大藤峽水利樞紐庫區七星河泵站規模分析

樊紅霞，尹開霞，姜紫萍

( 1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610；2. 河海大學 水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

七星河泵站位于大藤峽庫區，既要排上游山洪，又要排出口河段城區內澇，還需滿足七星河消落帶治理的要求。七星河防洪排澇總體布局及特征水位、調度運行方式的確定，應滿足景觀要求和城區排水安全需要。受大藤峽水庫回水影響，七星河泵站排澇設計流量、特征水位確定應充分考慮大藤峽水庫防洪、發電等綜合調度運用方式。

本文通過分析大藤峽運行方式和干支流洪水遭遇情況，確定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作為抽排設計工況，以此確定七星河泵站的規模。研究成果可為庫區泵閘規模分析提供借鑒和參考。

1 工程概況

七星河泵站位于大藤峽庫區黔江河段的一級支流七星河河口，是大藤峽庫區武宣縣城七星河防護工程體系的一部分。

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段，是一座防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利工程。汛期6-8月份預留15×108m3防洪庫容，相應防洪限制水位為47.6m；為控制淹沒范圍，當入庫流量大于20 000m3/s時，水庫進行防洪調度，水位可降至防洪運用最低水位44m；4、5、9月份，按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位為59.6m；10-3月份，亦按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位達到正常蓄水位61m。另外，大藤峽水利樞紐4-7月份還有生態調度需求，枯水期有補水壓咸調度需求。

七星河河口距離大藤峽壩址上游約60km，七星河泵站的規模、調度運用與大藤峽水庫運行方式關系密切。大藤峽水庫建成后，在遭遇不同水情條件下，泵站外江水位根據大藤峽水庫防洪、發電等調度運行工況確定[1]。

2 資料及計算方法

2.1 采用資料和設計暴雨洪水分析

設計工況確定時，雨洪遭遇分析采用水文資料包括1960-2016年武宣站洪水水文要素、逐日流量表和逐日降水量表。

七星河設計暴雨洪水計算采用《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》中介紹的推理公式法計算[2]，公式如下：

(1)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；hτ為相應于匯流時段的最大凈雨量，mm；F為流域面積，km2；τ為流域匯流時間，h。

2.2 調蓄計算

調蓄演算主要有兩種方法，即Mike11模型法和平湖調蓄分析法[3]，兩種方法在調蓄計算中的運用均十分廣泛。

2.2.1 Mike11模型法

Mike11模型法利用MIKE軟件水動力模塊(HD)[4]建立調蓄排澇數學模型進行計算。

HD水動力模塊所用的描述一維非恒定水流運動規律的控制方程組為圣維南方程組，它由描述質量守恒的連續性方程和描述能量守恒的動量方程組成[5-6]。其方程如下：

(2)

式中：x為距離坐標；t為時間坐標；A為過水斷面面積；Q、h為流量及水位；q為旁側入流量；α為動量系數，一般取值為1；C為謝才系數；R為水力半徑；g為重力加速度。

2.2.2 平湖調蓄分析法

平湖法適用于地形較緩的澇區，在分析時忽略泵站排水時的水面比降，僅考慮水體水平升降變化。為分析調蓄水面變化及蓄排設施的規模，采用水量平衡作為基本原理進行調蓄計算，并通過反復計算來確定合理的泵站規模。水量平衡法公式為：

(3)

3 七星河泵站規模分析

3.1 防洪排澇標準和工程總體布局

根據《武宣縣城總體規劃(2006-2020年)》及《防洪標準》(GB 50201-2014)、《治澇標準》(SL 723-2016)等規范規定[7-8]，武宣縣城主城區防護設計按50年一遇洪水標準，抽排標準采用20年一遇年最大24h設計暴雨1d排完且城區不致災。七星河泵站排澇標準亦為20年一遇年最大24h設計暴雨1d排完且城區不致災。

武宣縣城區位于大藤峽庫區黔江左岸、支流七星河右岸，同時受到黔江洪水、七星河流域洪水及本地暴雨內澇的威脅。另外,受大藤峽水庫運行影響，當大藤峽水庫汛期降低水位運行時，庫區形成10m左右的消落帶，影響水環境安全，惡化城鄉居民生產生活環境。因此，武宣縣城不僅要解決防御黔江、七星河洪澇問題，還要解決治理七星河消落帶環境問題。

為了滿足武宣縣城防洪排澇和七星河消落帶治理的需要，七星河口處集中建立防洪排澇閘壩抵擋黔江洪水，七星河下游形成七星湖。另外，建設黔江左岸堤防聯合七星河口閘壩形成完整的防線抵擋黔江洪水，建設七星河兩岸堤防抵擋七星河流域洪水。黔江左岸堤防、七星河兩岸堤防、七星河口閘壩形成武宣縣城區防洪體系。

武宣縣城區一部分澇水由老虎溝、書房山、崩沖口閘泵直接排入黔江；另一部分屬于七星河流域，由市政管網收集，通過七星河兩岸堤岸預留排水涵管排入七星河。七星河流域上游山洪、下游兩岸澇水匯入七星湖調蓄后，經由七星河口閘泵自排或抽排入黔江。因此，七星湖、七星河口閘泵、老虎溝、書房山、崩沖口閘泵形成武宣縣城區排澇體系。

七星河閘泵工程也是大藤峽庫區武宣縣城七星河防護體系的一部分。

3.2 計算條件分析

3.2.1 七星湖控制水位

七星河閘泵的建設需要解決防洪排澇和治理消落帶等問題，結合大藤峽水庫運行方式，以及七星河流域內耕地抬填片最低抬填高程為61.8m，擬定七星河正常蓄水位61.0m。另外，根據武宣縣城東新區規劃豎向規劃成果，七星河兩岸武宣縣城區域規劃地面高程在64m以上，設計最低雨水管底高程為61.5m，擬定七星湖最高控淹水位為最低雨水管底高程61.5m。

3.2.2 計算工況

七星河流域面積較小，洪水由區內暴雨引發，以武宣站暴雨代表七星河流域洪水進行干支流洪水遭遇分析。根據武宣站日雨量和流量資料分析，黔江干支流不會發生大洪水同頻遭遇的情況，當七星河發生5年一遇(145mm)及以上洪水時，外江相應洪水也在2年一遇洪水(25 300m3/s)以下，外江(黔江干流)發生5年一遇(33 300m3/s)及以上洪水時，七星河相應洪水均在2年一遇(96mm)以下。具體見圖 1。

圖1 七星河與黔江洪水分析圖(單位：m3/s)

根據大藤峽水庫運行調度方式，大藤峽水庫在主汛期、次汛期、非汛期不同來水流量和發電工況條件下，壩前水位在正常蓄水位61～44m之間，相應七星河口回水位見表1和表2。

表1 大藤峽庫區干流(七星河口)設計頻率洪水回水成果表

表2 大藤峽庫區干流(七星河口)對應發電工況回水成果表

武宣縣城區排水按照大藤峽不同運行期外江水位情況，分別采取開閘自排和開泵抽排措施。根據干(黔江)支(七星河)流洪水遭遇分析及大藤峽水庫運行調度方式，考慮可能的計算工況組合12組，各工況設計上下邊界條件見表3。當閘外水位高于閘內水位時，關閘抽排；閘內水位高于閘外水位，開閘自排，按關閘抽排工況分析七星河口泵站規模。

表3 七星河泵閘運行工況邊界條件表

由表3可見，僅工況4和工況5需采用泵站抽排，其他工況均可自排。因此，本次七星河泵站規模調算設計工況采用最不利的組合5，即主汛期干流20年一遇洪水遭遇七星河2年一遇洪水。

3.3 泵站規模

3.3.1 設計排澇流量

根據推理公式法計算公式并分析，七星河2年一遇設計暴雨洪水洪峰流量為148m3/s。

為更好利用七星湖調蓄功能，結合預報調度技術，考慮根據天氣預報提前開閘，將七星湖水位預降至60.50m，騰出218×104m3調蓄庫容。由于七星河流域較小，洪水由區內暴雨引發，而Mike11模型法與平湖法差別不大，對于單泵站排澇，采用平湖法調蓄分析較為簡單。所以，七星河泵站設計利用平湖法調蓄分析，根據公式計算，當起調水位為60.5m，泵站抽排流量不小于32.0m3/s時，可滿足七星湖水位不超過最高控淹水位61.50m。

3.3.2 泵站特征水位

根據規范要求[9]，結合七星湖特征水位及大藤峽運行水位，確定泵站特征水位：

最高運行內水位采用七星湖控淹水位61.50m；設計內水位采用七星湖常水位61.00m；最高內水位為設計工況下的七星湖最高內澇水位62.78m；最低運行內水位和最低運行外水位為起排水位60.50m；設計外水位取外江10年一遇設計水位61.35m；最高運行外水位和防洪高水位取外江50年一遇設計水位66.35m。

4 結 論

本文通過武宣站雨量和流量資料，分析黔江干支流不會發生大洪水同頻遭遇的情況。結合大藤峽運行方式，確定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作為泵站規模設計工況。根據七星湖特征水位及大藤峽運行水位，確定七星河泵站特征水位：

1)最高運行內水位61.50m；設計內水位61.00m；最高內澇水位62.78m。

2)最低運行內水位和最低運行外水位60.50m；設計外水位61.35m。

3)最高運行外水位和防洪高水位66.35m。

根據平湖法調蓄分析，泵站抽排流量不小于32.0m3/s時，可滿足七星湖水位不超過最高控淹水位的要求。