豐城市城西防洪綜合整治工程排澇流量計算分析

朱永華

(江西省豐城市水利局，江西豐城 331100)

江西省豐城市中心城區總體規劃為“一江兩岸”格局，贛江穿城而過，河東、河西兩大城市區隔江相望;城西區將建成集商業金融、文體娛樂、居住等功能為一體的城市新區，規劃居住人口13萬人。

城西防洪綜合整治工程是城西區防洪、排澇的骨干工程，包括防洪堤及內澇治理工程，工程建成后可保護城西區免受贛江洪水威脅，及時排除區內澇水，保障當地人民生命及財產安全。排澇泵站是內澇治理工程主要水工建筑物，排澇流量計算分析是確定排澇泵站裝機規模的主要依據，本文通過幾種方法分別計算了城西區設計暴雨流量，并進行了較為全面的比較分析，提出了合理的設計暴雨流量，為排澇泵站設計提供了依據。

1 排澇標準及規劃

1.1 排澇標準

根據《城市防洪工程設計規范》，通常以排除一定重現期的暴雨所產生的徑流作為治澇工程的設計標準。目前，我國一些城市的治澇設計標準基本在5～20 a一遇，廣東、廣西等省及地區的縣級市一般采用10 a一遇。

根據我國各地的工程經驗，泵站工程由于涉及機電設備較多、工程運行成本較高，為控制工程投資，一般采用較低的治澇設計標準。城西區保護人口小于20萬，為一般重要的保護城市區，城市防洪工程等別為四等。根據規范并結合相關類似工程經驗，城西防洪整治工程中，泵站排澇設計標準:10 a一遇24 h最大降雨一日(24 h)排除。

1.2 排澇規劃

豐城市城西區共設兩處內澇出口，每處布置一座排澇泵站，即蔡家排澇站和龍頭山排澇站。龍頭山排澇站位于防洪堤下游段，地勢較低，集水面積較大，皮湖水庫下泄洪水亦從該處排入贛江，工程區大部分內澇通過該泵站排除，為主排澇站。蔡家排澇站位于防洪堤上游段，地勢較高，集水面積較小，主要排除劍邑大橋上游區域內澇，其排澇流量較小，為次要排澇站。兩處排澇站通過排澇渠道連接，實現協同排澇。

1.3 排澇分區

城西區總匯水面積30.84 km2，根據排澇泵站布置、工程區降雨匯流條件以及雨水調蓄區分布情況，將工程治澇范圍劃分為A、B、C 3個區間。皮湖水庫區間為B區，匯集水庫壩址以上區域雨水，匯水面積10.66 km2，水庫下泄洪水通過龍頭山排澇站排入贛江。水庫以外范圍以劍邑大橋為界，分成A區和C區，其中，大橋上游區間為A區(蔡家排澇區間)，匯水面積8.07 km2，該區間降雨產生的澇水主要通過蔡家排澇站排入贛江。大橋下游區間為C區(龍頭山排澇區間)，匯水面積12.11 km2，該區間降雨產生的澇水主要通過龍頭山排澇站排入贛江。

2 排澇流量計算

降雨產生的排澇流量計算方法主要有:調蓄演算法、排水模數法、平均排除法。

2.1 調蓄演算法

該工程調蓄區主要為皮湖水庫和濕地公園。調蓄計算主要內容為:①皮湖水庫壩址以上匯水區域的設計洪水，經過皮湖水庫調蓄作用，計算水庫下泄洪水過程;②皮湖水庫下泄洪水、排澇渠來水及濕地公園周邊區間匯集雨水，經過濕地公園調蓄后，計算其出流過程，以確定龍頭山泵站裝機規模。

2.1.1 皮湖水庫調蓄計算

皮湖水庫位于防洪堤保護區內，為小(1)型水庫。2010年，皮湖水庫進行了擴建，擴建后水庫正常高蓄水位28.38 m，總庫容為612萬m3。擴建后，皮湖水庫主要工程建筑物有:大壩、溢洪道及壩下輸水涵管。溢洪道為開敞式，無閘控制，溢流堰頂高程28.38 m。皮湖水庫庫水位-庫容關系見表1，溢洪道泄流能力見表2，輸水涵管泄流能力見表3。

表1 皮湖水庫庫水位-庫容關系曲線

表2 皮湖水庫溢洪道泄流能力

表3 皮湖水庫輸水涵管閘門全開時泄流能力

通過溢洪道及壩下涵管泄水控制庫水位，皮湖水庫騰出部分庫容，具有一定的雨水調蓄作用，確定排澇泵站裝機規模時，應適當考慮該水庫的雨水調蓄功能。結合皮湖水庫的庫容、水工建筑物泄水能力等因素計算分析，汛期利用輸水涵管過流控制庫水位不超過27.38 m，提供90萬m3的蓄澇庫容。據此條件進行皮湖水庫洪水調節計算，起調水位27.38 m。最大下泄洪流量6 m3/s，說明水庫調蓄作用明顯。

2.1.2 蔡家排澇站規模擬定

蔡家排澇站主要排除A區雨水，A區設計頻率洪水過程線見表1。由于蔡家排澇區間沒有大面積雨水調蓄區，因此，根據A區10 a一遇24 h最大暴雨洪水過程線，擬定蔡家排澇泵站設計暴雨排澇流量為8.5 m3/s。當A區暴雨產生的流量大于蔡家站的設計流量時，該區余量內澇水流通過排澇渠道引至工程區下游的濕地公園調蓄區，經過調蓄后，由龍頭山站排除。

2.1.3 濕地公園調蓄計算分析

根據城西區詳細規劃，在龍頭山與老洲村之間建濕地公園，濕地公園面積約55 hm2。計算分析濕地公園調蓄能力時，調蓄水深考慮1.0，2.0 m兩種情況;水面面積考慮30萬，35萬，40萬，50萬m24種情況。經過比選，擬定龍頭山濕地公園調蓄水面面積為35萬m2，調蓄水深取2 m，起調水位23.0 m。

皮湖水庫下泄洪水(B區)、排澇渠來水(即A區余量澇水)以及濕地公園周邊區間(即C區)匯集雨水，經過濕地公園調蓄后，由龍頭山泵站排入贛江。C區設計洪水見表1。

經過調蓄計算，控制濕地公園水面不超過25.0 m，不淹沒城區;充分考慮濕地公園對內澇的調蓄作用，計算出龍頭山排澇泵站設計暴雨排澇流量為23 m3/s。

2.2 排水模數法

澇區1 km2集水面積的最大排水流量稱為排水模數［m3/(s·km2)］，排水流量及排水模數計算公式如下:

式中Q為排水流量，m3/s;q為排水模數，m3/(s·km2);A為集水面積，km2;R為設計暴雨所產生的徑流深，mm，由暴雨、徑流關系推求;m為峰量指數(反映排水模數與洪峰流量的關系);n為遞減系數(反映排水模數與面積的關系);K為綜合系數(反映河溝配套程度、排水溝坡比、降雨歷時及流域形狀等因素)。

設計暴雨、設計暴雨與地面徑流的關系、排水模數，各地多有觀測總結資料，排水泵站工程規劃時一般可直接查用。參照國內平原湖區資料，集水面積小于500 km2時，K=0.0135，m=1.0，n=-0.201。下面介紹了10 a一遇24 h最大降雨條件下，皮湖水庫區域、水庫以外區域排水流量計算情況。

(1)皮湖水庫區域。皮湖水庫集雨面積10.66 km2，設計暴雨所產生的徑流深155.0 mm，經過計算，其排水模數q=1.3 m3/(s·km2)，排水流量Q=13.86 m3/s。

(2)皮湖水庫以外區域。城西防洪堤保護區集水總面積30.84 km2，皮湖水庫區域集水面積10.66 km2，水庫以外區域集水面積20.18 km2，水庫以外區域規劃為城區，設計暴雨所產生的徑流深162.0 mm，經過計算，其排水模數 q=1.2 m3/(s·km2)，排水流量 Q=24.22 m3/s。

2.3 平均排除法

平均排除法，區域產生的總水量除去滯蓄外，其余均需在規定時間內排除。計算公式如下:

式中Q為設計排水流量，m3/s;A水田為澇區水田面積，km2;A旱荒為澇區旱地、道路、村鎮面積，km2;A河湖為澇區河網、湖泊水面積，km2;P設計為設計暴雨量，mm;T為排水天數，d;t為每天開機小時數，h;C為旱荒地一次暴雨徑流系數;h水田為水田允許滯蓄水深，mm;h河湖為河網、湖泊蓄澇水深，mm。

該工程基本無水田，主要由城區、旱地及水面組成，排水天數為1 d，每天排水小時數取24 h。工程區10 a一遇最大24 h暴雨量為206.4 mm。根據以上條件，分別計算皮湖水庫區域、水庫以外區域排水流量。

(1)皮湖水庫區域。皮湖水庫集雨面積10.66 km2，水庫水面積約1.0 km2。該區域以旱地為主，旱荒地一次暴雨徑流系數取C=0.4。水庫水面蓄澇水深取100 mm。經計算，設計排水流量8.1 m3/s。

(2)皮湖水庫以外區域。皮湖水庫以外區域集水面積20.18 km2。水庫以外區域規劃為城區，其中濕地公園面積0.55 km2，水面面積0.35 km2。該區域一次暴雨徑流系數取C=0.6。

濕地公園作為主要雨水調蓄區，起調水位23.00 m，控制高水位25.00 m，水面蓄澇水深取2000 mm。經計算，設計排水流量為20.32 m3/s。

3 計算方法比較

3.1 調蓄演算法

調蓄演算法考慮雨水調蓄區的滯洪、削峰作用。該計算方法先計算出工程區暴雨產生的流量過程，再考慮大面積水體的調蓄作用，進行調蓄計算后，得到調蓄削峰后的流量過程。計算過程中，考慮了雨水產匯流時間因素，以及工程區水庫等調蓄區的削峰、滯蓄作用，計算結果較客觀。

城西區域主要雨水調蓄區有皮湖水庫及濕地公園，皮湖水庫流域產生的澇水，經過水庫調蓄，下泄洪水峰值有所削減;水庫下泄洪水及水庫以外區域地表匯水，經過濕地公園調蓄后，需要排除的澇水流量峰值進一步削減。

3.2 排水模數法

排水模數法通過計算澇區單位面積(km2)的最大排水流量，以求得工程區暴雨產生的總流量。該法計算時考慮了暴雨產生的徑流深，利用綜合系數反映河溝配套程度、排水溝坡比、降雨歷時及流域形狀等因素，計算中的有關參數主要是類比工程經驗取值，具有較大的可變性。該計算方法沒有考慮工程區調蓄及雨水匯流時間長短這兩個主要因素，而該工程有較大的雨水調蓄區，這是該計算方法存在的主要缺點。

3.3 平均排除法

平均排除法，區域產生的總水量除去滯蓄外，其余均在規定時間內排除。該法計算簡單，主要用于農田排澇，計算考慮了工程區水庫等大面積滯蓄區的作用，但是沒有準確考慮滯蓄流量過程，而且沒有考慮雨水匯流過程因素。

采用調蓄演算法、排水模數法及平均排除法計算工程區設計暴雨排澇流量，計算結果見表4。

表4 設計暴雨排澇流量比較(10 a一遇24 h最大降雨)m3/s

4 排澇流量分析

通過分析3種方法的設計暴雨排澇流量計算結果，可以得出以下結論:

(1)按設計暴雨排澇流量計算結果，各計算方法從大至小排序依次為:排水模數法、調蓄演算法、平均排除法。

(2)排水模數法計算結果偏大的主要原因是沒有充分考慮雨水調蓄區的蓄澇、削峰作用。

(3)調蓄演算法、平均排除法計算結果均較小，且其計算結果差別不大。

(4)平均排除法計算結果最小，是24 h內的一個平均排水流量，該法主要適用于農田排水，不宜用于城市排澇規模計算分析。

(5)調蓄演算法既考慮了雨水調蓄區的蓄澇、削峰作用，同時也考慮了洪水過程，計算結果較客觀，亦偏安全，適合用于城市排澇規模計算分析。

5 結語

本文通過調蓄演算、排水模數及平均排除等幾種方法分別計算了城西區設計暴雨流量，并進行了較為全面的比較分析。計算結果顯示，調蓄演算法既考慮了工程范圍內調蓄區皮湖水庫及濕地公園的滯蓄及削峰作用，又考慮了暴雨匯流過程，計算結果較為客觀、合理，因此可以此作為排澇泵站裝機規模的依據。