楊怡青，余方順，高煒杰，王 童

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192）

1 問(wèn)題的提出

寧波市位于長(zhǎng)三角南岸，境內(nèi)甬江為獨(dú)流入海中小河流，流域面積4 257 km2。甬江為感潮河道，水位受洪、潮雙重影響，變化復(fù)雜且變幅大，沿岸泵站以甬江作為排澇承泄區(qū)。甬江沿岸泵站非簡(jiǎn)單的排田或排調(diào)蓄區(qū)，泵前排水區(qū)內(nèi)既有山區(qū)又有平原，平原內(nèi)部分布有城市和農(nóng)村，兩者排澇標(biāo)準(zhǔn)不同，沿江泵站又與閘門(mén)合建，共用閘前河道，導(dǎo)致泵站調(diào)度運(yùn)行復(fù)雜。以上泵站運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行特點(diǎn)在浙江沿海具有一定的代表性，但規(guī)范并沒(méi)有對(duì)上述情況下的泵站特征水位選取做明確規(guī)定。以甬江沿岸印洪碶泵站為例（地理位置見(jiàn)圖1），結(jié)合GB 50265 — 2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（下稱《規(guī)范》）[1]，提出位于城市地區(qū)，復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的排澇泵站特征水位的選取方法，供類似區(qū)域泵站設(shè)計(jì)參考。

圖1 印洪碶強(qiáng)排泵站地理位置圖

2 工程概況

寧波市印洪碶強(qiáng)排泵站[2]位于寧波市江東區(qū)，甬江右岸，距離出?？诩s21.0 km。甬江由奉化江和姚江在寧波三江口匯合而成，流域總面積4 257.0 km2，其中山區(qū)面積2 242.2 km2，占52.7%，平原面積2 015.0 km2，占47.3%。主源剡江發(fā)源于奉化、余姚、嵊州三市交界的大灣崗東坡董家彥，河源至蕭王廟橡膠壩出山口，河長(zhǎng)52.5 km，繼續(xù)東北流68.2 km至鎮(zhèn)海入東海。甬江河口為弱潮河口，平均潮差在1.80 m，枯季潮水可上溯至蕭王廟橡膠壩下。沿海潮汐屬非正規(guī)半日潮型，其相鄰的高潮低潮均不相等，夏季的夜高潮高于日高潮，冬季日高潮高于夜高潮。

印洪碶泵站設(shè)計(jì)總流量30 m3/s，共3臺(tái)機(jī)組，與印洪碶閘合為鄞東南平原印洪碶河排水出口。鄞東南平原位于寧波市東南，東枕鄞東南山區(qū)丘陵，西鄰奉化江干流，南臨東江，北頻甬江干流，流域總集雨面積703.0 km2，其中平原面積403.0 km2，山區(qū)面積300.0 km2，流域內(nèi)地勢(shì)南高北低、東高西低，自然形成由南向北排、自東向西排的排水格局。平原內(nèi)部河網(wǎng)密布，現(xiàn)狀水面率約6.6%。

鄞東南片區(qū)現(xiàn)為寧波市行政中心所在地，涵蓋了江東區(qū)、國(guó)家高新技術(shù)園區(qū)、鄞州中心區(qū)等已建城區(qū)面積約150.0 km2，占平原總面積37%，排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇24 h暴雨24 h排出不受淹，其余排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇3 d暴雨3 d排出。據(jù)規(guī)劃[3]鄞東南平原將建成10大排水系統(tǒng)，由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，土地資源有限，通過(guò)新增排澇通道和提高水面率等工程措施以提高洪澇水外排和滯蓄能力的方案實(shí)施難度較大，增設(shè)強(qiáng)排泵站是最有效也是最直接的工程措施。印洪碶泵站在排澇體系中具有重要的地位和作用，能夠有效提高現(xiàn)有排水通道的利用效率，加快平原澇水外排，縮短平原受災(zāi)時(shí)間，將大大緩解平原的排澇壓力。

根據(jù)印洪碶泵站的任務(wù)為配合閘門(mén)排水，擬定印洪碶泵站的調(diào)度方案為：在洪水期，根據(jù)防汛部門(mén)調(diào)度指令，在外江水位高于內(nèi)河水位閘門(mén)無(wú)法排水時(shí)，即開(kāi)泵排水。

3 計(jì)算方法

特征水位求取有水文學(xué)法和水力學(xué)法，水文學(xué)法需要長(zhǎng)系列資料，而本地區(qū)可供分析的資料較少，且水文學(xué)法僅能統(tǒng)計(jì)分析建泵前情況，難以說(shuō)明建泵后的水位變化情況，因此本次計(jì)算主要采用能夠模擬建泵后水位變化的水力學(xué)法。水力學(xué)法的核心是建立流域數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬洪澇水在干流和平原的演進(jìn)，求取泵前泵后水位過(guò)程，并根據(jù)特征水位選取要求，計(jì)算相應(yīng)的特征水位。

本次主要是建立“寧波市甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型”的水力學(xué)模型開(kāi)展計(jì)算，該數(shù)學(xué)模型[4]由寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)，并經(jīng)由水利部國(guó)際合作與科技司驗(yàn)收通過(guò)，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用到寧波市的水利設(shè)計(jì)及防汛調(diào)度中，特別是在防臺(tái)抗臺(tái)中，獲得多次驗(yàn)證，贏得了良好的口碑。

該模型的基本原理是：根據(jù)流域河道和水利工程數(shù)據(jù)，將流域水系概化成由河網(wǎng)和水域組成的體系。河網(wǎng)由流域內(nèi)骨干河道和重要連接等一系列主要河道組成，是流域輸送水流的載體；水域主要由支流小溪、水塘等水體概化成，主要起著水量調(diào)蓄作用。對(duì)河網(wǎng)采用節(jié)點(diǎn) — 河道模型，對(duì)成片水域則劃分為單元，這部分單元僅起蓄水調(diào)節(jié)作用，不起動(dòng)力輸水作用。通過(guò)引入陸域?qū)挾雀拍睿泳W(wǎng)和水域組成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，或稱混合模型。

混合模型中水流在河道中運(yùn)動(dòng)采用一維非恒定流方法來(lái)模擬，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

式中：q為河道旁側(cè)入流（m3/s）；BT為當(dāng)量河寬（m）；Z為斷面水位（m）；Q為流量（m3/s）；K為流量模數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)方程的求解，用隱式差分法化為差分方程，再與邊界條件及初始條件聯(lián)立得微分方程組，運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序求解河網(wǎng)水量微分方程組，最后求得各節(jié)點(diǎn)、斷面的水位和流量過(guò)程。

目前甬江流域數(shù)學(xué)模型由產(chǎn)匯流模型和河網(wǎng)水動(dòng)力模型2部分組成，其中產(chǎn)匯流模型共劃分了150個(gè)產(chǎn)流分區(qū)，其中平原35個(gè)，山區(qū)115個(gè)，這115個(gè)山區(qū)中有28個(gè)由水庫(kù)控制；河網(wǎng)水動(dòng)力模型共概化有2 308條河段，2 032個(gè)節(jié)點(diǎn)，14 877個(gè)斷面，352座碶閘（含泵站），960片平原調(diào)蓄空間，并剖分了70 246個(gè)網(wǎng)格。甬江流域數(shù)學(xué)模型河網(wǎng)概化見(jiàn)圖2。

為檢驗(yàn)所建洪水分析計(jì)算模型的合理性和適用性，選用洪水發(fā)生時(shí)間較近、實(shí)測(cè)資料較完整且量級(jí)大小不同的2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)、2015年“燦鴻”臺(tái)風(fēng)、2015年“杜鵑”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)河道水位過(guò)程吻合較好，最高水位差值達(dá)到較好水平，說(shuō)明所選模型能夠模擬河道水位過(guò)程變化。

圖2 甬江流域數(shù)學(xué)模型河網(wǎng)概化圖

4 泵站特征水位選取

4.1 泵站進(jìn)水池水位

4.1.1 設(shè)計(jì)運(yùn)行水位

設(shè)計(jì)運(yùn)行水位是排水泵站站前經(jīng)常出現(xiàn)的內(nèi)澇水位，是計(jì)算確定泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程的依據(jù)?！兑?guī)范》根據(jù)排水區(qū)有無(wú)調(diào)蓄容積分為2種情況，一是調(diào)蓄區(qū)容積較小的采用大部分耕地（90% ～ 95%耕地）不受澇的高程作為排水渠道的設(shè)計(jì)水位，再推算到泵前。二是根據(jù)調(diào)蓄區(qū)設(shè)計(jì)水位計(jì)入排水渠道的水力損失后作為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位。

分析本地區(qū)泵前排水區(qū)可知，泵前無(wú)固定集中調(diào)蓄區(qū)，可參與調(diào)蓄的是平原河網(wǎng)和低洼農(nóng)田，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，農(nóng)田分布點(diǎn)多面廣，難以采用《規(guī)范》所述排調(diào)蓄區(qū)方法推算泵前設(shè)計(jì)運(yùn)行水位；泵站位于中心城區(qū)，而鄞東南平原低洼農(nóng)田多分布于城市郊區(qū)，距離泵站在15.0 ～ 30.0 km，且分布散、跨度大，對(duì)《規(guī)范》所述第一種推算泵前設(shè)計(jì)水位不適用。因此，本次計(jì)算從設(shè)計(jì)運(yùn)行水位定義出發(fā)，直接統(tǒng)計(jì)泵前泵站運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的水位（平均水位）作為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位。

采用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)擬定的調(diào)度方案，模擬建泵后排水區(qū)遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)泵前水位變化過(guò)程，統(tǒng)計(jì)泵站排澇時(shí)段泵前平均水位作為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位，本區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇（感潮河網(wǎng)地區(qū)，需考慮洪潮組合，根據(jù)本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，洪20與潮5組合，洪5與潮20組合，分別統(tǒng)計(jì)。當(dāng)洪20 + 潮5時(shí)，泵前排澇時(shí)段平均水位為1.82 m；當(dāng)洪5 + 潮20時(shí)，泵前排澇時(shí)段平均水位為1.64 m），取外包線作為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位，即印洪碶泵前設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為1.64 m。排澇標(biāo)準(zhǔn)下泵站前后設(shè)計(jì)運(yùn)行水位過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 排澇標(biāo)準(zhǔn)下泵站前后設(shè)計(jì)運(yùn)行水位過(guò)程圖

4.1.2 最高運(yùn)行水位

最高運(yùn)行水位是排水泵站正常運(yùn)行的上限排澇水位。規(guī)范取按排水區(qū)允許最高澇水位的要求推算到站前的水位。但鄞東南平原河網(wǎng)互相連通，排水區(qū)東西寬20.0 km，南北寬30.0 km，難以確定起推位置。因此，本次采用模型直接計(jì)算泵前泵排時(shí)段最高水位作為最高運(yùn)行水位，本工程泵前排水區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，故取泵前20 a一遇最高澇水位，為2.47 m。

4.1.3 最低運(yùn)行水位

最低運(yùn)行水位是排水泵站正常運(yùn)行的下限排澇水位，是確定水泵安裝高程的依據(jù)。低于這個(gè)水位運(yùn)行將使水泵產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)，給工程運(yùn)行帶來(lái)困難。根據(jù)《規(guī)范》，取按降低地下水埋深或調(diào)蓄區(qū)允許最低水位的要求推算到站前的水位。并必須滿足3個(gè)要求：①滿足作物對(duì)降低地下水位的要求；②滿足調(diào)蓄區(qū)預(yù)降最低水位的要求；③滿足鹽堿地區(qū)控制地下水位的要求。

由以上分析，本工程并不是簡(jiǎn)單的排田或是排調(diào)蓄區(qū)，無(wú)法根據(jù)上述3個(gè)要求確定最低運(yùn)行水位。因此本次最低運(yùn)行水位從泵站安全運(yùn)行需求出發(fā)，結(jié)合工程調(diào)度及實(shí)際運(yùn)行情況2種運(yùn)行工況，取較低水位作為泵站最低運(yùn)行水位：①受臺(tái)風(fēng)登陸前期降水影響，接防汛部門(mén)調(diào)度指令，為應(yīng)對(duì)后期的強(qiáng)降雨，提前搶排澇水及控制平原水位要求（鄞東南平原預(yù)泄水位為0.90 m）；②根據(jù)近年來(lái)臺(tái)風(fēng)期對(duì)本區(qū)域各水位站水位過(guò)程觀測(cè)可知，閘前最低水位為0.80 m左右。綜合考慮以上2種工況泵站安全運(yùn)行的需要，本次推薦泵前最低運(yùn)行水位為0.80 m。

4.2 泵站出水池水位

4.2.1 設(shè)計(jì)運(yùn)行水位

設(shè)計(jì)運(yùn)行水位是計(jì)算確定泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程的依據(jù)。泵站出水池設(shè)計(jì)水位與排區(qū)暴雨存在內(nèi)外組合問(wèn)題，規(guī)范取重現(xiàn)期5 ～ 10 a一遇的排水時(shí)段平均潮水位。

針對(duì)本區(qū)域?yàn)楦谐焙泳W(wǎng)的特點(diǎn)，內(nèi)外組合問(wèn)題即洪潮組合問(wèn)題，根據(jù)本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，排澇標(biāo)準(zhǔn)需考慮2種組合情況，即洪20 + 潮5（泵后排澇時(shí)段平均水位為2.08 m）和洪5 + 潮20（泵后排澇時(shí)段平均水位為2.11 m），規(guī)范僅規(guī)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨與外江5 ～ 10 a一遇潮水組合的情況，不能全面反映本區(qū)域的排澇特點(diǎn)和排澇需求。因此本次取本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)洪潮組合方式的外包線作為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位，即印洪碶泵后設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為2.11 m。

4.2.2 最高運(yùn)行水位

最高運(yùn)行水位是確定泵站最高揚(yáng)程的依據(jù)。規(guī)范條文說(shuō)明解釋其確定與外河水位變化幅度有關(guān)，且重現(xiàn)期的采用應(yīng)保證泵站機(jī)組在最高運(yùn)行水位工況下能安全運(yùn)行，同時(shí)也不應(yīng)低于確定設(shè)計(jì)運(yùn)行水位時(shí)所采用的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，因此規(guī)范取重現(xiàn)期10 ～ 20 a一遇的排水時(shí)段平均潮水位作為最高運(yùn)行水位。

針對(duì)本工程，位于中心城區(qū)，排澇需求強(qiáng)烈，在外江出現(xiàn)高潮頂托閘門(mén)無(wú)法排水時(shí)，泵站就有啟用需要。工程與外江堤防防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)都為100 a一遇，在外江達(dá)100 a一遇洪（潮）水位時(shí)，堤防和泵站工程均安全，在此情況下，應(yīng)該保證泵站機(jī)組的安全運(yùn)行，發(fā)揮排澇作用，降低受災(zāi)損失。同時(shí)也可以避免基層管理人員的理解誤區(qū)，當(dāng)外江水位高于泵站最高運(yùn)行水位時(shí)，泵站是否就不能運(yùn)行的疑問(wèn)，從而避免可能導(dǎo)致的誤操作。因此本次考慮最高運(yùn)行水位與外江防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)一致，取100 a一遇設(shè)計(jì)洪（潮）水位3.45 m。

4.2.3 最低運(yùn)行水位

最低運(yùn)行水位是確定泵站最低揚(yáng)程和流道出口淹沒(méi)高程的依據(jù)。規(guī)范取承泄區(qū)最低潮水位的平均值，但考慮到本地區(qū)為閘泵結(jié)合排水，在平均最低潮水位時(shí)，閘門(mén)可自排，考慮以上情況，本次取出水池側(cè)最低運(yùn)行水位與泵前最低運(yùn)行水位一致，即0.80 m。印洪碶泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 印洪碶泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

5 結(jié)論和建議

泵站的特征水位是確定泵站特征揚(yáng)程的依據(jù)，直接影響泵站工程的工程投資、經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行。城市排澇泵站運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)城市排澇泵站時(shí)，泵站特征水位選取難以直接引用規(guī)范，增加了設(shè)計(jì)難度。本文通過(guò)建立“寧波市甬江流域洪水模擬數(shù)學(xué)模型”，考慮不同的洪潮組合進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，選取合理的泵站特征水位，充分發(fā)揮泵站的排澇能力。

泵站特征水位及泵站運(yùn)行效益與泵前河道規(guī)模息息相關(guān)，建議在泵站建設(shè)時(shí)，考慮泵前河道的輸水能力，做到泵站規(guī)模與泵前河道匹配，保證泵站運(yùn)行的穩(wěn)定和效益。