泵閘聯(lián)動下的防汛泵站優(yōu)化運(yùn)行研究

張琦

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

泵閘聯(lián)動下的防汛泵站優(yōu)化運(yùn)行研究

張琦

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

通過總結(jié)上海市楊浦區(qū)三條主干河道在防汛排澇中遇到的問題和挑戰(zhàn)，總結(jié)出泵閘聯(lián)動的五大原則，并提出在應(yīng)急防汛排水過程中，將沿河防汛泵站進(jìn)行分級開泵。在保證河道安全的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮市政防汛設(shè)施的排水功效，保障市區(qū)安全度汛。

泵閘聯(lián)動；應(yīng)急調(diào)度；防汛泵站

0　引　言

水閘是河道上常見的水利設(shè)施，可用于控制水位、調(diào)節(jié)流量，或是防止潮水倒灌；泵站是城市排水系統(tǒng)的核心靈魂，它為整個排水系統(tǒng)提供了動力，最大程度上保障城市水運(yùn)行的安全。在諸如上海這樣河道密集的城市里，泵站和水閘都對城市防汛起著舉足輕重的作用。每年汛期，當(dāng)風(fēng)、雨、潮陸續(xù)襲來，泵站將集中后的涇流洪峰打入河道，避免城市陷入內(nèi)澇災(zāi)害。而水閘不但要保障河道的排澇能力，同時更要在緊急情況下起到擋潮或納潮等作用，減輕城市的防汛壓力。可以說，在城市防汛中，泵站與水閘兩者各司其職，又關(guān)系緊密。

楊浦區(qū)作為上海的防汛老區(qū)，早在建國初期就已建立了多處水閘，其中最著名的兩座分別是1960年建成的楊浦水閘和1973年建成的界泓浜水閘。時至今日，楊浦區(qū)共有防汛泵站26座，其中18座泵站的入河排口集中在楊樹浦港、東走馬塘和虬江三條主干河道，見圖1。由于這三條河道都相對封閉，水體流量受其他河道流量影響較小，因此，防汛泵站的運(yùn)行模式將對河道的流量及水位產(chǎn)生直接的影響。鑒于這種情況，配合這三條河道口泵閘的運(yùn)行，對相關(guān)防汛泵站的運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，不僅將有利于提高河道面臨汛情時的安全度，同時也將更大程度地保障泵站泄水地區(qū)排澇工作的順利進(jìn)行。以此，本文對上海市楊浦區(qū)內(nèi)楊樹浦港、東走馬塘、虬江三條河道的沿河泵站泵閘聯(lián)動運(yùn)行模式進(jìn)行了研究。

圖1　楊樹浦港閘泵、虬江/東走馬塘閘泵及沿岸相關(guān)泵站

1　現(xiàn)狀與問題

在解放后的上海城區(qū)中，楊浦區(qū)由于人口密度大，老舊設(shè)施多，且靠近黃浦江入長江口，為市區(qū)內(nèi)受東海潮位影響最明顯的區(qū)域，因此一直是市區(qū)防汛中的重點(diǎn)區(qū)域。1997年在防御9711（蕓妮）號臺風(fēng)過程中，因黃浦江潮位過高，為防止倒灌內(nèi)河，當(dāng)時楊樹浦港與虬江上的三座水閘，即楊樹浦閘、虬江閘和界泓浜閘全部關(guān)閘；但關(guān)閘后又恰逢暴雨，為避免內(nèi)澇兩河沿岸防汛泵站滿負(fù)荷運(yùn)行，結(jié)果使楊樹浦港內(nèi)河水位迅速抬升，最終造成楊浦區(qū)趙家橋附近內(nèi)河老舊磚砌防汛墻潰決94 m。控江路以內(nèi)，江浦路以東，周家嘴路以北地區(qū)嚴(yán)重遭淹，水深1 m多，損失嚴(yán)重。以此為鑒，上海市政府當(dāng)局計劃分別在楊樹浦港與虬江河道口建設(shè)新的楊浦泵閘和新虬江泵閘，更好地實現(xiàn)擋潮、排水、引水以及兼顧航運(yùn)的作用。同時有關(guān)方面第一次提出“泵閘聯(lián)動”概念，要求在應(yīng)對汛情雨情時，防汛泵站需與河道閘閥配合運(yùn)行，在實施排水的同時兼顧河道安全。2005年，楊樹浦港泵閘與新虬江泵閘先后竣工，上海市防汛指揮辦公室立足于楊浦區(qū)河道的新常態(tài)、新設(shè)施，于次年形成了《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應(yīng)急調(diào)度預(yù)案》、《虬江新老泵閘、楊樹浦泵閘及界泓浜水閘運(yùn)行調(diào)度方案》等一系列泵閘聯(lián)動指導(dǎo)意見，并編制了具體的應(yīng)急情況下泵站運(yùn)行原則，緩解了矛盾，部分解決了楊浦區(qū)防澇除災(zāi)問題[1,2]。

然而，楊浦區(qū)城市排水和河道安全之間的矛盾仍未得到根除。楊浦泵閘及新虬江泵閘設(shè)計除澇標(biāo)準(zhǔn)均采用1963年型相當(dāng)于20 a一遇最大24 h面雨量,其中最大1 h降雨強(qiáng)度為36 mm，泵閘實際翻水能力較小。而近年來，隨著城市的發(fā)展和氣候的變遷，防汛泄水量不斷增大。目前，楊樹浦港沿岸共有防汛泵站8座，泄水面積達(dá)10.36 km2，防汛排水總流量達(dá)到60.04 m3/s，而楊浦閘泵的實際翻水能力為20 m3/s，約為該河沿岸防汛泵站總流量的1/3。走馬塘及虬江沿岸共有防汛泵站10座，泄水面積達(dá)13.58 km2，防汛排水總流量達(dá)到95.7 m3/s，而虬江泵閘的實際翻水能力約40 m3/s，僅為該河沿岸防汛泵站總流量的2/5（見圖2）。市政排水流量與泵閘翻水能力之間存在著巨大差異，因此，一旦在汛期出現(xiàn)風(fēng)暴潮碰頭現(xiàn)象，在河口關(guān)閘僅依靠閘泵翻水排澇情況下，將不可避免地出現(xiàn)排出量小、入河水量大、水位急速上升，有產(chǎn)生次生災(zāi)害的隱患存在。

圖2　沿岸泵站排水量與閘泵翻水能力對比圖

在今年“6.17”暴雨中，恰逢浦江高潮不能開閘排水，內(nèi)河僅靠閘泵翻水排澇，楊樹浦港內(nèi)河水位迅速抬高，為保證河道安全，沿線防汛泵站不得不全線停運(yùn)，最終造成楊浦區(qū)內(nèi)黃興路、海州路等地段不同程度的積水。因此，市防汛部門有意深化泵閘之間的聯(lián)動，細(xì)化各個防汛泵站在應(yīng)急情況下的配合措施，將地區(qū)排水與河道排水之間的關(guān)系協(xié)調(diào)到最優(yōu)，在保障河道安全的同時，優(yōu)化楊浦區(qū)地區(qū)排水措施，為城市防澇除災(zāi)多上一道安全鎖。

2　優(yōu)化原則與方法

2.1泵閘聯(lián)動優(yōu)化原則

泵閘聯(lián)動是指在防汛過程中，市政防汛泵站與河道閘閥配合運(yùn)行，既起到排水除澇的作用，又兼顧河道的防汛安全。尤其是在黃浦江水位較高，河道閘閥關(guān)閉，僅靠閘泵翻水時，大量市政排水的涌入將會加速抬高內(nèi)河水位，有造成防汛墻漫溢或潰決等事故的隱患。因此，在應(yīng)對汛情雨情時，尤其是在高潮情況下河道閘閥關(guān)閘擋水以后，防汛泵站的運(yùn)行應(yīng)考慮遵循以下原則。

（1）河道為先。

沿河泵站排水入河，目的是為了城市防澇，但若河道防汛墻出險出缺，則將對雨中的城市“雪上加霜”，確保防汛墻安全是“泵閘聯(lián)動”所有原則的第一位，而控制河道水位顯然是首要手段，也因此在《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應(yīng)急調(diào)度預(yù)案》中，對楊樹浦港、東走馬塘、虬江的內(nèi)河警戒水位、保證水位以及參照點(diǎn)均有明確的規(guī)定。即一旦相關(guān)河道的水位達(dá)到二級保證水位(4.2 m)，則無論泵站中水位如何，必須立即停止沿河所有防汛泵站的運(yùn)行，以確保內(nèi)河防汛墻無潰決、漫溢等事故的發(fā)生。

（2）重點(diǎn)先排。

當(dāng)河道仍有一定量的排水空間時，為保障敏感區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域免受內(nèi)澇影響，應(yīng)按照局部服從全局的宗旨，優(yōu)先運(yùn)行那些站內(nèi)水位已超越開車水位的、或是泄水區(qū)域為重點(diǎn)區(qū)域的防汛泵站。只有當(dāng)這些泵站水位降低至停泵水位且關(guān)泵以后，才能繼續(xù)運(yùn)行其它非重點(diǎn)區(qū)域的泵站。

（3）平緩趨升。

當(dāng)河道水閘關(guān)閘后，如果涌入河道的市政排水流量段時間內(nèi)大大超過泵閘的翻水能力，河道的水位仍將迅速提高，威脅防汛墻墻體的安全。因此，應(yīng)當(dāng)合理控制市政排水向內(nèi)河的排放流量，盡力使內(nèi)河水位平緩趨升。這樣，既能延長河道水位上漲至二級保證水位的時間，又能減少高速紊流對防汛墻體的壓力，同時還可以最大幅度地降低市區(qū)發(fā)生內(nèi)澇的可能性。

（4）預(yù)測預(yù)抽。

在三條河道沿岸的18座泵站中，有10座泵站可直接利用污水泵將泵站中的合流污水泵入合流管線內(nèi)。其余的8座泵站也都安裝了截流設(shè)施，能夠通過重力流將合流污水導(dǎo)入管線。因此，在降雨發(fā)生前，利用管線實現(xiàn)沿岸泵站的預(yù)抽空，將有效降低河道的排水壓力。

（5）通信暢通。

在“三碰頭”等緊急狀況下，此時調(diào)度、協(xié)調(diào)為主的防汛工作非常頻繁且突出，考慮到惡劣氣象條件下會對通信帶來更多的不利因素，因此，本文強(qiáng)調(diào)確保通信暢通為重要原則之一。

2.2泵閘聯(lián)動情況分析

泵閘的運(yùn)行模式根據(jù)雨情以及浦江與內(nèi)河之間潮位差的不同大致可分為旱流的日常調(diào)水（泄水/引水）和雨天的泄水、翻水（見表1）。其中泵閘聯(lián)動的主要目的是協(xié)調(diào)當(dāng)有降雨且黃浦江高潮位時，泵閘關(guān)閘后，閘泵的翻水能力和沿岸市政防汛泵站排水能力之間的關(guān)系。通過在降雨事件中市政排水部門與河道閘閥管理部門溝通協(xié)調(diào)，改變河道沿岸泵站的運(yùn)行模式，可以達(dá)到既保障河道安全，又避免城市內(nèi)澇的效果。

表1　不同情況下河道泵閘運(yùn)行模式

（1）河道負(fù)荷分析：根據(jù)《上海市第一次全國水利普查暨第二次水資源普查楊浦區(qū)普查技術(shù)報告》數(shù)據(jù)顯示，楊樹浦港槽蓄容量在常水位2.5 m處約為18.09萬m3，在最高控制水位4.2 m處約為34.06萬m3，差值約15.97萬m3。而虬江和東走馬塘在常水位2.5 m處約為56.09萬m3，在最高控制水位4.2 m處約為109.65萬m3，差值約53.56萬m3，見表2。

表 2楊樹浦港、虬江/東走馬塘河道槽蓄容量

（2）翻水情況分析

根據(jù)式（1）可以得知，楊樹浦港閘泵翻水能力為20 m3/s，楊樹浦港泵閘關(guān)閘后，若從最高控制水位4.2 m經(jīng)由閘泵翻水，需133 min后能達(dá)到常水位2.5 m。新虬江閘泵翻水能力為40 m3/s，新虬江泵閘關(guān)閘后，從最高控制水位4.2 m經(jīng)由閘泵翻水到常水位2.5 m，則需223 min。

式中：T為翻水所需時間，min；V為河道負(fù)荷能力，m3/s；Q為閘泵翻水能力，m3/s。

根據(jù)《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應(yīng)急調(diào)度預(yù)案》規(guī)定，楊樹浦港與虬江/東走馬塘警戒水位為3.50 m；一級保證水位為4.00 m；二級保證水位為4.20 m。因此在實際情況下，泵閘翻水在內(nèi)河水位降低至3.5 m即可停止。

（3）應(yīng)急強(qiáng)排分析

在一般情況下，泵閘的排水能力已足夠滿足市政排水的要求，但不包括以下兩種情況：

a.高潮時突降暴雨；

b.因臺風(fēng)增水抬高潮位造成關(guān)閘時間延長。

在這兩種情況下，由于浦江潮位高于內(nèi)河潮位，為防止倒灌，閘門必須關(guān)閉，因此僅能依靠閘泵運(yùn)行來降低內(nèi)河的水位。由式（2）可以算出，若市政排水設(shè)施和楊浦閘泵同時滿負(fù)荷運(yùn)行，楊樹浦港從常水位2.5 m到最高控制水位4.2 m，僅需要66.5 min。而虬江從常水位2.5 m到最高控制水位4.2 m耗時僅僅160 min。考慮到在現(xiàn)實中風(fēng)暴潮來臨前內(nèi)河水位常已逼近警戒水位，因此可以預(yù)見到水位上升的過程將會更加迅速，耗時更短。

式中：T為內(nèi)河水位上升至最高控制水位所需時間，min；V為河道負(fù)荷能力，m3/s；Q進(jìn)為市政排水設(shè)施排進(jìn)河道流量，m3/s；Q出為泵閘翻水排出河道流量，m3/s。

綜合以上分析可以看出，在出現(xiàn)極端不利情況下，河道的防汛負(fù)荷量相對市政排水能力仍舊較小，即使當(dāng)泵閘滿負(fù)荷運(yùn)行時，內(nèi)河水位上升仍舊過快。因此，在應(yīng)對突發(fā)暴雨和臺風(fēng)高潮時，既無法實施市政排水設(shè)施的滿負(fù)荷運(yùn)行，而在內(nèi)河水位未達(dá)到4.2 m的最高控制水位前，也不應(yīng)立即實施市政排水設(shè)施的全線停運(yùn)。而是應(yīng)該在保障河道水位的前提下，有效分配河道負(fù)荷的使用效率。由此可見，進(jìn)一步優(yōu)化泵閘聯(lián)動中的泵站運(yùn)行模式，更精細(xì)地分配防汛泵站排水量配額，將對提高河道負(fù)荷的使用效率產(chǎn)生明顯作用。

2.3楊浦區(qū)泵閘聯(lián)動優(yōu)化運(yùn)行方案

（1）日常旱流調(diào)水：根據(jù)上海市城市排水有限公司對泵站旱流放江的一貫嚴(yán)格控制要求，同時根據(jù)《上海市水務(wù)局關(guān)于規(guī)范本市雨水和合流泵站泵機(jī)試泵的通知》要求，盡量降低試車放江對河道的影響，各泵站應(yīng)盡量減少旱流和試車放江次數(shù)，并盡量在河口泵閘調(diào)水泄水時實施放江，使放江污水快速被稀釋、沖淡，沖出河道，保障河道的清潔衛(wèi)生。由于新虬江泵閘主要承擔(dān)防汛任務(wù)，因此在非汛期期間，新虬江泵閘始終保持常開狀態(tài)；同時楊樹浦泵閘承擔(dān)調(diào)水任務(wù)，在每天黃浦江漲潮時引潮兩次，使河道之水始終保持流通。總體而言，在日常旱流模式情況下，對泵閘聯(lián)動的需求并不高[3]。

（2）一般降雨排水：當(dāng)降雨發(fā)生時，楊樹浦港（東走馬塘、虬江）水位未達(dá)到警戒水位（3.5 m）的，稱為一般降雨。根據(jù)《新虬江泵閘運(yùn)行方案》和《楊樹浦泵閘運(yùn)行方案》，新虬江泵閘和楊樹浦泵閘可根據(jù)黃浦江的潮位實際情況選擇開閘泄水或是關(guān)閘翻水。在此期間除了降雨開始時的預(yù)抽空外，沿岸所有防汛泵站均可正常運(yùn)行，以保證市區(qū)的防澇安全[4,5]。

（3）應(yīng)急防汛排水：在降雨過程中，當(dāng)內(nèi)河水位高于3.5 m的警戒水位，同時黃浦江水位又高于內(nèi)河水位使之不能開閘泄水的情況發(fā)生時，應(yīng)立即啟用應(yīng)急排水預(yù)案。在這段時間內(nèi)，楊樹浦泵閘與新虬江泵閘應(yīng)關(guān)閘擋潮，同時開泵翻水。

當(dāng)內(nèi)河水位已超過警戒水位（3.5 m）并逐漸向一級保證水位（4.0 m）攀升時，應(yīng)保證沿岸防汛泵站向河道的排水量稍大于泵閘的翻水能力，即楊樹浦港20 m3/s，走馬塘、虬江40 m3/s。這樣，河道內(nèi)的水位上升較緩，對防汛墻的威脅也相對較低，同時也能使受河道排澇能力限制的市政排水能力發(fā)揮到最大效率，最大程度降低市區(qū)內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇的可能。因此，沿河泵站的開泵順序應(yīng)符合以下原則，即“前池水位高于防汛開車水位的泵站”優(yōu)先于“防汛等級較高的泵站”優(yōu)先于“開車水位與地坪標(biāo)高相對較低的泵站”優(yōu)先于“其他泵站”。

結(jié)合表3、表4提供的泵站防汛等級以及表5、表6提供的泵站開車水位等基礎(chǔ)信息，基本可以確定，在楊樹浦港沿岸的泵站中，若所有泵站均處于相同開泵順序級別，則使周塘浜泵站保持最大流量開泵4.6 m3/s（2臺泵），新昆明泵站保持一半泵機(jī)運(yùn)行，即8.4 m3/s（3臺泵），其他泵站均僅開動1臺泵機(jī)，最終達(dá)到市政排水總流量為21.44 m3/s，滿足略大于楊樹浦泵閘的翻水能力。

同樣，在東走馬塘、虬江河道中，若所有泵站均處于相同開泵順序級別，則使雙陽、五角場、嫩江泵站開3臺泵，國和泵站開兩臺泵，其余泵站開1臺泵，達(dá)到的總流量為40.65 m3/s，剛好略大于新虬江泵閘的翻水能力。

表3　楊樹浦港沿岸泵站防汛等級

表5　楊樹浦港沿岸泵站防汛開車水位

表6　東走馬塘、虬江沿岸泵站防汛開車水位

當(dāng)內(nèi)河水位達(dá)到一級保證水位（4.0 m）時，為防汛墻安全考慮，不允許河道的排澇能力滿負(fù)荷運(yùn)行。因此，擬使所有沿岸泵站僅保持一臺泵運(yùn)行。此時，楊樹浦港沿岸各泵站市政排水總流量為18.14 m3/s,略小于楊樹浦泵閘的翻水能力；而東走馬塘、虬江沿岸泵站市政排水總量僅為22.05 m3/s，約為新虬江泵閘翻水能力的一半。排水量的降低將有助于改善內(nèi)河水位情況，給予防汛墻必要的保障。

一旦內(nèi)河水位超過二級保證水位（4.2 m）時，應(yīng)立即停止所有沿河泵站的泵機(jī)運(yùn)行。此時，泵機(jī)的泄水區(qū)域防汛安全已退居次要位置，保障河道安全才是當(dāng)下的當(dāng)務(wù)之急。因此在這個時候，要對易漫溢的地區(qū)加強(qiáng)巡視，在條件允許的情況下，應(yīng)組織人力對易漫溢地段的防汛墻采取緊急加固措施，確保河道防汛墻的安全。

3　結(jié)論與建議

（1）目前，黃浦江高潮位時，楊浦區(qū)河道的排澇能力并不足以滿足市政排水系統(tǒng)的滿負(fù)荷運(yùn)行。因此，加強(qiáng)泵閘聯(lián)動，為防汛泵站進(jìn)行分級等措施，將為楊浦區(qū)三條主干河道注入新的活力，在防汛過程中能夠最大程度地利用河道排澇能力的同時，提高重點(diǎn)區(qū)域的防汛安全度。

（2）日常的旱流調(diào)水模式時，泵站的放江行為應(yīng)盡量在河口泵閘調(diào)水泄水時實施，使放江污水被迅速稀釋、沖淡，排出河道，以減少旱流放江對河道的負(fù)面影響，保持河道的清潔。

（3）應(yīng)急防汛排水過程中，防汛泵站的開車優(yōu)先等級應(yīng)按“前池水位高于防汛開車水位的泵站”優(yōu)先于“防汛等級較高的泵站”優(yōu)先于“開車水位與地坪標(biāo)高相對較低的泵站”優(yōu)先于“其他泵站”進(jìn)行劃分。在進(jìn)行泵站分級運(yùn)行后，楊樹浦港河道理論上吸收市政排水的能力為21.44 m3/s；東走馬塘、虬江河道吸收市政排水能力為40.65 m3/s，均與河道口泵閘的翻水能力十分匹配。

（3）為保障泵閘聯(lián)動中的信息能夠快速傳遞，建議泵站與水閘的管理方將河道排澇能力與降雨量、放江量等影響因素結(jié)合起來，并建立統(tǒng)一的信息平臺。在日常旱流調(diào)水時增加相關(guān)操作人員對相關(guān)泵站與泵閘的熟悉程度，在應(yīng)急防汛排水時有的放矢，能夠迅速處理險情，保證市區(qū)防汛，兼顧河道安全。

（4）建議水閘管理方根據(jù)目前水閘的運(yùn)行方案，編制更精細(xì)的泵站運(yùn)行或水閘運(yùn)行優(yōu)化方案，進(jìn)一步加強(qiáng)泵閘之間的聯(lián)動。

[1]上海水利管理處.虬江新老泵閘、楊樹浦泵閘及界泓浜水閘運(yùn)行調(diào)度方案[Z].2006.

[2]上海市防汛指揮部辦公室.關(guān)于發(fā)布楊樹浦港等四條內(nèi)河沿線泵站應(yīng)急調(diào)度預(yù)案的通知[Z].2006.

[3]上海市城市排水有限公司.上海市城市排水生產(chǎn)運(yùn)行方案[Z]. 2015.

[4]上海水利設(shè)計院.楊樹浦港泵閘工程設(shè)計方案[Z].

[5]上海水利勘測設(shè)計院.新虬江泵閘工程設(shè)計方案[Z].

TU992.25

B

1009-7716（2016）04-0106-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.033

2015-12-23

張琦（1966-），男，上海人，助理工程師，從事排水運(yùn)行管理工作。