長江中下游圩區聯排泵站規模論證

余 夢

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088）

1 基本情況

長江中下游平原具有河網密集交錯、圩區成片、暴雨強度大且持續時間長、易形成內澇的特點[1-2],澇水不及時排出則有礙當地城市及農業發展。陳家圩為長江一類圩垸區,排澇面積5.4 km2,現狀由石船站與陳家圩站對圩內澇水進行聯排,但泵站機組設備均已淘汰,結合經濟發展需求,現需對兩座泵站進行拆除重建并提高圩內排澇標準,本次設計石船站、陳家圩站聯排規模為6.0 m3/s。

當前常用的泵站規模計算辦法有排澇模數經驗公式法、水量平衡法及平均排除法等,適用于單個泵站規模的計算,計算結果安全可靠,但不能構建聯排工況。MIKE11 軟件是丹麥DHI 公司研發的河流模擬軟件,在國內外多類型水利項目中被應用,且模擬精度能滿足工程應用[3-4]。使用Mike 11構建陳家圩河網一維水動力模型,能夠更好地模擬圩內水位隨時間變化的過程及計算排澇總時長,對于聯排泵站規模方案比選決策具有重要意義。

2 模型原理及構建

聯排泵站規模論證分析的核心是構建一維水動力模型,模擬在設計工況下,兩座排澇泵站采用不同規模聯排時,澇區內河網不同斷面處的水位、流量變化過程。本次構建的一維水動力模型主要包含MIKE 11 水動力模塊。

2.1 模型原理

Mike 11 模型基于三個要素：一是反映有關物理定律的微分方程組（圣維南方程組）；二是對微分方程組進行線性化的有限差分格式；三是求解線性方程組的算法。圣維南方程組如下：

式中：Q 為斷面流量,m3/s；q 為側向入流,m3/s；A 為過水面積,m3；h 為斷面水位,m；R 為水力半徑,m；C 為謝才系數；α 為動量修正系數。

Mike11 軟件核心模塊為水動力模塊,其采用6 點Abbott-Ionescu 有限差分格式對圣維南方程組進行離散化,計算網格由流量點和水位點組成,其中流量點和水位點在同一時間步長下分別進行計算,計算網格由模型自動生成。

通過將某個節點的水位及與之相連的節點水位表示為線性函數,給定邊界水位或流量后,可以通過高斯消元法直接求解節點方程組,得到各個節點的水位,進而回代求解任意河道任意網格點的水位或流量（雙掃描法）。

2.2 模型構建

建立MIKE 11 模型需要先使用河網編輯器、橫斷面編輯器、邊界條件編輯器等建立輸入文件,然后使用模擬編輯器進行模擬計算,最后使用MIKE VIEW 查看模型運行結果。

2.2.1 河網構建

河網編輯包括數字化河網和河段連接、建筑物的定義以及集水區進入本模型的入流點的定義。因項目設計前對雨山區進行過地形測量（河段中弘線及橫斷面數據）,則只需將實測河段中弘線數據及橫斷面測量數據進行預處理,再分別導入河網編輯器與橫斷面編輯器,即可生成數字化河網并應用于模型計算。河段連接則參照實測地形數據,在河網編輯器中直接進行編輯完成。

石船站、陳家圩站是陳家圩排澇的重要建筑物,據MIKE 11 建筑物類型定義及排澇泵站性質,兩座排澇站類型應確定為側向建筑物,用于排出河網模型中的澇水。經概化處理,陳家圩河網包含RA、RB 及RK 三條主河道及兩座排澇泵站,模型概化圖見圖1。

河網的入流、出流都可以從節點發生。根據陳家圩實際情況,將RA 的上端點（里程0 m）設定為入流邊界類型,用于河網模型設計洪水入流,RB 里程800 m（陳家圩站）和RB里程1900 m（石船站）處兩個節點均設定為點源開邊界,用于河網模型排澇出流。

2.2.2 模型參數

模型考慮的眾多計算參數（如風力、河床阻力、波影響等）及輸出結果參數（如時間序列、地圖）由水動力參數編輯器來設定,其中大多數參數都有默認值（默認計算參數適用于大部分模型計算,輸出參數則根據成果特定需求來定）,由于圩區內暴雨集中且受風力影響較小、單個圩區面積較小,模型輸出成果格式對泵站規模論證結果幾乎無影響,因此只需單獨設定初始水位、河床糙率系數。

（1）初始水位

綜合考慮區域地形條件及泵站控制運行條件,河網區初始水位采用全域4.5 m。

（2）糙率系數

圩內溝渠多為人工開挖渠道,但現狀多為藕塘,根據《灌溉與排水工程設計標準》,參照區域河網基本情況,本次模型中河道糙率系數采用全域0.025~0.03。

2.2.3 邊界條件

河網模型入流及出流條件等邊界條件由邊界條件編輯器編輯完成。

（1）入流條件

由于雨山區內缺少實測流量資料,本次利用經驗方法推求該區域匯流過程線,并將由設計洪水推求的流量過程線文件導入邊界條件編輯器,應用于RA 上端點（里程0 m）處河網入流。

（2）泵站控制運行條件

根據圩區地形,兼顧圩內水環境需求,本次石船站設計運行水位采用5.0 m,最低運行水位為4.2 m,陳家圩站設計運行水位為4.8 m,最低運行水位為4.0 m。為充分利用圩內排澇溝滯蓄,本模型參照泵站控制運行水位,泵站起排水位采用5.0 m,當水位低于4.5 m 時泵站停止運行。

（3）出流條件

模型中兩座泵站的抽排流量過程（負數代表流量過程從模型里流出）即為模型出流條件,本次設計兩座泵站聯排規模為6.0 m3/s,為論證兩座泵站最佳聯排規模組合,本次擬定五種出流條件作為五種模型方案,分別計算聯排結果,模型方案及對應出流條件見表1。

表1 各模型方案及對應出流條件

3 結果與分析

根據設定的邊界條件,當區域遭遇10年一遇降雨時,初期泵站不啟動,當泵前水位增長至5.0 m 時泵站開始抽排,直到泵前水位降低至4.5 m 時泵站停止抽排。通過河網水動力模型計算,各關鍵節點位置最高水位及抽排時長見表2、圖2。

圖2 主要節點位置圖

表2 不同模型方案運行結果對比表

結合模型出流條件及各方案運行結果差異可知：

（1）MIKE 11 模擬長江中下游圩區聯排工況,其計算成果精度滿足水利工程中規劃方案比選要求。

（2）泵站建設方案對泵站聯排效率有直接影響,且兩座泵站分建排澇效果較合建排澇效率更高。

（3）當選定陳家圩站較石船站多一臺機組,即陳家圩站規模為4.0 m3/s,石船站規模為2.0 m3/s 時,兩座泵站的聯排效率最高。

4 結論及建議

通過本次模擬陳家圩泵站聯排工況的計算結果可知：

（1）可通過MIKE 11 搭建長江中下游圩區河網模型,根據當地實際情況及項目規劃方案選定適宜的模型參數及邊界條件,采用多種模型出流條件以應用多種聯排方案,來計算對比選定圩區最佳聯排泵站規模,為水利工程規劃方案決策提供重要理論依據。

（2）以陳家圩為例,相對于沿外河走向呈狹長型的平原澇區,宜采用多泵站分開建設,多泵站聯排能更快降低圩內水位并縮短圩內澇水抽排時長。