泵閘聯動下的防汛泵站優化運行研究

張琦

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

泵閘聯動下的防汛泵站優化運行研究

張琦

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

通過總結上海市楊浦區三條主干河道在防汛排澇中遇到的問題和挑戰，總結出泵閘聯動的五大原則，并提出在應急防汛排水過程中，將沿河防汛泵站進行分級開泵。在保證河道安全的基礎上，最大限度地發揮市政防汛設施的排水功效，保障市區安全度汛。

泵閘聯動；應急調度；防汛泵站

0　引　言

水閘是河道上常見的水利設施，可用于控制水位、調節流量，或是防止潮水倒灌；泵站是城市排水系統的核心靈魂，它為整個排水系統提供了動力，最大程度上保障城市水運行的安全。在諸如上海這樣河道密集的城市里，泵站和水閘都對城市防汛起著舉足輕重的作用。每年汛期，當風、雨、潮陸續襲來，泵站將集中后的涇流洪峰打入河道，避免城市陷入內澇災害。而水閘不但要保障河道的排澇能力，同時更要在緊急情況下起到擋潮或納潮等作用，減輕城市的防汛壓力。可以說，在城市防汛中，泵站與水閘兩者各司其職，又關系緊密。

楊浦區作為上海的防汛老區，早在建國初期就已建立了多處水閘，其中最著名的兩座分別是1960年建成的楊浦水閘和1973年建成的界泓浜水閘。時至今日，楊浦區共有防汛泵站26座，其中18座泵站的入河排口集中在楊樹浦港、東走馬塘和虬江三條主干河道，見圖1。由于這三條河道都相對封閉，水體流量受其他河道流量影響較小，因此，防汛泵站的運行模式將對河道的流量及水位產生直接的影響。鑒于這種情況，配合這三條河道口泵閘的運行，對相關防汛泵站的運行模式進行優化，不僅將有利于提高河道面臨汛情時的安全度，同時也將更大程度地保障泵站泄水地區排澇工作的順利進行。以此，本文對上海市楊浦區內楊樹浦港、東走馬塘、虬江三條河道的沿河泵站泵閘聯動運行模式進行了研究。

圖1　楊樹浦港閘泵、虬江/東走馬塘閘泵及沿岸相關泵站

1　現狀與問題

在解放后的上海城區中，楊浦區由于人口密度大，老舊設施多，且靠近黃浦江入長江口，為市區內受東海潮位影響最明顯的區域，因此一直是市區防汛中的重點區域。1997年在防御9711（蕓妮）號臺風過程中，因黃浦江潮位過高，為防止倒灌內河，當時楊樹浦港與虬江上的三座水閘，即楊樹浦閘、虬江閘和界泓浜閘全部關閘；但關閘后又恰逢暴雨，為避免內澇兩河沿岸防汛泵站滿負荷運行，結果使楊樹浦港內河水位迅速抬升，最終造成楊浦區趙家橋附近內河老舊磚砌防汛墻潰決94 m。控江路以內，江浦路以東，周家嘴路以北地區嚴重遭淹，水深1 m多，損失嚴重。以此為鑒，上海市政府當局計劃分別在楊樹浦港與虬江河道口建設新的楊浦泵閘和新虬江泵閘，更好地實現擋潮、排水、引水以及兼顧航運的作用。同時有關方面第一次提出“泵閘聯動”概念，要求在應對汛情雨情時，防汛泵站需與河道閘閥配合運行，在實施排水的同時兼顧河道安全。2005年，楊樹浦港泵閘與新虬江泵閘先后竣工，上海市防汛指揮辦公室立足于楊浦區河道的新常態、新設施，于次年形成了《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應急調度預案》、《虬江新老泵閘、楊樹浦泵閘及界泓浜水閘運行調度方案》等一系列泵閘聯動指導意見，并編制了具體的應急情況下泵站運行原則，緩解了矛盾，部分解決了楊浦區防澇除災問題[1,2]。

然而，楊浦區城市排水和河道安全之間的矛盾仍未得到根除。楊浦泵閘及新虬江泵閘設計除澇標準均采用1963年型相當于20 a一遇最大24 h面雨量,其中最大1 h降雨強度為36 mm，泵閘實際翻水能力較小。而近年來，隨著城市的發展和氣候的變遷，防汛泄水量不斷增大。目前，楊樹浦港沿岸共有防汛泵站8座，泄水面積達10.36 km2，防汛排水總流量達到60.04 m3/s，而楊浦閘泵的實際翻水能力為20 m3/s，約為該河沿岸防汛泵站總流量的1/3。走馬塘及虬江沿岸共有防汛泵站10座，泄水面積達13.58 km2，防汛排水總流量達到95.7 m3/s，而虬江泵閘的實際翻水能力約40 m3/s，僅為該河沿岸防汛泵站總流量的2/5（見圖2）。市政排水流量與泵閘翻水能力之間存在著巨大差異，因此，一旦在汛期出現風暴潮碰頭現象，在河口關閘僅依靠閘泵翻水排澇情況下，將不可避免地出現排出量小、入河水量大、水位急速上升，有產生次生災害的隱患存在。

圖2　沿岸泵站排水量與閘泵翻水能力對比圖

在今年“6.17”暴雨中，恰逢浦江高潮不能開閘排水，內河僅靠閘泵翻水排澇，楊樹浦港內河水位迅速抬高，為保證河道安全，沿線防汛泵站不得不全線停運，最終造成楊浦區內黃興路、海州路等地段不同程度的積水。因此，市防汛部門有意深化泵閘之間的聯動，細化各個防汛泵站在應急情況下的配合措施，將地區排水與河道排水之間的關系協調到最優，在保障河道安全的同時，優化楊浦區地區排水措施，為城市防澇除災多上一道安全鎖。

2　優化原則與方法

2.1泵閘聯動優化原則

泵閘聯動是指在防汛過程中，市政防汛泵站與河道閘閥配合運行，既起到排水除澇的作用，又兼顧河道的防汛安全。尤其是在黃浦江水位較高，河道閘閥關閉，僅靠閘泵翻水時，大量市政排水的涌入將會加速抬高內河水位，有造成防汛墻漫溢或潰決等事故的隱患。因此，在應對汛情雨情時，尤其是在高潮情況下河道閘閥關閘擋水以后，防汛泵站的運行應考慮遵循以下原則。

（1）河道為先。

沿河泵站排水入河，目的是為了城市防澇，但若河道防汛墻出險出缺，則將對雨中的城市“雪上加霜”，確保防汛墻安全是“泵閘聯動”所有原則的第一位，而控制河道水位顯然是首要手段，也因此在《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應急調度預案》中，對楊樹浦港、東走馬塘、虬江的內河警戒水位、保證水位以及參照點均有明確的規定。即一旦相關河道的水位達到二級保證水位(4.2 m)，則無論泵站中水位如何，必須立即停止沿河所有防汛泵站的運行，以確保內河防汛墻無潰決、漫溢等事故的發生。

（2）重點先排。

當河道仍有一定量的排水空間時，為保障敏感區域、重點區域免受內澇影響，應按照局部服從全局的宗旨，優先運行那些站內水位已超越開車水位的、或是泄水區域為重點區域的防汛泵站。只有當這些泵站水位降低至停泵水位且關泵以后，才能繼續運行其它非重點區域的泵站。

（3）平緩趨升。

當河道水閘關閘后，如果涌入河道的市政排水流量段時間內大大超過泵閘的翻水能力，河道的水位仍將迅速提高，威脅防汛墻墻體的安全。因此，應當合理控制市政排水向內河的排放流量，盡力使內河水位平緩趨升。這樣，既能延長河道水位上漲至二級保證水位的時間，又能減少高速紊流對防汛墻體的壓力，同時還可以最大幅度地降低市區發生內澇的可能性。

（4）預測預抽。

在三條河道沿岸的18座泵站中，有10座泵站可直接利用污水泵將泵站中的合流污水泵入合流管線內。其余的8座泵站也都安裝了截流設施，能夠通過重力流將合流污水導入管線。因此，在降雨發生前，利用管線實現沿岸泵站的預抽空，將有效降低河道的排水壓力。

（5）通信暢通。

在“三碰頭”等緊急狀況下，此時調度、協調為主的防汛工作非常頻繁且突出，考慮到惡劣氣象條件下會對通信帶來更多的不利因素，因此，本文強調確保通信暢通為重要原則之一。

2.2泵閘聯動情況分析

泵閘的運行模式根據雨情以及浦江與內河之間潮位差的不同大致可分為旱流的日常調水（泄水/引水）和雨天的泄水、翻水（見表1）。其中泵閘聯動的主要目的是協調當有降雨且黃浦江高潮位時，泵閘關閘后，閘泵的翻水能力和沿岸市政防汛泵站排水能力之間的關系。通過在降雨事件中市政排水部門與河道閘閥管理部門溝通協調，改變河道沿岸泵站的運行模式，可以達到既保障河道安全，又避免城市內澇的效果。

表1　不同情況下河道泵閘運行模式

（1）河道負荷分析：根據《上海市第一次全國水利普查暨第二次水資源普查楊浦區普查技術報告》數據顯示，楊樹浦港槽蓄容量在常水位2.5 m處約為18.09萬m3，在最高控制水位4.2 m處約為34.06萬m3，差值約15.97萬m3。而虬江和東走馬塘在常水位2.5 m處約為56.09萬m3，在最高控制水位4.2 m處約為109.65萬m3，差值約53.56萬m3，見表2。

表 2楊樹浦港、虬江/東走馬塘河道槽蓄容量

（2）翻水情況分析

根據式（1）可以得知，楊樹浦港閘泵翻水能力為20 m3/s，楊樹浦港泵閘關閘后，若從最高控制水位4.2 m經由閘泵翻水，需133 min后能達到常水位2.5 m。新虬江閘泵翻水能力為40 m3/s，新虬江泵閘關閘后，從最高控制水位4.2 m經由閘泵翻水到常水位2.5 m，則需223 min。

式中：T為翻水所需時間，min；V為河道負荷能力，m3/s；Q為閘泵翻水能力，m3/s。

根據《排入楊樹浦港（東走馬塘、虬江）沿線泵站應急調度預案》規定，楊樹浦港與虬江/東走馬塘警戒水位為3.50 m；一級保證水位為4.00 m；二級保證水位為4.20 m。因此在實際情況下，泵閘翻水在內河水位降低至3.5 m即可停止。

（3）應急強排分析

在一般情況下，泵閘的排水能力已足夠滿足市政排水的要求，但不包括以下兩種情況：

a.高潮時突降暴雨；

b.因臺風增水抬高潮位造成關閘時間延長。

在這兩種情況下，由于浦江潮位高于內河潮位，為防止倒灌，閘門必須關閉，因此僅能依靠閘泵運行來降低內河的水位。由式（2）可以算出，若市政排水設施和楊浦閘泵同時滿負荷運行，楊樹浦港從常水位2.5 m到最高控制水位4.2 m，僅需要66.5 min。而虬江從常水位2.5 m到最高控制水位4.2 m耗時僅僅160 min。考慮到在現實中風暴潮來臨前內河水位常已逼近警戒水位，因此可以預見到水位上升的過程將會更加迅速，耗時更短。

式中：T為內河水位上升至最高控制水位所需時間，min；V為河道負荷能力，m3/s；Q進為市政排水設施排進河道流量，m3/s；Q出為泵閘翻水排出河道流量，m3/s。

綜合以上分析可以看出，在出現極端不利情況下，河道的防汛負荷量相對市政排水能力仍舊較小，即使當泵閘滿負荷運行時，內河水位上升仍舊過快。因此，在應對突發暴雨和臺風高潮時，既無法實施市政排水設施的滿負荷運行，而在內河水位未達到4.2 m的最高控制水位前，也不應立即實施市政排水設施的全線停運。而是應該在保障河道水位的前提下，有效分配河道負荷的使用效率。由此可見，進一步優化泵閘聯動中的泵站運行模式，更精細地分配防汛泵站排水量配額，將對提高河道負荷的使用效率產生明顯作用。

2.3楊浦區泵閘聯動優化運行方案

（1）日常旱流調水：根據上海市城市排水有限公司對泵站旱流放江的一貫嚴格控制要求，同時根據《上海市水務局關于規范本市雨水和合流泵站泵機試泵的通知》要求，盡量降低試車放江對河道的影響，各泵站應盡量減少旱流和試車放江次數，并盡量在河口泵閘調水泄水時實施放江，使放江污水快速被稀釋、沖淡，沖出河道，保障河道的清潔衛生。由于新虬江泵閘主要承擔防汛任務，因此在非汛期期間，新虬江泵閘始終保持常開狀態；同時楊樹浦泵閘承擔調水任務，在每天黃浦江漲潮時引潮兩次，使河道之水始終保持流通。總體而言，在日常旱流模式情況下，對泵閘聯動的需求并不高[3]。

（2）一般降雨排水：當降雨發生時，楊樹浦港（東走馬塘、虬江）水位未達到警戒水位（3.5 m）的，稱為一般降雨。根據《新虬江泵閘運行方案》和《楊樹浦泵閘運行方案》，新虬江泵閘和楊樹浦泵閘可根據黃浦江的潮位實際情況選擇開閘泄水或是關閘翻水。在此期間除了降雨開始時的預抽空外，沿岸所有防汛泵站均可正常運行，以保證市區的防澇安全[4,5]。

（3）應急防汛排水：在降雨過程中，當內河水位高于3.5 m的警戒水位，同時黃浦江水位又高于內河水位使之不能開閘泄水的情況發生時，應立即啟用應急排水預案。在這段時間內，楊樹浦泵閘與新虬江泵閘應關閘擋潮，同時開泵翻水。

當內河水位已超過警戒水位（3.5 m）并逐漸向一級保證水位（4.0 m）攀升時，應保證沿岸防汛泵站向河道的排水量稍大于泵閘的翻水能力，即楊樹浦港20 m3/s，走馬塘、虬江40 m3/s。這樣，河道內的水位上升較緩，對防汛墻的威脅也相對較低，同時也能使受河道排澇能力限制的市政排水能力發揮到最大效率，最大程度降低市區內發生內澇的可能。因此，沿河泵站的開泵順序應符合以下原則，即“前池水位高于防汛開車水位的泵站”優先于“防汛等級較高的泵站”優先于“開車水位與地坪標高相對較低的泵站”優先于“其他泵站”。

結合表3、表4提供的泵站防汛等級以及表5、表6提供的泵站開車水位等基礎信息，基本可以確定，在楊樹浦港沿岸的泵站中，若所有泵站均處于相同開泵順序級別，則使周塘浜泵站保持最大流量開泵4.6 m3/s（2臺泵），新昆明泵站保持一半泵機運行，即8.4 m3/s（3臺泵），其他泵站均僅開動1臺泵機，最終達到市政排水總流量為21.44 m3/s，滿足略大于楊樹浦泵閘的翻水能力。

同樣，在東走馬塘、虬江河道中，若所有泵站均處于相同開泵順序級別，則使雙陽、五角場、嫩江泵站開3臺泵，國和泵站開兩臺泵，其余泵站開1臺泵，達到的總流量為40.65 m3/s，剛好略大于新虬江泵閘的翻水能力。

表3　楊樹浦港沿岸泵站防汛等級

表5　楊樹浦港沿岸泵站防汛開車水位

表6　東走馬塘、虬江沿岸泵站防汛開車水位

當內河水位達到一級保證水位（4.0 m）時，為防汛墻安全考慮，不允許河道的排澇能力滿負荷運行。因此，擬使所有沿岸泵站僅保持一臺泵運行。此時，楊樹浦港沿岸各泵站市政排水總流量為18.14 m3/s,略小于楊樹浦泵閘的翻水能力；而東走馬塘、虬江沿岸泵站市政排水總量僅為22.05 m3/s，約為新虬江泵閘翻水能力的一半。排水量的降低將有助于改善內河水位情況，給予防汛墻必要的保障。

一旦內河水位超過二級保證水位（4.2 m）時，應立即停止所有沿河泵站的泵機運行。此時，泵機的泄水區域防汛安全已退居次要位置，保障河道安全才是當下的當務之急。因此在這個時候，要對易漫溢的地區加強巡視，在條件允許的情況下，應組織人力對易漫溢地段的防汛墻采取緊急加固措施，確保河道防汛墻的安全。

3　結論與建議

（1）目前，黃浦江高潮位時，楊浦區河道的排澇能力并不足以滿足市政排水系統的滿負荷運行。因此，加強泵閘聯動，為防汛泵站進行分級等措施，將為楊浦區三條主干河道注入新的活力，在防汛過程中能夠最大程度地利用河道排澇能力的同時，提高重點區域的防汛安全度。

（2）日常的旱流調水模式時，泵站的放江行為應盡量在河口泵閘調水泄水時實施，使放江污水被迅速稀釋、沖淡，排出河道，以減少旱流放江對河道的負面影響，保持河道的清潔。

（3）應急防汛排水過程中，防汛泵站的開車優先等級應按“前池水位高于防汛開車水位的泵站”優先于“防汛等級較高的泵站”優先于“開車水位與地坪標高相對較低的泵站”優先于“其他泵站”進行劃分。在進行泵站分級運行后，楊樹浦港河道理論上吸收市政排水的能力為21.44 m3/s；東走馬塘、虬江河道吸收市政排水能力為40.65 m3/s，均與河道口泵閘的翻水能力十分匹配。

（3）為保障泵閘聯動中的信息能夠快速傳遞，建議泵站與水閘的管理方將河道排澇能力與降雨量、放江量等影響因素結合起來，并建立統一的信息平臺。在日常旱流調水時增加相關操作人員對相關泵站與泵閘的熟悉程度，在應急防汛排水時有的放矢，能夠迅速處理險情，保證市區防汛，兼顧河道安全。

（4）建議水閘管理方根據目前水閘的運行方案，編制更精細的泵站運行或水閘運行優化方案，進一步加強泵閘之間的聯動。

[1]上海水利管理處.虬江新老泵閘、楊樹浦泵閘及界泓浜水閘運行調度方案[Z].2006.

[2]上海市防汛指揮部辦公室.關于發布楊樹浦港等四條內河沿線泵站應急調度預案的通知[Z].2006.

[3]上海市城市排水有限公司.上海市城市排水生產運行方案[Z]. 2015.

[4]上海水利設計院.楊樹浦港泵閘工程設計方案[Z].

[5]上海水利勘測設計院.新虬江泵閘工程設計方案[Z].

TU992.25

B

1009-7716（2016）04-0106-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.033

2015-12-23

張琦（1966-），男，上海人，助理工程師，從事排水運行管理工作。