天津市北塘排水河河口泵站規模分析

劉洪濤，劉 薇

（天津市水利勘測設計院，天津 300204）

天津市北塘排水河河口泵站位于北塘排水河與永定新河交口，為單向排水泵站，建設目的是提升天津市中心城區排水能力，緩解北塘排水河兩岸排水壓力，保障河道控制區域的排水安全。

為合理確定北塘排水河河口泵站的建設規模，采用多種算法對該泵站的規模進行計算，并對各算法的結果進行分析比較，力求科學合理地確定泵站的設計規模。

1 北塘排水河基本情況

北塘排水河開挖于1958年，擔負著天津市中心城區東北部地區和環外東麗部分地區的雨水以及東郊、空港等污水處理廠出水的排放任務，河道全長33.5 km，原設計流量27～81 m3/s。在河道21.6 km處攔河建有山嶺子泵站（裝機27臺，設計流量54 m3/s），將北塘排水河分為上下游兩段。北塘排水河最終匯入永定新河，河口建有永和閘，過水斷面為6孔3 m×3 m，設計流量81 m3/s。

2002—2011年，已分期分段對北塘排水河完成清淤、擴挖和堤岸治理。山嶺子泵站上游河道，長21.6 km，河底高程為-1.0～-2.3 m（大沽高程，下同），河道底寬為24～32 m，河道兩岸邊坡1∶1.5～1∶2.5，堤頂高程為2.2～4.5 m。山嶺子泵站的下游河段長11.9 km，河底高程為-1.0～-1.4 m，河道底寬為32～42 m，河道兩岸邊坡1∶2.5，堤頂高程為3.8～5.8 m。

由于受永定新河汛期高水位頂托的影響，永和閘泄流不暢，致使北塘排水河經常出現高水位運行情況，危及兩岸地區的排澇安全。受跨河公路、鐵路橋梁底高程以及兩岸地形條件的制約，北塘排水河不具備再擴挖河道、加高堤防的條件，其最高水位為3.40 m，而其河口處永定新河5年一遇設計水位達4.40 m，澇水不能自流入永定新河。因此，為解決北塘排水河遇永定新河高水位無法外排的問題、保障中心城區及河道沿線的排水安全，在北塘排水河口新建排水泵站是必要的。

2 設計澇水

北塘排水河收水范圍包括中心城區北塘排水河雨水系統、外環河東部雨水系統、東郊污水處理廠出水，環外居住區、園區、農田和環外的污水處理廠出水。

按照《天津市排澇總體規劃》確定的澇水計算方法，進行河道澇水組合計算。設計暴雨歷時選用24 h，農田區設計排澇流量采用10年一遇標準2 d 排除；建成區和規劃城區的設計排澇流量采用20年一遇標準1 d排除。經計算，山嶺子泵站以上河段規劃入流84.01 m3/s、以下河段規劃入流為17.34 m3/s，合計承泄101.35 m3/s，見表1。

3 泵站規模分析

在滿足規劃排水要求的前提下，為合理確定新建泵站規模，設計采用了以下4種方法進行計算。

3.1 面積比法

根據河道控制排水面積按不同下墊面情況推算需排放的水量，考慮河道提前降低水位可調蓄的容積（或水量），由剩余水量計算出流流量。

山嶺子泵站以上河段長21.6 km，按照汛前將山嶺子泵站站前水位提前降至0.0 m計算，山嶺子以上河段調蓄量為139萬m3。

表1 規劃入北塘排水河區域雨污水流量

山嶺子泵站以下河段長11.9 km，按照汛前將擬建河口泵站站前水位降至0.0 m計算，山嶺子以下河段調蓄量為172萬m3。

3.2 水庫調洪法

將山嶺子泵站以上河段、以下河段概化為2 個河道型水庫，采用水庫調洪方法計算。其中，山嶺子以上河段入流為沿程澇水流量，出流即為所求山嶺子泵站流量；山嶺子以下河段入流為山嶺子泵站出流加上沿程澇水入流，出流即為所求河口泵站流量。上下河段提前降低水位的運用方式及河道調蓄量均與面積比法一致。

3.3 削峰法

以北塘排水河控制范圍內的不同下墊面特性為依據，將匯水區的產流分為以下4種性質考慮。

Ⅰ類，城區排水：通過管道匯入泵站后直排入河道，按設計規范規定在達到設計流量峰值后衰減，分析時根據其排入位置不同，折減計算流量。

Ⅱ類，農業區排水：時間按2 d考慮，大于河道在匯入永定新河前形成設計水位的時間，直接計入排入流量。

Ⅲ類，支流匯水：計入在上游區充分利用當地河湖調蓄錯峰后的流量。對于無法調蓄的，直接計入排水流量。

Ⅳ類，污水處理廠出水：為日平均排水，直接計入流量。

根據上述對產流區的分類，河道設計流量計算將分為3個步驟。步驟一：對第Ⅰ類產流，按極限強度法模擬泵站出口流量，并繪制各泵站服務區的流量和時間關系曲線，即Q-T 曲線；步驟二：對上述Q-T 曲線進行趨零修正；步驟三：根據沿河各個產流區的匯入位置，將Ⅰ類產流的Q-T 曲線與Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類產流的流量疊加，形成北塘排水河的Q-T曲線圖。

各泵站入流概化如下：平均按下雨1 h后流量達到最大值，然后1～3 h 持續按最大值入流，隨后在3～4 h衰減至0，并向下游傳遞。

削峰處理后的Q-T曲線，如圖1所示。

圖1 河口Q-T曲線

3.4 平原河網一維水動力模塊模擬算法

（1）基本方程。采用一維非恒定流基本方程，即圣維南方程組：

連續方程為：

動量方程為：

式中：X、t 為距離（m）和時間（s），為自變量；A為過水面積（m2）；Q 為斷面流量（m3/s）；Z 為水位（m）；α為動量修正系數；K為流量模數；g為重力加速度（m/s2）；ql為旁側入流（m3/s），入流為正，出流為負；νx為入流沿水流方向的速度（m/s），若旁側入流垂直于主流，則νx=0。在水流運動模擬計算中，采用流量（Q）和水位（Z）作為變量比較方便，采用Preiss?mann 加權四點隱式差分格式進行數值離散，采用追趕法進行求解。

（2）邊界條件的設定。在進行水力學計算時，上游邊界一般采用流量過程或水位過程，下游邊界一般采用水位流量關系。明渠水力學計算中采用的外部邊界條件可以3種形式給出：①水位邊界條件，即在邊界明渠上給定水位隨時間的變化過程，Z=Z（t），Z 為水位（m），t 為時間（s）；②流量邊界條件，即在邊界明渠上給定流量隨時間的變化過程，Q=Q（t），Q 為斷面流量（m3/s），t 為時間（s）；③水位流量關系，Q=Q（z），Q為斷面流量（m3/s），Z為水位（m）。

根據這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流量與水位的線性函數式，進而計算追趕系數，形成節點水位的方程組，采用迭代算法可得各計算時段沿程各計算斷面的水位和流量。

（3）河道糙率。清淤治理后的北塘排水河河道斷面規則，沒有淤積，僅岸坡有雜草，糙率取0.025。

（4）模型概化。河道的入流主要為沿途泵站及污水處理廠出水，對各排水口作為入流節點進行概化處理。

3.5 計算結果

上述4種算法的計算結果，見表2。

表2 4種計算方法成果對比

由表2 可見，本次分析采用的削峰法和模型模擬法未充分考慮到河道的調蓄作用，計算出來的結果比面積比法和水庫調洪法要大。考慮北塘排水河在汛期排水調度時采取低水位運行、河道調蓄空間較大的特點，本著節省投資并適當留有余地原則，推薦采用第2種方法的計算結果，即：將山嶺子以上河段、以下河段概化為2個河道型水庫，采用水庫調洪方法，建城區及規劃城區按平均排除法20年一遇流量、農田區域和污水按計算流量連續入流24 h 情況的計算結果，最終確定河口泵站的設計流量為54.6 m3/s。

4 結語

通過北塘排水河泵站的規模論證，有以下幾點體會：

（1）排水泵站的規模確定，應在充分調研、摸清現狀的基礎上開展工作，要滿足地區排澇規劃所規定的任務，以近期目標為主，并適當留有安全余地。

（2）有條件時，可通過調整排水分區和排水出路或通過周邊的河湖調蓄滯留、錯峰排河等調度措施，合理控制出口泵站規模，以降低工程投資。

（3）泵站規模論證時，可考慮不同計算方法，互相比對，進行成果的可靠性和合理性分析。