況，用微小河段模擬的進(jìn)水池或出水池河長Δx≤50 m。

2.3.3 進(jìn)、出水池的差分方程

對于用微小河段模擬的進(jìn)、出水池運行方程，仍以四點隱式差分格式差分，對于進(jìn)水池，單寬抽排流量為

(5)

對于出水池，單寬匯入流量為

(6)

對于節(jié)制閘前后斷面的流量有

Qj=Qj-1=0 。

(7)

將式(5)、式(6)、式(7)代入式(3)、式(4)，則進(jìn)水池河段的差分方程為

(8)

出水池河段的差分方程為

(9)

3 應(yīng)用實例

以浙江省姚江流域的余姚市防洪排澇布局作為實例說明。

3.1 基本情況

余姚市位于浙江省東部，北瀕杭州灣、南屏四明山、西連上虞市、東接寧波市，為寧紹平原的中心。余姚市地勢南高北低，南部四明山山巒起伏，間有盆地、谷地；中部姚江平原，有孤山殘丘，點綴兩岸；北部為濱海沖積平原。

余姚平原排澇有2個方向，除姚西北區(qū)域通過臨海浦閘、陶家路閘北排入杭州灣外，絕大多數(shù)澇水通過姚江和姚江大閘流向甬江。姚江全長107 km，余姚境內(nèi)長75 km，原為潮汐河道，1959年在姚江河口上游3 km處截彎取直建成姚江閘后，姚江變成內(nèi)河。姚江屬平原河道，河床平坦，逶迤曲折，比降小，流速緩慢。余姚蘭墅橋以西至菁江渡河段，河道相對較平直，江面較窄，寬度為70～80 m；蘭墅橋以東，江面開闊，河道彎曲度相對較大，江面寬度一般在90～180 m之間，最寬處260 m左右。

余姚地形復(fù)雜，氣候多變，自然災(zāi)害頻繁，其中又以洪澇災(zāi)害為最。2013年第23號“菲特”強(qiáng)臺風(fēng)，姚江流域最大24 h雨量達(dá)到338.4 mm，最大3 d面雨量為441.7 mm。受強(qiáng)降雨影響，余姚站最高洪水位達(dá)到3.40 m，超歷史最高洪水位0.48 m。臺風(fēng)期間，余姚水位站超警戒水位1.90 m持續(xù)時間近8 d，超警戒水位3.00 m以上高水位持續(xù)時間近4 d。全市21個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道均出現(xiàn)災(zāi)情，有145個行政村(社區(qū))被圍，受災(zāi)人口83.3萬人。全市城鄉(xiāng)公路除5條運行外，其余94條全部停運。這次臺風(fēng)給余姚市帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)206億元。

3.2 洪澇災(zāi)害成因

(1)氣候原因。余姚市地處東南沿海，遭受臺風(fēng)及熱帶風(fēng)暴侵襲頻繁，是造成流域大洪水的主要成因。臺風(fēng)一般發(fā)生于7月底至10月初。自1961年至2013年的53 a間，姚江流域3 d平均雨量>200 mm的暴雨平均8 a一次，流域3 d平均雨量>150 mm的暴雨平均3 a一次，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，尤以2013年第23號“菲特”強(qiáng)臺風(fēng)最為嚴(yán)重。

(2)地形原因。余姚城區(qū)整體地形呈現(xiàn)“北高南低，西高東低”的特性。北部沿杭州灣一帶高地地面高程4.0～5.0 m；西部上虞市豐惠平原為4～6 m；中部余姚城區(qū)地勢較低，為2.5～2.8 m，城區(qū)周邊地面高程為2.8～3.5 m；東部姚江干流下游兩岸地勢最低，為1.8～2.0 m，形成一條狹長盆狀洼地，故余姚城區(qū)和姚江沿岸最易受洪澇災(zāi)害侵襲。

(3)排澇出路過流不足。目前余姚平原除姚西北區(qū)域北排杭州灣外，大部分要通過姚江大閘東排甬江。姚江向東經(jīng)蜀山大閘、姚江大閘、甬江至鎮(zhèn)海長度104 km，排水線路長，同時行洪排澇受奉化江、甬江洪潮水頂托，致使向東排能力受限，延長了受淹時間，加重了余姚受澇程度。

3.3 治理思路

針對余姚城區(qū)現(xiàn)有的“鍋底”地形及排水出路不暢的現(xiàn)實條件，提出“分片節(jié)制、接力強(qiáng)排”的治澇思路。

“分片節(jié)制”即確定東排、北排和西排3個排水方向，各方向排水范圍以節(jié)制閘分隔。余姚市分片接力泵站布置如圖7所示，“北排”范圍為沿長泠江及斗門閘、瑤街弄閘、賀墅橋節(jié)制閘以北區(qū)域(含四明湖水庫下游區(qū)域)，排水方向為北排杭州灣，排水范圍579 km2；“西排”范圍為通明閘以西至曹娥江區(qū)域，減少豐惠平原東排姚江的水量，排水范圍133 km2；“東排”范圍為長泠江及斗門閘、瑤街弄閘、賀墅橋節(jié)制閘以東的余姚區(qū)域，排水方向為東排甬江，排水范圍1 132 km2。

圖7 余姚市分片接力泵站布置Fig.7 Layout of the relay pump stations in Yuyao

分片“接力強(qiáng)排”的布置方式具體如下：

(1)北排接力泵站。余姚市擴(kuò)大北排主要為盡可能增加姚江干流洪水北排，減輕余姚城區(qū)的防洪壓力，因此其一級泵站沿姚江干流及余姚城區(qū)布置，主要在樂安湖、西橫河閘設(shè)置一級泵站，泵站規(guī)模分別為120 m3/s 和30 m3/s，北排一級泵站總設(shè)計流量為150 m3/s；二級泵站主要考慮北排地勢及增加排水動力，分別在北排一通道、二通道設(shè)置二級接力泵站，其中北排一通道河寬30～100 m，在小胡頭堰設(shè)置二級泵站，設(shè)計流量為30 m3/s；北排二通道河寬60～120 m，在泗門設(shè)置二級泵站，設(shè)計流量為200 m3/s；二級接力泵站總設(shè)計流量230 m3/s；三級泵站主要沿杭州灣布置，主要解決頂潮期澇水外排，分別在陶家路新閘設(shè)置三級泵站200 m3/s，在出口愛國江閘設(shè)置三級泵站50 m3/s，三級接力泵站總設(shè)計流量250 m3/s。

(2)東排接力泵站。由于姚江東排的線路長，水力坡降小，兩岸房屋密集，拓寬難度大，故考慮新開慈江—沿山大河排水通道，新開河長34.15 km，河寬50～120 m，以澥浦閘排入外海。由于慈江—沿山大河排水通道同樣存在路線長、水力坡降小的問題，故考慮在慈江大閘、化子閘和澥浦閘設(shè)置三級泵站，設(shè)計流量分別為100，150，250 m3/s。

(3)西排接力泵站。上虞境內(nèi)豐惠平原通明閘上約有133 km2的澇水東排至余姚，為減少豐惠平原澇水東排姚江的水量，同時解決豐惠平原自身的防洪排澇問題，新建梁湖強(qiáng)排泵站跨流域排入曹娥江，泵站規(guī)模為165 m3/s。

3.4 排水效果

余姚平原在實施分片節(jié)制和接力泵站工程后，工程實施前后的最高水位、高水位淹沒時間和外排水量分別見表1、表2和表3,其中P為洪水頻率。

表1 工程實施前后平原最高水位對比 (P=5%)Table 1 Comparison of the highest water levelbefore and after the project (flood frequency P=5%)

表2 工程前后平原淹沒時間對比(P=5%) Table 2 Comparison of flooded durationbefore and after the project (flood frequency P=5%)

表3 工程前后平原外排水量對比(P=5%) Table 3 Comparison of external drainage of the plainbefore and after the project (flood frequency P=5%)

由表1—表3看出，實施分片接力泵站工程后，余姚平原外排水量增加了1.3億m3，其中北排和西排接力泵站占新增水量的絕大部分；余姚平原水位降低0.20～0.30 m，高水位淹沒時間減少20～66 h，位于河谷洼地的余姚城區(qū)高水位淹沒時間減少幅度最大，達(dá)60 h以上。本實例說明實施“分片節(jié)制”、“接力強(qiáng)排”的工程措施，對于排水距離遠(yuǎn)、水力坡降不足的低洼平原具有非常顯著的排澇效果。

4 結(jié) 論

(1)沿海平原地勢低平，流速過緩，采用常規(guī)的拓浚河道的措施排澇效果有限，而征地、拆遷和投資的代價很大；采用接力泵站強(qiáng)排，排水效果顯著，節(jié)約土地和投資，是一種有效的新型治澇措施。

(2)接力泵站的布置應(yīng)限定于匯水范圍相對封閉、排水方向單一且河道過流不足的區(qū)域。對于區(qū)域面積較大的平原，排水有多個方向，且仍然存在地勢低平，排水過緩的問題，則可采用“化整為零”的方法，分成多個獨立排水區(qū)，然后應(yīng)用接力泵站措施，即所謂 “分片節(jié)制，接力強(qiáng)排”的治澇思路。

(3)接力泵站必須與節(jié)制閘配套建設(shè)，一般只有在遭遇較大暴雨洪水時，才會關(guān)閘開泵，以泵排代替自流；接力泵站的分級和布置應(yīng)考慮排水路徑的長短、匯水范圍的大小以及地形等因素，盡可能避免復(fù)雜調(diào)度對承泄區(qū)的影響；泵站的設(shè)計流量規(guī)模要適當(dāng)，要求大于河道自流的洪峰流量。

(4)接力泵站的進(jìn)水池、出水池均以一微小河段概化，泵站的抽排流量在微段中以集中入流方式反映。如此概化可反映抽排可能導(dǎo)致泵前短距離河道水位很低、抽排到下游的水量導(dǎo)致泵后短距離范圍水位壅高等實際情況。

(5)對于“分片節(jié)制，接力強(qiáng)排”的治澇思路，有時可能會涉及行政區(qū)交界協(xié)調(diào)、內(nèi)河通航及多級泵站的調(diào)度等問題，需進(jìn)一步深入研究應(yīng)對措施。