平原河網(wǎng)地區(qū)城市排澇泵站設(shè)計流量分析方法研究

曾臺衡，謝文俊，曹國良

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢430064）

0 引言

洪澇災(zāi)害是人類社會發(fā)展的重大威脅，隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)水平的提高，抵御洪水的能力也有了顯著提升，但洪澇災(zāi)害威脅仍未解除，特別是平原河網(wǎng)地區(qū)內(nèi)澇問題仍然較為突出。在城市化建設(shè)過程中，由于城市對降雨徑流的自然調(diào)蓄能力下降，排水通道排水不暢、外排能力不足，致使許多區(qū)域常年出現(xiàn)“關(guān)門淹”的情況，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟的發(fā)展。因此，往往需要修建排澇泵站輔助排澇，實現(xiàn)“被動防澇”到“主動外排”［1，2］。

本文以湖北省荊州市沙市區(qū)鹽卡泵站為例，重點研究平原河網(wǎng)地區(qū)新建泵站排澇流量的計算方法，先用平均排除法結(jié)合城市暴雨強度公式計算該排澇泵站的排澇流量，再應(yīng)用城市管網(wǎng)模型SWMM對其進行復(fù)核，最終確定新建鹽卡泵站排澇流量。

1 工程概況

以荊州城區(qū)為代表的湖北省平原河網(wǎng)地區(qū)，5-8月為暴雨頻發(fā)期，雨量大、時間集中，大部分地區(qū)地勢低洼，汛期受外江、內(nèi)湖長時間高水位影響，澇水無法及時有效排出，加之外排能力不足，導(dǎo)致區(qū)域漬澇災(zāi)害頻發(fā)、影響范圍廣、損失嚴(yán)重。荊州城區(qū)現(xiàn)狀骨干排水渠道為豉湖渠和西干渠，上游城區(qū)段均為箱涵，下游人口密集且沿岸土地多已規(guī)劃為城市建設(shè)用地，難以通過工程措施來擴大其過流能力，僅依靠豉湖渠、西干渠兩個排水出路無法滿足城市排澇需求。根據(jù)城市防洪及相關(guān)規(guī)劃，新增長江排水通道，即新建鹽卡泵站抽排澇水入江，對提高荊州城區(qū)外排能力，保障防洪排澇安全意義重大。

根據(jù)荊州城區(qū)水系、水利工程情況，鹽卡泵站服務(wù)范圍可劃分為沙市區(qū)、沙市農(nóng)場區(qū)、寶蓮區(qū)、岑河區(qū)、鑼場區(qū)等5個排澇分區(qū)，服務(wù)范圍面積合計為190.2 km2，如圖1所示。根據(jù)《治澇標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合城市總體規(guī)劃，沙市區(qū)、寶蓮區(qū)、沙市農(nóng)場區(qū)等三個排澇分區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h暴雨24 h排除，岑河區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇24 h暴雨24 h排至田面無積水，鑼場區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇一日暴雨三日排至作物耐淹深度。

圖1 泵站排區(qū)范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump station discharge area

2 設(shè)計流量計算

采用平均排除法、EPASWMM 水文水動力模型兩種方法分析鹽卡泵站設(shè)計流量［3-5］。

荊州城區(qū)排澇調(diào)度需服從四湖中下區(qū)總體調(diào)度要求，四湖中下區(qū)總體排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，豉湖渠、西干渠按設(shè)計排澇流量下泄，在設(shè)計排澇工況下，豉湖渠南港橋處、西干渠黃港節(jié)制閘處設(shè)計排澇流量分別為54.5 和14.0 m3/s，以此作為鹽卡泵站設(shè)計流量分析的邊界條件。

2.1 設(shè)計暴雨

根據(jù)沙市水文站1962-2017年最大24 h 暴雨系列，經(jīng)頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線適線，查《湖北省暴雨徑流查算圖表》，分析得鹽卡泵站服務(wù)范圍10年一遇最大24 h面暴雨為128.2 mm，20年一遇最大24 h 面暴雨為153.1 mm。排區(qū)20年一遇24 h 暴雨時程分配過程見表1。

表1 20年一遇24小時暴雨時程分配過程Tab.1 Time distribution process of a 24-hour rainstorm in 20 years

2.2 平均排除法

平均排除法是將相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的凈雨量在規(guī)定的排澇時間內(nèi)平均排除。平均排除法方法相對簡單，所需資料較少且較易獲得，應(yīng)用非常廣泛，并被現(xiàn)行規(guī)范推薦使用，如湖北、安徽等省份多使用該法［6，7］。但該方法對匯流過程考慮較少，難以分析洪峰流量和洪水過程。此外，平均排除法沒有考慮流域面積對匯流過程的影響，主要適用于集水面積較小的平原區(qū)，或者排水面積較小的田間排水溝設(shè)計；對于較大面積的排水區(qū)，在使用平均排除法計算排澇流量時，可考慮采用一定的折減系數(shù)，以反映較大面積區(qū)域降雨不均勾和沿程流量衰減的影響。其計算公式如下：

式中：F為排澇區(qū)內(nèi)水田面積，km2；F'為排澇區(qū)內(nèi)旱地及非耕地面積，km2；F″為排澇區(qū)內(nèi)水面面積，km2；P為設(shè)計暴雨，mm；C1為水田和水面的徑流系數(shù)；C2為旱地區(qū)非耕地的徑流系數(shù)；H為水田最大允許蓄水深度，mm；V為排澇區(qū)調(diào)蓄水量，萬m3；T為排水歷時，d；t為日開機時間，h。

根據(jù)計算成果，各排澇分區(qū)排澇流量合計為122.1 m3/s，扣除荊州城區(qū)豉湖渠、西干渠設(shè)計排澇流量68.5 m3/s，規(guī)劃新增排澇流量53.6 m3/s，即平均排除法分析得鹽卡泵站設(shè)計流量為53.6 m3/s。

各排澇分區(qū)排澇流量設(shè)計成果見表2。

表2 平均排除法分析設(shè)計流量計算成果表Tab.2 Calculation results of design flow analysis by average elimination method

2.3 EPASWMM 水文水動力模型

根據(jù)澇區(qū)分片情況，每一片澇區(qū)都不是單一的保護對象，整個澇區(qū)采取概化綜合徑流系數(shù)的方法具有較大的不確定性，因此考慮結(jié)合排水管網(wǎng)的分布式水文水動力模型EPASWMM進行排澇計算［8，9］。

（1）基本原理。EPASWMM 是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬。模型分為以下幾個核心模塊：徑流模塊、輸送模塊、擴充輸送模塊和蓄存/處理模塊［10，11］。

（2）匯水區(qū)劃分及排水路徑。模型匯水區(qū)總面積190.2 km2，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃及實際地形地貌，利用GIS 軟件根據(jù)匯水節(jié)點將排澇區(qū)劃分為181 個子匯水區(qū)，概化布設(shè)管道作為排水路徑，地面徑流就近入河。模型采用Horton 產(chǎn)流、動力波方法演算，通過試算優(yōu)化確定排澇規(guī)模［12］。整個排澇區(qū)匯水區(qū)劃分及排水路徑如圖2所示。

圖2 排水路徑及匯水區(qū)劃分Fig.2 Drainage path and catchment area division

（3）計算參數(shù)。模型參數(shù)主要包括匯水區(qū)地形、土地類型、不透水率、蓄水曲線、管網(wǎng)渠道糙率等。匯水區(qū)地形情況及土地類型根據(jù)萬分之一地形圖結(jié)合城市總體規(guī)劃土地利用規(guī)劃成果進行綜合確定，不透水率為子匯水區(qū)不同土地類型徑流系數(shù)加權(quán)值，結(jié)合排澇區(qū)土地利用類型綜合確定；蓄水曲線結(jié)合荊州市藍線規(guī)劃渠道及湖泊尺寸及蓄水量進行計算。各排澇分區(qū)內(nèi)的子匯水區(qū)采用20年一遇暴雨時程分配過程成果，作為模型輸入條件。

（4）控制邊界條件。①控制水位。模型控制水位主要包括調(diào)蓄水體及泵站前池的汛前正常運行水位和最高控制水位，按照區(qū)域河道景觀及區(qū)內(nèi)地面排水要求綜合確定。根據(jù)《荊州市城市藍線規(guī)劃》，汛前正常運行水位在滿足防洪排澇要求的基礎(chǔ)上，盡量滿足區(qū)域生態(tài)、景觀等多方面的要求，根據(jù)區(qū)域主要排澇河道現(xiàn)狀、生態(tài)景觀規(guī)劃需求，確定模型涉及各水體正常運行水位及最高控制水位如表3所示。②二級排澇泵站控制流量。由于鹽卡泵站服務(wù)范圍面積較大，分區(qū)域規(guī)劃用地性質(zhì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有所不同，各排澇片區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)有所不同。當(dāng)遭遇20年一遇設(shè)計暴雨時，鑼場區(qū)、岑河區(qū)按10年一遇相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)控制出流流量，沙市城區(qū)、沙市農(nóng)場區(qū)、寶蓮區(qū)不進行控制。

表3 主要水體控制水位表Tab.3 Control water level table of main water bodies

（5）計算成果。在豉湖渠、西干渠按設(shè)計排澇工況控制下泄情況下，當(dāng)鹽卡泵站設(shè)計規(guī)模為55.4 m3/s 時，可基本保證豉湖渠、西干渠等調(diào)蓄水體水位控制在最高控制水位以下，即區(qū)域排澇能力可達到相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。豉湖渠、西干渠水位變化過程見圖3、圖4。

圖3 豉湖渠（豉湖渠閘站下游）水位變化過程圖Fig.3 The water level change process diagram of the Chihu Canal（downstream of the Chihu Canal Gate Station）

圖4 西干渠（與四清渠匯口處）水位控制情況Fig.4 Water level control of the Xigan Canal（at the junction with Siqing Canal）

2.4 鹽卡泵站設(shè)計流量確定

根據(jù)計算結(jié)果，平均排除法、SWMM 水文水動力模型兩種方法分析鹽卡泵站設(shè)計流量分別為53.6和55.4 m3/s。鹽卡泵站排區(qū)范圍內(nèi)調(diào)蓄水體容積相對較小，水域調(diào)蓄能力一般，本工程排區(qū)范圍內(nèi)以農(nóng)田為主，也有部分工業(yè)園區(qū)，而平均排除法是要通過計算排澇系統(tǒng)的平均流量，此方法沒有考慮洪水過程，計算出來的成果隨時間不變，同時排澇歷時越短，求得的均值也會越大，因此平均排除法只是略小于SWMM 水文水動力模型的結(jié)果。擬建鹽卡泵站為荊州城市排水泵站，從服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟社會穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，本次偏安全考慮，鹽卡泵站設(shè)計流量采用SWMM水文水動力模型計算成果，取55 m3/s。

3 結(jié) 語

平均排除法作為傳統(tǒng)分析方法，更多考慮的是在設(shè)計排澇要求時間內(nèi)將澇水均勻排除，在流量過程上雖有所欠缺，但仍然是平原河網(wǎng)地區(qū)排澇泵站設(shè)計流量分析的重要手段。平均排除法在滿足區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)的要求的同時，計算參數(shù)只需對排區(qū)的用地類型面積結(jié)合土地利用規(guī)劃進行分別劃定，并結(jié)合區(qū)域的總體規(guī)劃擬定徑流系數(shù)，方法簡單可行，也有一定的精度，對于資料要求不高的地區(qū)可以采用其成果，但是對于要求滿足控制水位的排澇區(qū)該方法的計算成果可以作為參考［13，14］。EPASWMM 水文水動力模型，作為相對新型的分析手段，可提供動態(tài)模擬結(jié)果、不同工況效果分析是其優(yōu)勢所在，本次可以較好地模擬鹽卡泵站開啟后聯(lián)通港渠的水位變化過程線，也可以滿足渠道的控制水位的要求。但該方法對資料要求相對較高，需要收集整理城市雨水管網(wǎng)規(guī)劃布置、地形地貌參數(shù)、各地塊土地類型等諸多參數(shù)，因此給模型分析也帶來了一定的不確定性，但是該模型具有水文水動力學(xué)的理論支撐，水量、水質(zhì)均可模擬，無計算時間步長限制，無研究區(qū)規(guī)模的限制，同時模型是開源，可以做到與GIS集成，這些優(yōu)勢讓EPASWMM 水文水動力模型得到了廣泛適用和研究。

兩種方法原理都是根據(jù)區(qū)域產(chǎn)匯流特點分析泵站規(guī)模。但EPASWMM 水文水動力模型計算更注重全過程控制，一般結(jié)果會高于平均排除法。對于水面率較低，調(diào)蓄能力一般的區(qū)域，比如鹽卡排區(qū)，兩種方法分析成果相差不大。實際過程中，應(yīng)該將傳統(tǒng)的平均排除法和新型的水文水動力模型法結(jié)合運用，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟比選，科學(xué)合理確定排澇泵站設(shè)計流量，為解決城市排水問題提供科學(xué)、經(jīng)濟、可行的技術(shù)方案。□