多目標排水泵站工程規劃方案研究

王 永

(安徽省水利規劃辦公室，安徽 合肥 230022)

隨著經濟社會發展和城鎮化進程的加快，城市建設區范圍不斷擴展，原有排水泵站工程排水標準和排水能力不足，導致這些區域遇稍大暴雨即排水不及時成澇嚴重，需要重建、擴建或新建排水泵站工程，提高排澇減災能力[1- 3]。由于區域內存在農田、城區等不同排水要求的對象，因此要綜合分析不同排水目標的特點，開展站點布局、排水標準等規劃方案研究，為工程建設提供依據[4- 6]。望江縣合成圩幸福河南站工程列入了國家和安徽省災后水利薄弱環節建設性治理實施方案，主要功能為承擔望江縣新城區、望江縣現代農業示范區排澇，同時兼顧抽排望江縣城區河流寶塔河洪水以提高城市防洪能力的功能，大水年份還可代排武昌湖流域洪水以減輕湖周邊圩區的防洪能力；該站排水目標多且各目標的排水標準和排水要求各有不同，多目標識別、排序及其實現是工程規劃設計時需要重點考慮的[7]，本文結合望江縣幸福河南站工程可行性研究工作進行研究探討。

1 幸福河南站工程建設需求分析

1.1 合成圩及武昌湖概況

合成圩位于望江縣東南部，東南濱長江，西南臨華陽河，西北為寶塔河，東北至老東隔堤，圩內總面積92.18km2，地勢總體上是中間低、四周高，汛期長江、華陽河、寶塔河水位長期高于地面高程。合成圩內包含望江縣華陽鎮、雷池鄉的部分地區，總人口7.86萬人，耕地面積10.43萬畝，是望江縣現代農業和新農村建設示范區；隨著城鎮化進程的加快，望江縣城不斷向合成圩內發展，且成為今后發展的主方向。現狀合成圩防洪工程除寶塔河堤防防洪能力約20年一遇外，長江同馬大堤、新老東隔堤防洪能力均已達1954年型洪水標準；圩內對外排澇泵站9座，總排澇流量86.9m3/s。

寶塔河經沈沖閘、新河口閘與北部武昌湖相通，武昌湖湖面106km2，占武昌湖流域集水面積1084km2的約10%，湖泊周圍分布圩口40個，其中萬畝以上圩口4個。受流域洪水影響，大水年份武昌湖長期處于高水位，沿湖圩口防洪排澇壓力極大[8]。

合成圩水系及與武昌湖位置關系如圖1所示。

圖1 合成圩水系及與武昌湖位置關系圖

1.2 幸福河南站工程建設需求分析

1.2.1合成圩內現有排澇標準較低，不能滿足經濟社會發展需要

根據合成圩內水利工程情況，現狀綜合排澇能力達到農排10年一遇3d暴雨3d排至作物耐淹水深[9]。隨著望江縣城向合成圩內發展及望江縣經濟開發區的建設，圩內城區已頗具規模，合成圩內規劃中心城區面積為21.6km2，中心城區東北側為合成圩現代農業示范區核心區。現有排澇標準低，不能滿足經濟社會發展要求，需要增加區域排澇能力。

1.2.2望江縣城區現有防洪能力不足，不能滿足城區穩定和發展要求

望江縣城主城區以寶塔河為界，分為寶塔河西北部老城區和合成圩內城區兩部分，寶塔河城區段既直接承受來自上游山丘的洪水，又受出口華陽河洪水的頂托，大水年份水位長期居高不下，導致城區因洪致澇問題特別突出。頻繁的洪澇災害不僅造成望江縣城區重大的經濟損失，而且在社會穩定和交通、通訊等方面也造成了一定的不利影響，給人民生命財產安全帶來極大威脅。

為降低寶塔河洪水位，2005年在新東隔堤城關節制閘處按滿足縣城近期防洪標準20年一遇要求建設了城關排澇站，設計流量18.38m3/s，尚達不到50年一遇防洪標準要求，急需增大寶塔河外排能力。

1.2.3武昌湖流域防洪排澇能力較低，與經濟社會發展不相適應

武昌湖流域為安慶市望江縣、懷寧縣重要的農業生產基地，人口較多，但現狀防洪排澇能力較低，汛期武昌湖高水位持續時間長導致周邊區域防汛壓力巨大，經濟社會發展受到嚴重制約。

綜上，望江縣合成圩排澇標準、縣城防洪能力和武昌湖流域周邊區域防洪排澇能力的提高均需要通過增加外排能力得到實現，擬建幸福河南站在位置和規模上具有滿足以上需求的有利條件。

2 幸福河南站工程排水目標研究

2.1 目標識別與目標排序

根據需求分析，幸福河南站工程任務主要為承擔合成圩內望江縣新城區、望江縣現代農業示范區的排澇，同時兼顧排泄寶塔河洪水和代排武昌湖流域洪水的功能。因此，幸福河南站具有多個排水目標的特點[10- 12]，排水目標既有城市排澇，又有農業排澇，還包括排除河道、湖泊洪水。

在以上目標中，按照排澇對象的重要性分析，城市排澇和排寶塔河城區段洪水涉及到望江縣城安全，屬于第一優先級，其次是現代農業示范區核心區的農業排澇和代排武昌湖洪水；按照排水效率分析，現代農業示范區核心區距離幸福河南站最近，地面高程普遍低于合成圩內望江縣新城區，且寶塔河和武昌湖洪水要經過農業示范區內骨干渠道引入泵站外排，因此，城區排澇效率最高，其次是現代農業示范區排澇，寶塔河洪水和武昌湖洪水通常是圩區排澇能力有富余時才可得到兼顧。

綜合以上，幸福河南站排水目標的優先順序為①城市排澇②農業排澇③寶塔河洪水外排④武昌湖洪水外排。

幸福河南站工程排水目標和目標排序概化如圖2所示。

圖2 幸福河南站排水目標排序概化圖

2.2 規劃標準

根據各排水目標和對象具體情況，結合國家標準[13- 14]規定，擬定各排水對象的規劃標準如下。

排澇標準：望江縣城排區為20年一遇最大24h暴雨最高內澇水位不超過設計最高內澇水位；望江縣農業示范區排澇標準為10年一遇最大24h暴雨最高內澇水位不超過設計最高內澇水位，示范區外的其它農排區維持現狀10年一遇最大3d降雨3d排至作物耐淹深度的排澇標準。

排洪標準：排寶塔河洪水標準與望江縣城市防洪標準一致、為50年一遇；排武昌湖洪水標準與武昌湖流域治理標準一致、為20年一遇。

3 幸福河南站工程規劃方案

3.1 合成圩排澇方案

3.1.1排澇范圍、站點布局研究

根據合成圩內城區規劃范圍及現代農業示范區核心區規劃范圍，并結合圩內現狀排澇分區情況，綜合確定幸福河南站工程排澇范圍為包含望江縣新城區的靠近長江的區域，面積48.0km2，其中城排區位于南部，面積21.6km2，北部農排區面積26.4km2。該區現狀尚無直接對江排澇站。

合成圩三面環水，從有效減輕內水和支流洪澇水壓力考慮，應盡量增大向長江排水的規模，即站點布局以對江排澇為主。

擬建幸福河南站與該區已建排澇站聯合運用，共同承擔澇水外排任務。區內需新增排澇流量均由幸福河南站排向長江。

3.1.2排澇方案擬定

排澇范圍內城排區地面高程普遍在10.5～14.5m，農排區地面高程普遍在9.0～12.5m，城排地面高程總體高于農排地面高程。鑒于排澇標準不同，擬定城鄉分開排澇和城鄉合一排澇兩個方案。

方案一：城鄉分開排澇方案，即當城排區泵站全力運行，區內澇水仍有上漲趨勢時，需通過人工措施將城排區澇水與農排區澇水分隔開，人工措施主要有修建矮堤(結合道路)、節制閘等；分別設城排渠、農排渠進入幸福河南站，幸福河南站設置高排機組和低排機組或設置幸福河高排站、低排站分散建站排澇。

方案二：城鄉合一排澇方案，根據城排區地面高程總體高于農排區地面高程的實際情況，利用已有的排水渠道設節制閘。當華陽河水位低于圩內排澇水位時，城排系統與農排系統合為一體自排，相互調節；當華陽河水位高于圩內排澇水位圩內澇水不能自排時，關閉外排節制閘，城排片澇水通過該排區內的長河站、古港站抽排入華陽河，部分高排澇水通過南部溝由雷池站(高排)抽排入長江。當城排區現有泵站全力運行，區內澇水仍有上漲趨勢時，適度打開與農排區連接渠道上的節制閘，將城排區片超量澇水排入北部農排區，通過幸福河南站抽排入江。

3.1.3排澇方案比選

各方案的優缺點及相對可比投資綜合比較見表1。

表1 幸福河南站工程排澇方案綜合比較表

綜上，方案二優勢較為明顯，推薦合成圩內排澇方案采用城鄉合一排水方案。

3.1.4排澇方案可靠性復核

由于城排區、農排區排澇標準不同，采用城鄉合一排水方案，往往會出現在遇到城市排澇標準的降雨時，由于已超過農排區標準導致積水頂托影響城排區排澇，城區很難達到城區排澇標準，無形之中又增加了農排排澇標準，大水年份可能造成農村澇水回壓進城，加重城區內澇[3，15]。為此，需對選定的排澇方案進行可靠性復核。

本工程排澇范圍內城排片位于幸福河南站匯水方向上游，農排片位于下游。經調節計算，當合成圩遭遇20年一遇最大24h暴雨，排澇范圍內泵站均滿負荷運行，排澇范圍內最高滯澇水位9.88m，淹沒區面積3.04km2，均位于農排片金盆湖區域內。最高滯澇水位比城排片常水及最高內澇水位分別低1.12、2.12m，不影響上游城排片來水匯流，城排片可達20年一遇最大24h暴雨最高澇水位不超過設計最高蓄澇水位的標準。

3.2 寶塔河洪水外排方案

3.2.1現狀洪水處理措施

在現有工程格局下，寶塔河流域防洪方案為：當華陽河水位低于16.0m時，寶塔河洪水經城東閘、城關閘自流排入華陽河；當華陽河水位達到16.0m時，關閉城關節制閘和城東節制閘，使縣城東部洪水不入城區，同時開啟寶塔河排澇站抽排縣城西北部來水，利用后期無城排任務的寶塔河排澇站和相機利用雷池站后期余力代排縣城東北部寶塔河北岸來水，合成圩來水改由雷池站等直接外排入長江。在武昌湖水位較低時，可利用已建沈沖閘相機自排入武昌湖。對于超標準洪水，可利用沿河小圩蓄洪。

3.2.2增大外排能力方案研究

(1)方案擬定與比選

現狀除城區段外，寶塔河其它段已基本滿足防洪標準。因此，應主要研究增大城區段外排能力，以達到50年一遇防洪標準的規劃方案。在現狀工程措施基礎上，擬定擴建城關站和利用幸福河南站兩個方案。方案內容與比選見表2。

表2 寶塔河洪水外排方案及比選表

(2)方案確定

考慮到幸福河南站建成后用于排澇的一次時段較短(設計澇水排除時間24h)、且洪水滯后于澇水的特點，幸福河南站具備為寶塔河代排洪水的條件。因此，從提高設施綜合利用水平、節約投資和日常運行維護費用等角度出發，推薦采用方案一。

對于方案二，可作為遠期進一步提高望江縣老城區防洪標準的措施。

3.3 幸福河南站代排武昌湖洪水方案

3.3.1武昌湖流域治理規劃

根據2017年安徽省水利廳批復的《武昌湖流域治理規劃》，為降低武昌湖洪水位，擬采取通過擴大排湖通道規模的措施。規劃結合圩口排澇站擴建，新增排湖流量180m3/s后，武昌湖20年一遇洪水位15.24m將較現狀16.25m降低約1.0m，略低于現狀10年一遇洪水位15.50m，從而可以保證現狀湖堤基本不加高即可達到20年一遇標準的防洪能力。

3.3.2幸福河南站代排湖水線路方案研究

寶塔河與武昌湖相連，幸福河南站在外排寶塔河洪水任務完成后，即可打開沈沖節制閘，引湖水入寶塔河由幸福河南站代排，因此，代排湖水的線路完全利用現有河道，不需要新挖。

根據資料分析[8]，武昌湖歷次大水年高水位(15.5m以上)持續時間一般在30～45d，最長達100d；在此期間合成圩排澇和寶塔河一次排洪時間不超過1d，考慮連續暴雨因素，一次時間最長不超過3d。同時，通常情況下，圩內澇水和寶塔河洪水峰值出現時間要早于武昌湖最高洪水位。因此，幸福河南站完全具有代排武昌湖洪水的能力，該站排水規模大(設計流量約100m3/s)，對于降低湖水位效果明顯。

需說明的是合成圩內代排武昌湖洪水除利用幸福河南站線路外，還有現狀沿徐灣河利用雷池站、雷港站的線路，在2016年等大水年份已經利用其進行了外排，2016年流域暴雨和1998年接近，但武昌湖高水位卻由1998年的71d縮短為44d。

4 結語

隨著城鎮化的發展，排水泵站服務范圍增大的同時，排水目標也隨之增多，規劃方案難度相應增大。本文對望江縣幸福河南站具有的農業排澇、城市排澇等多目標進行了識別、排序和站點布局等方面的研究和探討，可供有關人員工作時參考借鑒。由于低洼易澇區類型和情況不同，排水泵站的目標和排序必然不同，需根據具體情況具體分析[10]，限于目前收集的實例不多，本文尚無法提出總結性的結論。基于同樣因素，本文對多目標排水泵站規劃方案中泵站設計流量和特征水位[16]等分析計算內容也未涉及，這些都需要在后續工作中注意整理和總結。