基于徑流模型的排澇泵站優化設計分析

張錢鶴

（廣州市宏濤水務勘測設計有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著國民經濟和城鎮化的不斷發展，城市不透水面積隨之擴大，其中面臨非常嚴峻的內澇問題。我國政府為避免內澇現象的發生實施了有力舉措，引導各城市將發展重心放在防洪排澇規劃上。排澇泵站作為排澇防洪機制的核心構成部分，在新時期應加強設計和優化力度，參照匯水區域的發展特征制定科學合理的設計方案。排澇模數法以及脫過系數法是我國經常應用的設計方法。隨著信息技術的不斷發展，為排澇防洪機制帶來了較多便捷，各部門可以應用徑流模型法對來水過程曲線做出演算，為設計人員制定流量方法提供依據。下文將研究重心集中在徑流模型排澇泵站優化設計上，僅供同行業借鑒。

1 區域概況

本課題以廣東省a 市某水區為研究主題。立足于徑流模型基礎之上模擬不同的降雨工況，分析出泵站設計和優化過程中存在的常見問題，對廣東省a 市排水管網加以概化，利用模型將匯水范圍分為a 區、b 區、c 區、d 區，匯水區域劃分如圖1 所示，本課題在研究上缺少完善的徑流監測和降雨數據，所以借助徑流系數法來校準模型的參數[1]。

圖1 匯水區域劃分

2 降雨條件的設計和規劃

廣東省針對排澇規劃和設計暴雨條件作出了概述，短歷時和長歷時降雨是區域設計暴雨的兩種形式。本課題參照廣東省a 市的具體要求，在以上兩方面來明確模型的輸入條件，即在短歷時降雨上以芝加哥雨型為基礎，設計出20a 一遇和50a 一遇的降雨，長歷時降雨要參照廣東省暴雨統計數據來進行計算。明確模型的輸入條件即不同的降雨模式，發揮芝加哥雨型生成器的作用，明確了0.4 的峰值系數，對20a、50a 的降雨事件加以重現，參照相關標準確定了降雨量，分別為246mm 和306mm。在模擬過程中也選擇了廣東省a 市雨量相仿的兩場暴雨事件，50a 一遇設計降雨如圖2 所示，兩場實測降雨如圖3 所示。

圖2 50a 一遇設計降雨

圖3 兩場實測降雨

3 討論與分析

3.1 不同降雨工況下泵站設計流量存在的差異

在徑流模型中降雨曲線和入湖流量曲線存在一定的響應關系，通過收集芝加哥雨型模擬結果信息能了解到降雨強度具備較大的峰值，其持續時間不長，在模型中得到的結果具備相同的特性[2]。圖4 和圖5 分別為廣東省a 市20a 一遇24h 時程分布情況和50a 一遇24h 時程分布情況。同時，收集針對實測暴雨進行的兩場模擬結果數據，通過計算泵站流量，結果分別為11.23m3/s、8.33m3/s，對比降雨模擬工況數值要小很多。經研究分析發現，在24h 內兩場降雨量雖都超出了270mm，與300mm 設計模擬的降雨量相差不多，但在24h 時間內降雨過于分散，只能在峰值最大的時間內來計算降雨量。同時實測降雨峰值對比以往數據也較高，因此泵站設計流量計算的數值也偏高，此舉表明在計算泵站設計流量上參照實際降雨量不夠合理，相關人員需考慮多種因素來提高流量設計的準確性。

圖4 20a 一遇24h 時程分布情況

圖5 50a 一遇24h 時程分布情況

3.2 24h 凈雨時程調蓄分配演算

在演算過程中選擇了20a 一遇和50a 一遇作為參照指標來制定撈水過程線，并進行水域分配調蓄的演算，計算出降雨產流總量得出的結果和徑流模型結果相接近，設計流量對比徑流模型結果卻增加了不少，分析其成因如下所示。

（1）在演算過程中，以凈雨過程為參照依據，關注的因素不多，未將地面的滯留效應予以關注，導致計算的來水峰值偏大，同時引發泵站排澇的高壓力。

（2）在進行降雨徑流演算過程中，對20a 一遇和50a 一進行重現，發現內澇積水點較多，一些管段超負荷，未能及時的轉輸地面的雨水，對水域來水流量過程線產生了約束影響，導致計算出來的流量數值偏小。與此同時，收集廣東省a 市相關文件信息發現，1～3a 是雨水管渠設計的普遍重現期，市中心區域為2 到3a，只有一些主要的地區為3～5a。而有關的排澇標準和要求是50a 一遇，因此各部門要實施有力對策提高設計重現期來提高排澇泵站設計的高效性。在設計和演算中，如果重現期不高，在徑流模型構建過程中，參照雨水管渠將計算出來的結果當做計算泵站流量的參照，這也會讓設計流量值不準確，為泵站建設和發展埋下隱患[3]。

4 實施有力對策優化排澇泵站設計

4.1 合理布置蓄滯洪區，實施有效的保護對策

排澇泵站在設計和發展中應嚴格參照《泵站設計規范》的內容，參照蓄滯洪區的特征作出科學有效的布置，保障建筑物和設備設施的安全。結合泵站的現實發展應用對比分析的方式，通過修建月堤、抬升設備、優化排澇泵站等使其發揮防洪效果。針對高程較高以及地質環境較佳的骨干泵站，各部門可以對其實施月堤保護法，具體措施如下所示：①選擇布置月堤的位置可以參照地質環境和地形特點，將月堤布置在泵站進水池以外。②為保障排水渠的暢通可以修建涵閘等工程。③在布置月堤上要保持和泵站進水渠的垂直相交。在月堤修建過程中，受到地形，地質特點的影響，施工可能會面臨困境，針對于此可以應用電動機抬升設備和變壓器，施工人員在此過程中要控制抬升的高度，要將抬升高度控制在超出洪水位兩米以上，同時也要引進專業的設備和設施，引進的起吊設備容量要符合電動機需求，在設計過程中也要引進單獨存放設備的擱置設施。針對容易轉運和容量不大的排澇泵站可以對各項設施和設備采取臨時轉移的方式對其保護。針對位于多沙河流的蓄洪區泵站，在設計進水建筑物過程中要對蓄滯洪后泥沙產生的淤泥對泵站運行的影響因素加以分析[4]。

4.2 應用河道調蓄法以加大設計和優化力度

為保障泵站發揮效果可以應用河道調蓄法，一般包含兩種方式：①對泵站啟泵水位加以控制，給予抽排更多的工作時間，以此獲得較大的調蓄容積。②發揮地形有利優勢，例如，一些泵站周邊河道灘地面積較大，其中可發揮地形優勢來進行調蓄。具體的設計思路如下所示：在河道調蓄過程中，針對排澇的河道要加強水位控制力度，在以下兩個方面做出考慮：①關注地面排水坡降的需求，實施的排澇對策要滿足其要求，通常情況下要參照匯水的路徑和范圍來確定地面的排水距離。②為加強控制力度要關注片區雨水管網的布局和分布情況。通過關注河道的過流需求保障斷面控制水位要高出最高水平線。為滿足各斷面控制水位的需求也要對河道斷面尺寸做出適當的調整。

4.3 對泵站電氣設備加強管理

在汛前要做好電氣設備的準備工作，工作人員要針對設備進行預防性試驗，以此了解設備功能和絕緣情況，可以在前期找到設備可能發生的故障問題，并制定完善建議予以解決，避免泵站運作過程中設備出現問題，同時也能保障設備在汛期安全的運作。工作人員要定期檢查泵站的機電設備，可以借助表格化方式將檢查的各項信息和內容記錄下來并上報給監督人，通過此種方式有效的監控汛前各項環節，避免工作人員疏忽大意而造成汛期發生不測。為了監督工作人員認真履行義務和職責也要實施責任到人的制度。

在汛期要加強設備的維護，操作人員要落實檢查制度，定期巡查各項設備，及時發現故障問題和異常狀態，做到發現問題及時解決，當發生事故時，工作人員要第一時間消除事故發生的根源，并找到事故發生的源頭及切斷故障點，保障設備的正常運作，同時也要將異常情況及時記錄，便于管理層制定決策。

在汛后針對電氣設備加強修復和檢修，在汛后要參照規劃和標準檢查電氣設備，針對設備老化和年限已久的設施可以及時更換，經仔細排查找出汛期運作過程中設備暴露出來的問題。泵站可以引進專業的電力隊伍來及時檢修和處理問題設備。此外要加強檢修和維護的頻次，泵站要堅持隨時維修和定期養護的原則，讓機房環境干凈整潔，保障電氣設備無污染和無灰塵，保證機器設備關閉和開啟功能正常。工作人員對電氣設備定期檢查保障設備的完好。日常生產工作的核心構成部分即對電氣設備的維修和保護，在泵站運行過程中，很多人員缺少對電氣設備檢修的關注，所以管理層要加強重視，通過檢驗、監督、監測等方式了解電氣設備運作存在的風險，聯合各部門制定設備完善和安全評估方案保障設備的可靠檢修，全面落實安全運作的理念，為泵站設計和優化奠定堅實的基礎[5]。

4.4 做好泵站基坑的有效設計

建議泵站要結合運行情況來做好基坑的有效設計，在泵站基層基坑施工過程中，因存在地下水導致施工效率低下，地基承載力不足，泵站建成過后可能會產生不均勻的沉降現象，不但影響了施工效率，同時也會影響周邊建筑物。為保障泵站可以發揮防洪效果，在基坑施工過程中要參照周邊的地質環境和特點，實施降低地下水位等對策來推進施工建設發展。建議在泵站基坑施工中可以應用明溝排水的方式，并在開挖基坑期間布置排水系統，在排水系統設計過程中不得影響周邊的運輸和開挖作業，可以在基坑中部布置排水干溝，此種設計為兩側出土提供了便捷，在施工過程中，隨著基坑開挖深度的增加也要提高排水溝的深度，做好基坑開挖作業，對泵站發揮效果有現實意義。

5 結語

本課題以徑流模型法為例，對城市排澇泵站流量加以測算。經研究發現應用芝加哥雨型來設計流量不夠科學合理，通過分析廣東省a 區歷年的水文數據和信息來采取長歷時降雨的模式。在流量計算過程中，如參照單一降雨事件，不但要堅持科學合理謹慎的原則，同時也要綜合分析影響因素，保障計算數值的準確性，在重現期較低時會對徑流模擬過程產生約束，導致計算出來的結果數值偏小，影響日后管網的建設，這也為泵站運行埋下了風險和隱患。所以各部門需關注上述問題，實施有效對策來保障泵站的高效運作。