基于一維水動(dòng)力模型的天津市海河口泵站規(guī)模論證研究

李濤濤，王 維，王 南

（天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津 300204）

1 海河口泵站建設(shè)必要性分析

海河是天津市19 條行洪河道中唯一一條穿越中心城區(qū)及濱海新區(qū)入海的河道，包括屈家店閘以下的北運(yùn)河段長15.15 km、西河閘以下的子牙河（即西河）段長16.54 km、子北匯流口以下至海河防潮閘間的海河干流段長73.45 km。三閘間河道總長105.14 km，是以行洪為主兼顧排澇、蓄水供水、航運(yùn)、旅游等綜合利用的河道。海河共承擔(dān)天津市約2/3中心城區(qū)面積、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)等重要區(qū)域的排澇任務(wù)，且絕大部分控制范圍為城市化區(qū)域，澇水入流量很大，現(xiàn)狀澇水入流量累計(jì)516.7 m3/s，規(guī)劃情況下總?cè)肓髁坷塾?jì)914.0 m3/s。

現(xiàn)狀海河入海口僅建有防潮閘趕潮排水，受高潮位頂托影響澇水下泄不暢，連鎖制約聯(lián)通二級河道澇水不能順暢下泄，從而形成內(nèi)澇，嚴(yán)重威脅到海河排澇區(qū)的排水安全。2012年“7·25”特大降雨，中心城區(qū)平均降雨160 mm，造成52處76.14 km2積水，其中28處60.57 km2積水30 cm以上，海河景觀平臺(tái)和沿河張自忠路等下沉路長時(shí)間被淹，東麗、津南區(qū)澇水被禁止進(jìn)入海河干流，津河、月牙河發(fā)生漫溢險(xiǎn)情，沿線交通受阻。現(xiàn)狀情況下，如中心城區(qū)發(fā)生24 h200 mm強(qiáng)降雨，即使環(huán)城四區(qū)限制澇水進(jìn)入海河，預(yù)測中心城區(qū)仍將有38 km2積水50 cm以上，海河景觀平臺(tái)和兩岸下沉路仍會(huì)長時(shí)間被淹，二級河道漫溢現(xiàn)象嚴(yán)重。

為減輕海河兩岸排水壓力、改善河口排水條件、解決環(huán)城四區(qū)排水受限問題、提升海河治澇區(qū)內(nèi)中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)以及濱海新區(qū)等重要區(qū)域的排水能力，新建海河口泵站工程是非常必要和迫切的。建設(shè)海河口泵站后，在強(qiáng)降雨期間，如遇海潮頂托，可利用泵站強(qiáng)排，改變雨洪水難以外排入海的尷尬局面，有效減少中心城區(qū)內(nèi)澇時(shí)間，降低淹泡損失和社會(huì)影響。

2 海河澇水安排

由于海河沿線均為建成區(qū)，澇水通過市政泵站進(jìn)入二級河道后進(jìn)入海河或直接排入海河，根據(jù)天津市政府2011年批復(fù)的《天津市排澇總體規(guī)劃（2011—2020年）》和《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃修編（2013—2020年）》，海河控制排澇雨水包括四部分：①中心城區(qū)北運(yùn)河、子牙河、南運(yùn)河、海河干流4 個(gè)雨水分區(qū)的雨水；②中心城區(qū)津河、衛(wèi)津河、月牙河、外環(huán)河、護(hù)倉河等二級河道轉(zhuǎn)輸?shù)挠晁虎蹡|麗區(qū)、津南區(qū)海河干流沿岸的雨水；④濱海新區(qū)塘沽部分地區(qū)的雨水。

根據(jù)《天津市排澇總體規(guī)劃（2011—2020年）》，所有城區(qū)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最新完成的《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃修編（2013—2020年）》，中心城區(qū)（含規(guī)劃北部新區(qū)）范圍內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇最大24 h暴雨1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，外環(huán)線以外的環(huán)城四區(qū)等其他范圍采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜合考慮到海河排水分區(qū)基本上為建城區(qū)和規(guī)劃城區(qū)且控制范圍較大、全部范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生高重現(xiàn)期暴雨的幾率并不大，故沿線內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)均采用20年一遇最大24 h暴雨1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃情況下海河設(shè)計(jì)澇水流量，見表1。

根據(jù)表1 可知，規(guī)劃情況下海河設(shè)計(jì)排澇總?cè)肓髁坷塾?jì)914.0 m3/s。海河各河段入流量，見表2。

表1 規(guī)劃情況下海河設(shè)計(jì)澇水流量

續(xù)表1 規(guī)劃情況下海河設(shè)計(jì)澇水流量

表2 海河各河段入流量

3 基于一維水動(dòng)力模型的海河口泵站規(guī)模論證

3.1 一維水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

3.1.1 計(jì)算原理

（1）基本方程，采用一維非恒定流基本方程——圣維南方程組：

連續(xù)方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：X 為距離（m）；t 為時(shí)間（s）；A 為過水面積（m2）；Q為斷面流量(m3/s)；Z為水位（m）；α為動(dòng)量修正系數(shù)；K 為流量模數(shù)；ql為旁側(cè)入流（m2/s），入流為正，出流為負(fù)；νx為入流沿水流方向的速度（m/s），若旁側(cè)入流垂直于主流，則νx=0。

在水流運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算中，采用流量和水位作為變量比較方便，利用Preissmann 加權(quán)四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散，采用追趕法進(jìn)行求解。

（2）邊界條件設(shè)定。在進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算時(shí)，上游邊界條件一般采用流量過程或水位過程，下游邊界條件一般采用水位流量關(guān)系。明渠水力學(xué)計(jì)算中采用的外部邊界條件可以以3 種形式給出。水位邊界條件，即在邊界明渠上給定水位隨時(shí)間的變化過程為：

流量邊界條件，即在邊界明渠上給定流量隨時(shí)間的變化過程為：

水位流量關(guān)系為：

根據(jù)這3 種類型的明渠邊界條件，對任一河段采用雙消元法形成首末斷面與首末斷面水位的線性函數(shù)式，進(jìn)而計(jì)算追趕系數(shù)，形成節(jié)點(diǎn)水位的方程組，采用迭代算法可得各計(jì)算時(shí)段沿程各計(jì)算斷面的水位和流量。

3.1.2 模型構(gòu)建

模型計(jì)算涉及北運(yùn)河、子牙河、海河干流及海河閘下4 km 河口段。計(jì)算范圍為北運(yùn)河屈家店閘下—子北匯流口，子牙河西河閘下—子北匯流口，海河干流子北匯流口—海河防潮閘以及防潮閘下4 km長河口段。

（1）河道糙率。在《天津市海河干流治理可行性研究報(bào)告》中，對海河干流河道糙率進(jìn)行了推算與分析，計(jì)算范圍內(nèi)河道糙率基本上為0.025，僅子牙河西橫堤—子北匯流口段和海河干流子北匯流口—支航碼頭段采用0.03。本次分析考慮近些年河道斷面等情況均沒有較大變化，糙率值與原可研報(bào)告一致。

（2）輸入斷面。北運(yùn)河、子牙河及海河干流全部采用2009年實(shí)測的斷面資料，斷面間距約1 km；擬建站址前泵站引河斷面采用設(shè)計(jì)橫斷面，斷面間距0.5 km。

（3）上邊界條件。上邊界采用流量邊界，本次澇水計(jì)算將沿線泵站20年一遇規(guī)劃入流量概化為各個(gè)集中點(diǎn)入流。

（4）下邊界條件。下邊界條件采用潮位邊界，取《天津市海河干流治理可行性研究報(bào)告》中選擇的六米站1972年典型潮型為設(shè)計(jì)潮型，同時(shí)選擇1992年9月1日大潮潮型來復(fù)核海河干流排澇安全。

3.2 計(jì)算方案研究

本次設(shè)計(jì)對海河規(guī)劃排澇情況進(jìn)行模擬計(jì)算，整個(gè)排水區(qū)同時(shí)入流24 h。

下邊界條件考慮海河防潮閘和新建海河口泵站同時(shí)控制，即閘上水位高于潮位則開閘泄洪，閘上水位低于潮位則閉閘擋潮同時(shí)開啟泵站。

3.2.1 計(jì)算方案

為充分利用河道的調(diào)蓄功能，綜合考慮河底高程、河道內(nèi)水深、景觀要求、河道調(diào)蓄能力大小等因素，擬定初始河道騰空至-0.5 和0.0 m 2 種情況，并與擬定泵站規(guī)模分別進(jìn)行組合，初步擬定了5 個(gè)泵站規(guī)模分別為200、250、300、350、400 m3/s，初擬方案見表3。

表3 初擬方案

3.2.2 成果分析

計(jì)算結(jié)果分析，見表4。

表4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述方案計(jì)算及結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：①各方案海河二道閘以上設(shè)計(jì)水位均超過2 m親水平臺(tái)但低于3 m，均不能保證設(shè)計(jì)澇水情況下市區(qū)親水平臺(tái)不淹泡，僅淹泡時(shí)間長短不同，相同騰空水位時(shí)差別在2～10 h；②閘站聯(lián)合運(yùn)用情況下，各方案把海河子北匯流口處水位降至1 m以下以迎接下一次降雨的時(shí)間基本上都超過40 h，且差別不大；③當(dāng)泵站規(guī)模大于250 m3/s時(shí)，海河防潮閘過流量占總過流量的比例均低于50%。

綜合考慮以上分析的各項(xiàng)因素，為充分發(fā)揮河道調(diào)蓄作用以及防潮閘趕潮排水的效率、減少泵站運(yùn)行時(shí)間及費(fèi)用和滿足一定的景觀要求，同時(shí)考慮避免水位驟降過大對堤防護(hù)岸的不利影響，按海河防潮閘過流量占總過流量比例不低于50%分析，確定河道提前騰空的合理最低水位為0.0 m、河口泵站合理規(guī)模應(yīng)介于200～250 m3/s。

泵站規(guī)模在200～250 m3/s時(shí)，20年一遇澇水計(jì)算的各項(xiàng)控制指標(biāo)差異并不明顯，20年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)澇水時(shí)，海河口泵站規(guī)模應(yīng)以保障排澇安全為首要的控制運(yùn)用條件；與20年一遇澇水相比，中小澇水具有發(fā)生機(jī)率高、排澇壓力較小等特點(diǎn)，應(yīng)在滿足排澇要求的前提下，兼顧一定的交通與景觀要求。本次海河口泵站最終規(guī)模按照發(fā)生5年一遇及以下的中小澇水時(shí)沿河下沉路不淹泡，交通不受影響（即子北匯流口以下水位不超過2 m），河道保持一定的景觀水位（正常蓄水位以下0.5 m即汛期蓄水位1.0 m）等控制運(yùn)用條件來分析確定。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)發(fā)生5年一遇設(shè)計(jì)澇水、河道騰空水位為1.0 m 時(shí)，只有當(dāng)海河口泵站規(guī)模大于或等于230 m3/s，海河子北匯流口以下設(shè)計(jì)水位才能低于2.0 m，從而滿足以上控制要求。

綜合以上分析，當(dāng)海河口泵站規(guī)模為230 m3/s時(shí)，能充分發(fā)揮河道的調(diào)蓄能力和海河防潮閘的泄流能力，減少親水平臺(tái)及下沉路淹泡時(shí)間，解決東麗、津南兩區(qū)海河干流排水受限的問題，有效緩解海河干流20年一遇澇水的排澇壓力；當(dāng)發(fā)生5年一遇及其以下的中小澇水時(shí)，在保障沿線排澇安全的前提下，還能保證沿河下沉路不淹泡、交通不受影響、河道能滿足一定的景觀水位要求。因此，海河口泵站規(guī)模最終確定為230 m3/s。

4 結(jié)語

（1）運(yùn)用一維水動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合天津市海河排澇、景觀、交通、航運(yùn)等實(shí)際需求，確定海河口泵站規(guī)模為230 m3/s。作為北方地區(qū)排澇規(guī)模最大的泵站，海河口泵站的建設(shè)能夠很好地解決長期以來天津市中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)受澇嚴(yán)重問題，也可以有效緩解海河行洪壓力。

（2）目前，由于部分地區(qū)市政管網(wǎng)和泵站建設(shè)還不完善，很多澇水不能及時(shí)進(jìn)入海河，一定程度上影響了海河口泵站最大功能的發(fā)揮，未來市政管網(wǎng)配套完善后海河口泵站將發(fā)揮有效作用，天津市中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)排水壓力將有效緩解。

（3）海河口泵站的運(yùn)用需跟海河防潮閘、海河二道閘、耳閘等聯(lián)合運(yùn)用，為了使其經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)用，下一步應(yīng)對海河閘站聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行深入研究。