基于一維水動力模型的天津市海河口泵站規模論證研究

李濤濤，王 維，王 南

（天津市水利勘測設計院，天津 300204）

1 海河口泵站建設必要性分析

海河是天津市19 條行洪河道中唯一一條穿越中心城區及濱海新區入海的河道，包括屈家店閘以下的北運河段長15.15 km、西河閘以下的子牙河（即西河）段長16.54 km、子北匯流口以下至海河防潮閘間的海河干流段長73.45 km。三閘間河道總長105.14 km，是以行洪為主兼顧排澇、蓄水供水、航運、旅游等綜合利用的河道。海河共承擔天津市約2/3中心城區面積、環城四區及濱海新區等重要區域的排澇任務，且絕大部分控制范圍為城市化區域，澇水入流量很大，現狀澇水入流量累計516.7 m3/s，規劃情況下總入流量累計914.0 m3/s。

現狀海河入海口僅建有防潮閘趕潮排水，受高潮位頂托影響澇水下泄不暢，連鎖制約聯通二級河道澇水不能順暢下泄，從而形成內澇，嚴重威脅到海河排澇區的排水安全。2012年“7·25”特大降雨，中心城區平均降雨160 mm，造成52處76.14 km2積水，其中28處60.57 km2積水30 cm以上，海河景觀平臺和沿河張自忠路等下沉路長時間被淹，東麗、津南區澇水被禁止進入海河干流，津河、月牙河發生漫溢險情，沿線交通受阻。現狀情況下，如中心城區發生24 h200 mm強降雨，即使環城四區限制澇水進入海河，預測中心城區仍將有38 km2積水50 cm以上，海河景觀平臺和兩岸下沉路仍會長時間被淹，二級河道漫溢現象嚴重。

為減輕海河兩岸排水壓力、改善河口排水條件、解決環城四區排水受限問題、提升海河治澇區內中心城區和環城四區以及濱海新區等重要區域的排水能力，新建海河口泵站工程是非常必要和迫切的。建設海河口泵站后，在強降雨期間，如遇海潮頂托，可利用泵站強排，改變雨洪水難以外排入海的尷尬局面，有效減少中心城區內澇時間，降低淹泡損失和社會影響。

2 海河澇水安排

由于海河沿線均為建成區，澇水通過市政泵站進入二級河道后進入海河或直接排入海河，根據天津市政府2011年批復的《天津市排澇總體規劃（2011—2020年）》和《天津市排水專項規劃修編（2013—2020年）》，海河控制排澇雨水包括四部分：①中心城區北運河、子牙河、南運河、海河干流4 個雨水分區的雨水；②中心城區津河、衛津河、月牙河、外環河、護倉河等二級河道轉輸的雨水；③東麗區、津南區海河干流沿岸的雨水；④濱海新區塘沽部分地區的雨水。

根據《天津市排澇總體規劃（2011—2020年）》，所有城區內澇防治標準均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設計標準。根據最新完成的《天津市排水專項規劃修編（2013—2020年）》，中心城區（含規劃北部新區）范圍內澇防治標準采用50年一遇最大24 h暴雨1 d排除設計標準，外環線以外的環城四區等其他范圍采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設計標準。

綜合考慮到海河排水分區基本上為建城區和規劃城區且控制范圍較大、全部范圍內同時發生高重現期暴雨的幾率并不大，故沿線內澇防治標準均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設計標準。規劃情況下海河設計澇水流量，見表1。

根據表1 可知，規劃情況下海河設計排澇總入流量累計914.0 m3/s。海河各河段入流量，見表2。

表1 規劃情況下海河設計澇水流量

續表1 規劃情況下海河設計澇水流量

表2 海河各河段入流量

3 基于一維水動力模型的海河口泵站規模論證

3.1 一維水動力學模型構建

3.1.1 計算原理

（1）基本方程，采用一維非恒定流基本方程——圣維南方程組：

連續方程為：

動量方程為：

式中：X 為距離（m）；t 為時間（s）；A 為過水面積（m2）；Q為斷面流量(m3/s)；Z為水位（m）；α為動量修正系數；K 為流量模數；ql為旁側入流（m2/s），入流為正，出流為負；νx為入流沿水流方向的速度（m/s），若旁側入流垂直于主流，則νx=0。

在水流運動模擬計算中，采用流量和水位作為變量比較方便，利用Preissmann 加權四點隱式差分格式進行數值離散，采用追趕法進行求解。

（2）邊界條件設定。在進行水力學計算時，上游邊界條件一般采用流量過程或水位過程，下游邊界條件一般采用水位流量關系。明渠水力學計算中采用的外部邊界條件可以以3 種形式給出。水位邊界條件，即在邊界明渠上給定水位隨時間的變化過程為：

流量邊界條件，即在邊界明渠上給定流量隨時間的變化過程為：

水位流量關系為：

根據這3 種類型的明渠邊界條件，對任一河段采用雙消元法形成首末斷面與首末斷面水位的線性函數式，進而計算追趕系數，形成節點水位的方程組，采用迭代算法可得各計算時段沿程各計算斷面的水位和流量。

3.1.2 模型構建

模型計算涉及北運河、子牙河、海河干流及海河閘下4 km 河口段。計算范圍為北運河屈家店閘下—子北匯流口，子牙河西河閘下—子北匯流口，海河干流子北匯流口—海河防潮閘以及防潮閘下4 km長河口段。

（1）河道糙率。在《天津市海河干流治理可行性研究報告》中，對海河干流河道糙率進行了推算與分析，計算范圍內河道糙率基本上為0.025，僅子牙河西橫堤—子北匯流口段和海河干流子北匯流口—支航碼頭段采用0.03。本次分析考慮近些年河道斷面等情況均沒有較大變化，糙率值與原可研報告一致。

（2）輸入斷面。北運河、子牙河及海河干流全部采用2009年實測的斷面資料，斷面間距約1 km；擬建站址前泵站引河斷面采用設計橫斷面，斷面間距0.5 km。

（3）上邊界條件。上邊界采用流量邊界，本次澇水計算將沿線泵站20年一遇規劃入流量概化為各個集中點入流。

（4）下邊界條件。下邊界條件采用潮位邊界，取《天津市海河干流治理可行性研究報告》中選擇的六米站1972年典型潮型為設計潮型，同時選擇1992年9月1日大潮潮型來復核海河干流排澇安全。

3.2 計算方案研究

本次設計對海河規劃排澇情況進行模擬計算，整個排水區同時入流24 h。

下邊界條件考慮海河防潮閘和新建海河口泵站同時控制，即閘上水位高于潮位則開閘泄洪，閘上水位低于潮位則閉閘擋潮同時開啟泵站。

3.2.1 計算方案

為充分利用河道的調蓄功能，綜合考慮河底高程、河道內水深、景觀要求、河道調蓄能力大小等因素，擬定初始河道騰空至-0.5 和0.0 m 2 種情況，并與擬定泵站規模分別進行組合，初步擬定了5 個泵站規模分別為200、250、300、350、400 m3/s，初擬方案見表3。

表3 初擬方案

3.2.2 成果分析

計算結果分析，見表4。

表4 計算結果分析

根據上述方案計算及結果分析，可以得出以下結論：①各方案海河二道閘以上設計水位均超過2 m親水平臺但低于3 m，均不能保證設計澇水情況下市區親水平臺不淹泡，僅淹泡時間長短不同，相同騰空水位時差別在2～10 h；②閘站聯合運用情況下，各方案把海河子北匯流口處水位降至1 m以下以迎接下一次降雨的時間基本上都超過40 h，且差別不大；③當泵站規模大于250 m3/s時，海河防潮閘過流量占總過流量的比例均低于50%。

綜合考慮以上分析的各項因素，為充分發揮河道調蓄作用以及防潮閘趕潮排水的效率、減少泵站運行時間及費用和滿足一定的景觀要求，同時考慮避免水位驟降過大對堤防護岸的不利影響，按海河防潮閘過流量占總過流量比例不低于50%分析，確定河道提前騰空的合理最低水位為0.0 m、河口泵站合理規模應介于200～250 m3/s。

泵站規模在200～250 m3/s時，20年一遇澇水計算的各項控制指標差異并不明顯，20年一遇設計標準澇水時，海河口泵站規模應以保障排澇安全為首要的控制運用條件；與20年一遇澇水相比，中小澇水具有發生機率高、排澇壓力較小等特點，應在滿足排澇要求的前提下，兼顧一定的交通與景觀要求。本次海河口泵站最終規模按照發生5年一遇及以下的中小澇水時沿河下沉路不淹泡，交通不受影響（即子北匯流口以下水位不超過2 m），河道保持一定的景觀水位（正常蓄水位以下0.5 m即汛期蓄水位1.0 m）等控制運用條件來分析確定。經計算，當發生5年一遇設計澇水、河道騰空水位為1.0 m 時，只有當海河口泵站規模大于或等于230 m3/s，海河子北匯流口以下設計水位才能低于2.0 m，從而滿足以上控制要求。

綜合以上分析，當海河口泵站規模為230 m3/s時，能充分發揮河道的調蓄能力和海河防潮閘的泄流能力，減少親水平臺及下沉路淹泡時間，解決東麗、津南兩區海河干流排水受限的問題，有效緩解海河干流20年一遇澇水的排澇壓力；當發生5年一遇及其以下的中小澇水時，在保障沿線排澇安全的前提下，還能保證沿河下沉路不淹泡、交通不受影響、河道能滿足一定的景觀水位要求。因此，海河口泵站規模最終確定為230 m3/s。

4 結語

（1）運用一維水動力學模型，結合天津市海河排澇、景觀、交通、航運等實際需求，確定海河口泵站規模為230 m3/s。作為北方地區排澇規模最大的泵站，海河口泵站的建設能夠很好地解決長期以來天津市中心城區、環城四區及濱海新區受澇嚴重問題，也可以有效緩解海河行洪壓力。

（2）目前，由于部分地區市政管網和泵站建設還不完善，很多澇水不能及時進入海河，一定程度上影響了海河口泵站最大功能的發揮，未來市政管網配套完善后海河口泵站將發揮有效作用，天津市中心城區、環城四區及濱海新區排水壓力將有效緩解。

（3）海河口泵站的運用需跟海河防潮閘、海河二道閘、耳閘等聯合運用，為了使其經濟、高效運用，下一步應對海河閘站聯合調度進行深入研究。