环形河网排涝泵站规模规划设计的体系构建

　随着经济的迅速发展，我国土地资源日益趋于紧张，围填海区域的开发利用率明显增高。全球气候变暖及下垫面的大规模改造在不同程度上改变了水文的循环状况，甚至改变了降雨的强度和持续时间。为确保该区域的安全使用，需要科学合理地规划水系，对其进行排涝能力分析，确定区域排涝所需泵站的规模并预测不同泵站规模下，该区域发生洪涝灾害的可能性。
　　有关学者利用Hecras建立数值计算模型，对许多天然河道的输水与排涝能力做了相关研究，以排涝期间河水是否超过堤顶作为最终评定标准，指出发生洪涝灾害的原因并针对具体工程提出相应的解决办法。本文选择某区域四横四纵环形河网，河网总长约50 km，河网除了保证景观需求，最重要的是保证汛期区雨水排涝。区内降雨由16座雨水泵站提升后排入环形河网，再通过环布河网四周的8座排涝本站外排至外海。本文将影响排涝系统排涝能力的相关参数无量纲化，以衡量环形河网的排涝能力，为今后类似区域的排涝工程建设提供参考。
　　1模型构建
　　1.1排涝系统概化
　　区域排涝系统多由河道、湿地、雨水泵站和排海泵站等组成，排涝泵站与雨水泵站的位置见图1。河网多为人工新开挖的河道，河道断面几何形态见图2。河道糙率是表征河渠底部和岸壁影响水流阻力的综合因素的系数。参考水力学等相关计算手册，根据河道类型将河道糙率设定为0.02～0.025。
　　图1排涝系统结构示意图
　　Fig.1Schematic diagram of drainage system structure
　　图2典型河段断面类型图
　　Fig.2Typical river cross section
　　1.2边界条件
　　1.2.1河道初始水位
　　现代气象预报的时效性与准确性可以为排涝前的准备工作提供依据。实际运行时，可根据预报，将渠网水位预降至低水位，腾空库容，减小排涝泵站的装机容量，提高防洪能力。渠道的调蓄涌容调节通过将渠网初始水位控制于常水位以下，利用渠道初始水位和高水位之间的容积，采用以时间换取空间的方法，获取更大的调蓄库容。模型设定各边界条件不变，计算不同初始水位条件下渠网水系各断面的最高水位，结果见图3。当渠道初始水位降至1.0 m以下时，降低渠道初始水位对渠网水系各断面最高水位结果影响不大；当渠网水位升高至1.2 m以上时，渠网水系各断面最高水位迅速增高。从经济、景观要求和排涝安全三方面考虑，实际运行中渠道初始水位为1.0 m。
　　图3初始水位对最高水位的影响
　　Fig.3The impact of initial water level on maximum water level
　　1.2.2雨水泵站
　　系统内共设16座雨水泵站，每座泵站有8台水泵，每座泵站总的抽排流量范围在8～20 m3/s之间。雨水泵站最大抽排流量根据当地设计暴雨确定。由于城市化的发展，城市地区市政排水和区域排涝设计标准的不同、降雨强度、降雨历时的不同，将直接决定雨水泵站规模与运行情况，包括抽排流量、运行时间等。雨水泵站排水过程线见图4。由于雨水管网集水的时间延迟，降雨刚开始的某段时间内，雨水泵站的抽排流量为递增的过程。每座雨水泵站的8台水泵的运行方式为：每隔15 min开启1台。本文共设定了15种排水方案，各参数取值见表1。本文中各个参数意义如下：T为雨水泵站总排水时间，反映降雨历时（h）；Q雨为雨水泵站最大抽排流量，反映降雨强度（m3/s）；W为雨水泵站排水过程线包围下的面积，反映一次降雨的总量（m3）；Q排为排涝泵站总抽排流量（m3/s）；V为排涝系统的调节库容，即初始水位与设计暴雨水位之间的库容（m3）。根据计算，环形河网的调节库容V=140万 m3/s。
　　图4雨水泵站排水过程
　　Fig.4The drainage process of rainwater pump station
　　1.2.3排涝泵站
　　排涝泵站的任务是将河道内的水提升排进外海，排涝泵站的位置需考虑抽排过程中对河道内水流流态的影响，即保证河道内的水在排涝期间水位波动较小，河道内不形成局部涌水，河道的过流能力满足要求。故排涝泵站布置不能过于集中。本文为做普遍性研究，排涝泵站采取分散对称布置，如图1所示。排涝泵站根据河道实际常年水位情况设定起排水位为0.8 m，关停水位为0.4 m。
　　2河网水系水位差异
　　河网水系各断面最高水位差异指河网某时刻某一断面达到最高水位，其与河网中水位最低断面水位之间的差。按照雨水泵站排水工况，设定模型的边界条件。通过计算得到15种工况下，河网最大超高为0时，比较河网水系各断面最高水位差异。计算结果表明，河网各断面水系涨落较为同步，当某断面水位达到最大值时，其他断面的水位也达到或者几乎达到最大值，见图5。各断面最高水位差Δ≤50 cm，说明排涝期间，河网水位波动不是很大。
　　3排水过程与泵站规模的关系
　　环形河网本身有一定的库容，可对洪水进行调蓄。排涝系统的排涝能力主要受到排涝系统自身的调节能力和该区域降雨强度与降雨历时的影响。为了系统研究这两者之间
　　图5河网水系各断面最高水位差异
　　Fig.5Differences in maximum water levels of
　　each cross section in the river network
　　的关系，本文定义超高概念，超高指河网在排涝期间所能达到的最高水位与设计暴雨水位的差值，并以该区域的降雨量、降雨强度、泵站的排水流量为变量，将雨水泵站的排水总量W以河网的调节库容V无量纲化，排涝泵站抽排流量以雨水泵站最大抽排流量无量纲化，分析它们之间的相互关系。将计算结果绘于图6、图7、图8和图9。
　　当河网水位恰巧达到设计暴雨水位时、且雨水泵站和排涝泵站均以最大抽排流量抽排时，只Q雨=Q排才能保证河网水位不超过设计暴雨水位。由图6、图7和图8可以看出排涝泵站的总的抽排流量小于雨水泵站的排水总量，即Q排/Q雨<1，说明在排涝期间，河网的调蓄作用始终都在发挥。
　　由图6、图7和图8可以得到不同条件下、不同允许超高下排涝泵站的规模。相反，确定了排涝泵站的规模后，也可以查找相应图表分析系统排涝能力及相应风险。
　　图6排水总量与泵站规模的相对关系（Q雨=134）
　　Fig.6Relationship between the total drainage an d
　　scale of drainage pump station （Qr=134）
　　图7排水总量与泵站规模的相对关系（Q雨=200）
　　Fig.7Relationship between the total drainage
　　and scale of drainage pump station （Qr=200）
　　图9为当河网最大超高恰好为0时，V/W与Q排/Q雨的关系，从图中可以看出，当V/W一定时，随着Q雨变大，即降雨强度变大时，Q排/Q雨反而减小，说明在排涝初期河网的调蓄能力发挥了很大的作用，降雨强度是影响河网排涝能力的主要原因。
　　图8排水总量与泵站规模的相对关系（Q雨=267）
　　Fig.8Relationship between the total drainage and
　　scale of drainage pump station （Qr=267）
　　图9调节库容与泵站规模的关系（Δ=0）
　　Fig.9Relationship between the regulating storage and
　　scale of drainage pump station （Δ=0）
　　4结语
　　本文通过构建排涝计算模型，分析环形河网的排涝能力，以该区域的降雨量、降雨强度、泵站的排水流量为变量，将雨水泵站的排水总量W以河网的调节库容V无量纲化，排涝泵站抽排流量Q排以雨水泵站最大抽排流量Q雨无量纲化，分析它们之间的相互关系，评价系统排涝特性，从而确定不同降雨条件下，泵站的相对规模。本文研究思路可以为其他类似工程的规划设计提供参考。
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