平原河網(wǎng)區(qū)城市排澇泵站設(shè)計(jì)流量研究

劉照群，熊 曦，萬 偉

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430070）

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理和水系

黃州區(qū)隸屬于湖北省黃岡市，長(zhǎng)江中游北岸，湖北省東部，黃岡市西南部，東臨巴水（滸子口至巴河口），西南濱長(zhǎng)江。黃州區(qū)內(nèi)部水系屬于長(zhǎng)河下排區(qū)。長(zhǎng)河為巴水支流，源于團(tuán)風(fēng)縣淋山河馮家墩村，經(jīng)橫堤閘進(jìn)入黃州區(qū)，再經(jīng)土司港閘入巴水。長(zhǎng)河流域以羅家溝橫堤為界將分為長(zhǎng)河上排區(qū)和長(zhǎng)河下排區(qū)，其中長(zhǎng)河上排區(qū)集水面積175km2， 下排區(qū)為黃州區(qū)境內(nèi)，集水面積299.9km2，上、下兩排區(qū)為各自獨(dú)立的排澇分區(qū)。

1.2 現(xiàn)有排澇工程

現(xiàn)狀情況下黃州區(qū)內(nèi)現(xiàn)有排水閘3座分別為土司港閘、磨盤咀節(jié)制閘和黃州閘；排澇泵站5座分別為白潭湖泵站、東湖泵站、黃州泵站、南湖泵站、萬福泵站。上述實(shí)行聯(lián)合運(yùn)用，由黃州區(qū)防汛指揮部統(tǒng)一調(diào)度， 共同承擔(dān)著長(zhǎng)河下排區(qū)的排澇任務(wù)和黃岡市城市防洪任務(wù)。

2 模型建立

2.1 計(jì)算原理

本次采用HEC-RAS模型建立一維水動(dòng)力模型，該軟件以求解一維河網(wǎng)恒定流基本方程為理論基礎(chǔ)。

河網(wǎng)非恒定流基本方程如下：

式中 Z為河道水位（m）；Q為河道流量（m3/s）；q＇為單位河長(zhǎng)的側(cè)向入流流量 （m3/（s·m））；B、b為總河寬、主槽河寬（m）；A為河道過流面積（m2）；x為河長(zhǎng)（m）；t為時(shí)長(zhǎng)（s）；g為重力加速度（m/s2）；u為主槽流速（m/s）；C為謝才系數(shù)（m1/2/s）；R為水力半徑（m）；e為流速水頭修正系數(shù)， 對(duì)于比較順直的河段取e=1，否則取e<1。

模型計(jì)算采用有限差分方法對(duì)非恒定流偏微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解， 將各單一河道劃分為若干個(gè)計(jì)算斷面， 然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件輔以邊界條件形成封閉的各節(jié)點(diǎn)水位方程， 求解此方程組得到各節(jié)點(diǎn)水位，再將各節(jié)點(diǎn)水位回代到單一河道方程，最終得到各單一河道各斷面。

2.2 河網(wǎng)水系概化

2.2.1 排澇分區(qū)

根據(jù)《黃岡市城東新區(qū)環(huán)白潭湖地區(qū)水系整治規(guī)劃》、水系分布和工程體系，將區(qū)域排澇情況，分為4大排澇區(qū)，如圖1。

圖1 排澇分區(qū)

2.2.2 河網(wǎng)概化

由于萬福泵站所在的長(zhǎng)溝—赤壁港片， 可獨(dú)立排澇， 本次將萬福泵站所在的長(zhǎng)溝—赤壁港片不納入模型計(jì)算中。 區(qū)域內(nèi)蓄澇容積主要為湖泊容積，內(nèi)有白潭湖等10個(gè)湖泊。為簡(jiǎn)化處理，將余家潭、小汊湖等并入蔡家潭，將駝家湖并入白潭湖，將青磚湖并入遺愛湖，現(xiàn)狀趙家潭已發(fā)展為精養(yǎng)魚池， 不納入模型計(jì)算。 長(zhǎng)河下排區(qū)河網(wǎng)水力學(xué)概化模型如圖2。

圖2 區(qū)域河網(wǎng)水系概化示意圖

2.3 輸入條件

2.3.1 分區(qū)入流

黃州區(qū)現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。 黃州區(qū)位于長(zhǎng)河下排區(qū)，幾乎全部為平原湖區(qū)，排區(qū)內(nèi)有大量湖泊調(diào)蓄， 對(duì)于有大面積湖泊調(diào)蓄的排區(qū)的設(shè)計(jì)排澇歷時(shí)按照排湖歷時(shí)確定。 通過對(duì)2016年和2020年水位回落過程分析，擬定區(qū)域排澇歷時(shí)為暴雨15日排完。

根據(jù)黃州區(qū)境內(nèi)羅家溝雨量站、 長(zhǎng)孫堤雨量站和馬家潭水文站1963—2019年共57年實(shí)測(cè)暴雨系列，按照泰森多邊形法計(jì)算排區(qū)的設(shè)計(jì)面暴雨。根據(jù)現(xiàn)狀地類情況，按徑流系數(shù)法，采用不同的徑流系數(shù)分區(qū)計(jì)算單元20年一遇的入流過程， 分區(qū)流量過程作為輸入條件。

2.3.2 河道斷面及湖泊容積曲線

根據(jù)收集的實(shí)測(cè)斷面，河道共136個(gè)橫斷面，平均斷面間距50m。 為了達(dá)到計(jì)算精度的要求，在特定地點(diǎn)，如河流交匯處加密斷面數(shù)據(jù)，以作控制。

2.4 邊界條件

2.4.1 起調(diào)水位

根據(jù)《黃州區(qū)防汛抗旱調(diào)度方案》，本次計(jì)算中，遺愛湖、黃婆汊起調(diào)水位按17.13m計(jì)算，白潭湖及長(zhǎng)河起調(diào)水位按16.63m 計(jì)算， 蔡家潭起調(diào)水位按16.83m計(jì)算。

2.4.2 控制水位

根據(jù)調(diào)查， 環(huán)白潭湖地區(qū)規(guī)劃道路中心線標(biāo)高不低于19.0m。 但本次為更精確地確定排澇控制水位，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，綜合考慮現(xiàn)狀地面標(biāo)高、道路設(shè)計(jì)要求，防洪排澇、雨水排放等要求，從減少土方量的角度出發(fā)， 實(shí)際地塊場(chǎng)地標(biāo)高是按不低于18.8m控制的。 同時(shí)， 根據(jù)豎向排水規(guī)劃及黃州區(qū)1∶10000地形圖、本次測(cè)量長(zhǎng)河兩岸1∶2000帶狀地形圖，長(zhǎng)河土司港至南湖橋段、 南湖周邊兩岸魚塘基本吹填，場(chǎng)坪高程最低處僅18.8m。本次湖泊控制最高澇水位按地面產(chǎn)流順利匯入湖泊及港渠不受頂托為控制，綜合考慮，確定白潭湖、遺愛湖20年一遇最高蓄澇水位為18.0m； 黃婆汊和蔡家潭周邊尚未建成或規(guī)劃環(huán)湖路，周邊農(nóng)田和村莊分布高程均在19.5m以上，綜合考慮，為地面匯流能更順暢，黃婆汊和蔡家潭20年一遇最高澇水位為18.5m。 長(zhǎng)河沿程澇水位按各湖泊能自流匯入控制，自下至少最高澇水位18.0～18.3m。

3 模型率定

影響河道水面線精度的參數(shù)有收縮擴(kuò)散系數(shù)和河道糙率， 其中河道糙率的取值對(duì)水面線結(jié)果的影響非常大。 根據(jù)河道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研， 初步擬定河道糙率0.25～0.35，為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和參數(shù)的率定，需要根據(jù)實(shí)測(cè)水位和模型模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合。 本次選取典型的2020年實(shí)測(cè)區(qū)域內(nèi)白潭湖片區(qū)水位過程和模型模擬過程進(jìn)行對(duì)比分析。

2020年汛期， 長(zhǎng)河下排區(qū)內(nèi)持續(xù)強(qiáng)降雨， 時(shí)間長(zhǎng)、雨量大，區(qū)域內(nèi)河、湖、港水位普遍上漲，白潭湖、長(zhǎng)河、赤壁港、中溝等水系出現(xiàn)滿溢倒灌，導(dǎo)致城區(qū)，特別是白潭湖片區(qū)、南湖工業(yè)園、黃岡產(chǎn)業(yè)園出現(xiàn)大面積積水，黃岡師范低洼地帶平均積水0.8m，最深處達(dá)1.5m。 長(zhǎng)河最高水位達(dá)19.92m， 超歷史最高水位0.04m。

利用2020年實(shí)測(cè)降雨過程及徑流系數(shù)法還原各分區(qū)徑流過程（經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，2020年汛期長(zhǎng)河下排區(qū)最大15d暴雨接近20年一遇設(shè)計(jì)暴雨，最大5d暴雨接近50年一遇）。 經(jīng)計(jì)算得到長(zhǎng)河水位過程如圖3。

圖3 2020年長(zhǎng)河水位過程線

由圖可知，計(jì)算結(jié)果中長(zhǎng)河最高水位19.84m，與實(shí)際最高水位19.92相差不大；漲水過程實(shí)測(cè)與模擬過程幾乎一致，只是水位略高，主要是實(shí)際操作時(shí)由于前期泵站是逐臺(tái)開啟，前期排水能力不足，而計(jì)算結(jié)果是根據(jù)洪水大小和泵站能力計(jì)算理論開機(jī)，所以前期水位低； 水位回落過程實(shí)測(cè)水位明顯高出較多，同樣是受人為調(diào)度影響，提前關(guān)機(jī)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)水位消落時(shí)實(shí)測(cè)過程相對(duì)較緩。總體而言，實(shí)測(cè)過程與模擬計(jì)算過程大致相同，最高水位基本相當(dāng)，由此可知模型及參數(shù)基本合理。

4 計(jì)算結(jié)果

本次初步擬定土司港泵站設(shè)計(jì)流量85，110，130m3/s，通過HEC-RAS模型計(jì)算，計(jì)算結(jié)果，當(dāng)土司港泵站設(shè)計(jì)流量為85m3/s時(shí)，白潭湖和長(zhǎng)河20年一遇最高水位分別為18.22m及18.42m； 當(dāng)土司港泵站設(shè)計(jì)流量為110m3/s時(shí)， 白潭湖和長(zhǎng)河20年一遇最高水位分別為17.97m及18.35m；泵站設(shè)計(jì)流量為130mm3/s時(shí)， 白潭湖和長(zhǎng)河20年一遇最高控制水位分別為17.89m及18.20m， 可控制最高水位不超過最高蓄澇水位， 滿足長(zhǎng)河下排區(qū)20年一遇治澇標(biāo)準(zhǔn)。 為更合理、科學(xué)的確定土司港泵站設(shè)計(jì)流量，還需要進(jìn)一步從工程投資費(fèi)用、工程影響、綜合利用效益等方面，綜合確定設(shè)計(jì)流量。

5 結(jié)語

（1）通過HEC-RAS軟件建立黃州區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力模型，擬定泵站不同的設(shè)計(jì)流量方案，通過模型計(jì)算，可得到20年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)下的分區(qū)最高控制水位， 根據(jù)水位控制可確定新建排水泵站的設(shè)計(jì)流量。

（2）通過HEC-RAS軟件建立一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，同時(shí)考慮了湖泊調(diào)蓄和調(diào)度原則，通過最高蓄澇水位的控制，確定新建泵站的設(shè)計(jì)流量，為平原河網(wǎng)地區(qū)城市排澇泵站設(shè)計(jì)流量的確定提供了一種手段和工具。 在實(shí)際過程中，應(yīng)該將平均排除法和HEC-RAS軟件建立的水文水動(dòng)力模型法結(jié)合運(yùn)用，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，科學(xué)合理確定排澇泵站設(shè)計(jì)流量，為解決城市排水問題提供科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、可行的技術(shù)方案。