城區與農田混排區排澇泵站流量計算方法的探討

劉 超

（安徽省蚌埠市水利勘測設計院 蚌埠 233000）

近年來，隨著城鎮化進程不斷加快，特別是城市新城區和工業園區的建設，導致城市新區原有的農田排澇區泵站排澇能力不能滿足新建城區和農田的排澇要求，須重建和新建排澇泵站，增加排澇流量，提高防澇減災能力。但由于城區雨水設計以城市短歷時暴雨強度公式和雨水設計流量公式為主，而農田排水流量公式主要為推理公式法、瞬時單位線法水文公式，這兩種計算方法在暴雨樣本選樣及采用的重現期上有較大差異，排澇設計流量成果相差較大。因此，目前還沒有統一排澇標準與方法確定城區與農田混排區排泄澇泵站的設計流量。現以五河縣沫河口工業園區三鋪湖排澇泵站規模計算為例進行研究探討。

1 排澇區概況

三鋪排澇區位于蚌埠市五河縣沫河口鎮境內，總面積51.0km2，五河縣沫河口工業園區座落在排澇區南部，三鋪大溝兩側，工業園區規劃面積10.0 km2。

排澇區內有三鋪大溝和沫沖引河兩條排澇骨干大溝，其中三鋪大溝為南北向，溝長6.2km，集水面積23.4km2；沫沖引河為東西向，溝長7.62km，集水面積27.6km2。兩溝在沫河口鎮東交匯后向南穿淮北大堤入淮河，當淮河水位不頂托時，三鋪湖澇水匯入沫沖引河和三鋪大溝，通過三鋪涵自排入淮河。

為解決汛期受淮河高水位頂托時的澇水出路問題，于20世紀60年代中期在三鋪大溝入淮處修建三鋪湖排澇泵站，在淮河高水位時抽排澇水入淮河，幾經改造，總裝機1660kW，抽排能力18.2m3/s，抽排模為0.3 m3/s/km2，約合3年一遇的標準。

但由于沫河口工業園區沿三鋪大溝南段兩岸規劃建設，地勢相對較低，地面高程在16.0m左右，加之三鋪湖泵站排澇能力不足，汛期易受澇災，成為制約沫河口工業園區建設和發展的主要因素之一。為保障工業園區內的正常建設和生產，規劃重建三鋪排澇泵站。

2 泵站規模確定方法的選取

目前在蚌埠地區城市排水流量計算主要采用短歷時暴雨強度公式和室外排水設計規范中的雨水量計算公式。農田區主要是采用《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》（1981年）進行計算，即按3d暴雨中后2d暴雨所產生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄（V）后，在2d內平均排出計算。

2.1 城區流量計算方法

目前蚌埠地區城區排澇流量主要用暴雨強度公式和室外排水設計規范中的雨水量計算公式計算。即：

2.1.1 暴雨強度

q=2550×（1+0.77×lgp）（/t+12）0.71

式中：q——暴雨強度（L（/s·ha））；

p——重現期（y），城市一般地區p=1y，相對封閉的地勢低洼地區p=1.5～2y，重要節點工程如立交橋地區p=3y；

t——降雨歷時（min）。

2.1.2 雨量計算公式

Q=ψFq

式中：Q——雨水流量（L/s）；

ψ——徑流系數；

F——面積（ha）。

2.1.3 降雨歷時

降雨歷時按如下公式計算：

t=t1+mt2

式中：t——降雨歷時（min）；

t1——地面集水時間（min），根據最遠集水點至收水口的距離長短、地形坡度和地面鋪蓋情況而定，一般5～15min；

m——折減系數，根據管涵形式、坡度及出口條件取1～2。

根據工業園區排水規劃，規劃區排水模數在5～7m3/s/km2。

2.2 農田計算方法

農田排澇流量計算主要采用的計算辦法是《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》（1981年），小面積（50km2以下）抽排模數公式計算原則上按3d暴雨中后2d暴雨所產生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄（V）后，在2d內平均排出計算。采用公式：

M抽＝（R2d－V）/（2×86.4）

經計算，農田區5年一遇的排澇模數為0.45 m3/s/km2，10年一遇的排澇模數為0.76 m3/s/km2。

根據沫河口工業園區排水規劃，其澇水通過排水管道或明渠直接排入三鋪大溝和沫沖引河，由位于淮北大堤內側的三鋪湖排澇泵站抽排入淮河，為典型的城區與農田混排區。要求排澇泵站規模既不能局限于只排工業園區內的澇水，也不能僅僅作為區域泵站按農田排澇標準考慮。但是由于城區與農田排水量計算基礎的差異，僅簡單把工業園區計算的流量與農田區計算的流量相加，顯然缺乏可信度。同時，工業園區采用的暴雨強度公式計算雨水量，基本上是雨水來多少排多少，雨水即時排出，沒有考慮整個排澇區內溝塘和農田的調蓄以及農田區匯流的滯后性，泵站規模較大，有效利用時間少。經反復探尋，按同一排澇標準、降雨歷時，充分考慮排澇區內溝塘及農田調蓄的原則，以充分利用現有水利工程，通過合理調度，保證排澇泵站經濟運行為指導思想，確定排澇泵站的設計規模。經多種方案比較分析，工業園區規劃按24h凈雨24h平均排出，農田區按3d降雨中后2d降雨所產生的凈雨扣除水田調蓄后，在2d內平均排出的方法，分別計算工業園區和農田區在設計標準下的排澇流量，兩者之和即為泵站的設計流量。

3 泵站設計流量的確定

根據沫河口工業園區規劃和三鋪湖洼地治理規劃，按相關規范的規定，三鋪湖洼地近期治理排澇標準為10年一遇。

由于三鋪湖洼地區域內沒有雨量站，故采用近鄰的蚌埠水文站實測的降雨資料進行頻率分析，3d降雨均值為138.79mm，Cv＝0.39，Cs/Cv=4.0。10年一遇 3d 設計暴雨為210.8mm。查《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》附表1，集水面積在100km2及以下，10年一遇降雨量為215mm，與蚌埠站分析數字基本一致。因此，三鋪湖洼地排澇模數計算10年一遇降雨采用215mm。設計凈雨、抽排模數均按《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》計算。

設計凈雨：前期影響雨量均采用55mm，查a區線，農田區10年一遇設計凈雨為165mm，城市規劃區凈雨取降雨乘徑流系數，徑流系數取0.85。

城市抽排模數，按24h凈雨24h平均排出，則：

M城市=α×P/86.4

式中：M城市——城區排水模數；

α——最大24h凈雨占3d凈雨總量的權重，其值約為84%；

P——3d暴雨相應的凈雨深。

農田抽排模數原則上按3d暴雨中后2d暴雨所產生的凈雨（R2d），扣除水田滯蓄后（V），在2d內平均排出計算，采用計算公式：

表1 24h暴雨時程分配表（以%計）

式中：M抽——抽排模數；

旱地率——包括非耕地水田率均按占總排水面積的百分數比；

P——3d暴雨量；

R——相應的凈雨（代表旱地）。

系數0.9為后2d暴雨（或凈雨）占3d暴雨（或凈雨）的權重；2×5（mm）為 3d 內水田面積上的降雨損失；200（mm）為水田的凈滯蓄水深。

計算得10年一遇工業園區抽排模為1.78m3/s/km2，農田抽排模為0.77m3/s/km2。

三鋪湖排澇泵站排澇面積51km2，其中工業園區面積10km2，農田區41km2，按10年一遇排澇標準（城市區排模1.78m3/s/km2，農田區排模0.77m3/s/km2），三鋪湖洼地治理抽排流量為50m3/s。

4 流量復核

為驗證計算成果的合理性、可靠性，按排澇區發生設計標準降水（10年一遇）和發生超標準降雨（20年一遇、50年一遇），對泵站規模進行復核。

4.1 核算方法的選定

三鋪湖排澇泵站的排澇區由城市規劃區和農田區組成，目前本地區沒有可采用的城市建城區和小面積農田的短歷時徑流過程線，因此從偏安全方面考慮，采用不同頻率最大24h降雨，然后按一定的比例分配到每小時，得到每小時的降雨量，按徑流系數法計算凈雨，求得排澇區的徑流過程。根據排澇泵站的設計條件，確定14.5m（泵站的最低設計水位）為起調水位，泵站正常抽排50m3/s的條件下，按水量平衡公式進行洼地蓄水庫容調算，從而核算泵站的裝機規模。

4.2 降雨量分析

因三鋪湖洼地流域沒有長系列降雨資料，采用蚌埠站系列年實測降雨量資料，對年最大24h雨量系列進行頻率分析，均值為96.36mm，Cv為0.35，Cs/Cv為3.5。10年一遇24h暴雨分別為 141.6mm，20年一遇 24h暴雨為160.2mm，50年一遇24h暴雨為183mm。

4.3 最大24h降雨時程分配

根據1975年版《安徽省水文手冊》，采用淮河以北（包括沿淮）最大24h暴雨時程分配成果，暴雨時程分配見表1。

根據《室外排水設計規范》（GB50014-2006），短時降雨工業園區綜合徑流系數取0.6。按照《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》，不考慮前期影響雨量，農田區徑流系數為0.45；不考慮匯流時間，計算排澇區匯流量，從而得到排澇區24h降雨匯流過程線。

表2 洼地調蓄庫容曲線表

4.4 排澇區洼地調蓄庫容

根據三鋪湖排澇區水利工程現狀及五河縣沫河口工業園區規劃，起到調蓄作用的除三鋪大溝、沫沖引河、李洼大溝等排澇大溝外，還有李洼大溝下段洼地（規劃為工業園區的綠化用地）及工業園區南部、寧洛高速公路以南的洼地，由規劃的排澇溝斷面和萬分之一航測圖量算，可用于調蓄澇水的洼地面積約1.95km2，16.0m高程以下調蓄庫容約183.9萬m3，洼地調蓄庫容曲線表見表2。

4.5 10年一遇降雨核算

按農田面積41km2，城市建成區面積10km2，不考慮現有工程的調度，按規劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第10、11、12、13四個時段匯流流量大于抽排流量，經平衡計算，有108萬m3的澇水需短時間滯蓄。經調算，最高水位為15.66m，低于工業園區內地面高程。

4.6 20年一遇降雨核算

按現有水利工程布局，關閉三鋪大溝上的五蚌公路節制閘，攔截五蚌公路以北15.87 km2的澇水錯峰下泄，按規劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第10、11、12三個時段匯流流量大于抽排流量，經平衡計算，有74.78萬m3的澇水需短時間滯蓄。經調算，最高水位為15.46m，低于工業園區內地面高程。

4.7 50年一遇降雨核算

按現有水利工程布局，關閉三鋪大溝上的五蚌公路節制閘和沫沖引河上的橫嶺閘，攔截五蚌公路以北15.87 km2、橫嶺路以東9.58 km2的澇水錯峰下泄，按規劃的50m3/s的排澇泵站進行抽排，只有在第11、12兩個時段匯流流量大于抽排流量，經平衡計算，有59.14萬m3的澇水需短時間滯蓄。經調算，最高水位為15.32m，低于工業園區內地面高程。

上述分析可知，10年一遇的設計標準及超設計標準的20年一遇、50年一遇的降雨時，通過現有水利工程的合理調度運行，充分利用溝塘及農田的短時間調蓄，泵站前池水位均低于工業園區的地面高程16.0m和廠區地面高程16.5m，不會因排澇大溝澇水水位過高引起倒灌而淹沒工業園區。因此，三鋪湖排澇泵站設計規模為50m3/s，能滿足排澇要求