多目標(biāo)排水泵站工程規(guī)劃方案研究

王 永

(安徽省水利規(guī)劃辦公室，安徽 合肥 230022)

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)區(qū)范圍不斷擴(kuò)展，原有排水泵站工程排水標(biāo)準(zhǔn)和排水能力不足，導(dǎo)致這些區(qū)域遇稍大暴雨即排水不及時成澇嚴(yán)重，需要重建、擴(kuò)建或新建排水泵站工程，提高排澇減災(zāi)能力[1- 3]。由于區(qū)域內(nèi)存在農(nóng)田、城區(qū)等不同排水要求的對象，因此要綜合分析不同排水目標(biāo)的特點(diǎn)，開展站點(diǎn)布局、排水標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)劃方案研究，為工程建設(shè)提供依據(jù)[4- 6]。望江縣合成圩幸福河南站工程列入了國家和安徽省災(zāi)后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)性治理實(shí)施方案，主要功能為承擔(dān)望江縣新城區(qū)、望江縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)排澇，同時兼顧抽排望江縣城區(qū)河流寶塔河洪水以提高城市防洪能力的功能，大水年份還可代排武昌湖流域洪水以減輕湖周邊圩區(qū)的防洪能力；該站排水目標(biāo)多且各目標(biāo)的排水標(biāo)準(zhǔn)和排水要求各有不同，多目標(biāo)識別、排序及其實(shí)現(xiàn)是工程規(guī)劃設(shè)計時需要重點(diǎn)考慮的[7]，本文結(jié)合望江縣幸福河南站工程可行性研究工作進(jìn)行研究探討。

1 幸福河南站工程建設(shè)需求分析

1.1 合成圩及武昌湖概況

合成圩位于望江縣東南部，東南濱長江，西南臨華陽河，西北為寶塔河，東北至老東隔堤，圩內(nèi)總面積92.18km2，地勢總體上是中間低、四周高，汛期長江、華陽河、寶塔河水位長期高于地面高程。合成圩內(nèi)包含望江縣華陽鎮(zhèn)、雷池鄉(xiāng)的部分地區(qū)，總?cè)丝?.86萬人，耕地面積10.43萬畝，是望江縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和新農(nóng)村建設(shè)示范區(qū)；隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，望江縣城不斷向合成圩內(nèi)發(fā)展，且成為今后發(fā)展的主方向。現(xiàn)狀合成圩防洪工程除寶塔河堤防防洪能力約20年一遇外，長江同馬大堤、新老東隔堤防洪能力均已達(dá)1954年型洪水標(biāo)準(zhǔn)；圩內(nèi)對外排澇泵站9座，總排澇流量86.9m3/s。

寶塔河經(jīng)沈沖閘、新河口閘與北部武昌湖相通，武昌湖湖面106km2，占武昌湖流域集水面積1084km2的約10%，湖泊周圍分布圩口40個，其中萬畝以上圩口4個。受流域洪水影響，大水年份武昌湖長期處于高水位，沿湖圩口防洪排澇壓力極大[8]。

合成圩水系及與武昌湖位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 合成圩水系及與武昌湖位置關(guān)系圖

1.2 幸福河南站工程建設(shè)需求分析

1.2.1合成圩內(nèi)現(xiàn)有排澇標(biāo)準(zhǔn)較低，不能滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要

根據(jù)合成圩內(nèi)水利工程情況，現(xiàn)狀綜合排澇能力達(dá)到農(nóng)排10年一遇3d暴雨3d排至作物耐淹水深[9]。隨著望江縣城向合成圩內(nèi)發(fā)展及望江縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的建設(shè)，圩內(nèi)城區(qū)已頗具規(guī)模，合成圩內(nèi)規(guī)劃中心城區(qū)面積為21.6km2，中心城區(qū)東北側(cè)為合成圩現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)?，F(xiàn)有排澇標(biāo)準(zhǔn)低，不能滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求，需要增加區(qū)域排澇能力。

1.2.2望江縣城區(qū)現(xiàn)有防洪能力不足，不能滿足城區(qū)穩(wěn)定和發(fā)展要求

望江縣城主城區(qū)以寶塔河為界，分為寶塔河西北部老城區(qū)和合成圩內(nèi)城區(qū)兩部分，寶塔河城區(qū)段既直接承受來自上游山丘的洪水，又受出口華陽河洪水的頂托，大水年份水位長期居高不下，導(dǎo)致城區(qū)因洪致澇問題特別突出。頻繁的洪澇災(zāi)害不僅造成望江縣城區(qū)重大的經(jīng)濟(jì)損失，而且在社會穩(wěn)定和交通、通訊等方面也造成了一定的不利影響，給人民生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅。

為降低寶塔河洪水位，2005年在新東隔堤城關(guān)節(jié)制閘處按滿足縣城近期防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇要求建設(shè)了城關(guān)排澇站，設(shè)計流量18.38m3/s，尚達(dá)不到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，急需增大寶塔河外排能力。

1.2.3武昌湖流域防洪排澇能力較低，與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不相適應(yīng)

武昌湖流域?yàn)榘矐c市望江縣、懷寧縣重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，人口較多，但現(xiàn)狀防洪排澇能力較低，汛期武昌湖高水位持續(xù)時間長導(dǎo)致周邊區(qū)域防汛壓力巨大，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

綜上，望江縣合成圩排澇標(biāo)準(zhǔn)、縣城防洪能力和武昌湖流域周邊區(qū)域防洪排澇能力的提高均需要通過增加外排能力得到實(shí)現(xiàn)，擬建幸福河南站在位置和規(guī)模上具有滿足以上需求的有利條件。

2 幸福河南站工程排水目標(biāo)研究

2.1 目標(biāo)識別與目標(biāo)排序

根據(jù)需求分析，幸福河南站工程任務(wù)主要為承擔(dān)合成圩內(nèi)望江縣新城區(qū)、望江縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的排澇，同時兼顧排泄寶塔河洪水和代排武昌湖流域洪水的功能。因此，幸福河南站具有多個排水目標(biāo)的特點(diǎn)[10- 12]，排水目標(biāo)既有城市排澇，又有農(nóng)業(yè)排澇，還包括排除河道、湖泊洪水。

在以上目標(biāo)中，按照排澇對象的重要性分析，城市排澇和排寶塔河城區(qū)段洪水涉及到望江縣城安全，屬于第一優(yōu)先級，其次是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)的農(nóng)業(yè)排澇和代排武昌湖洪水；按照排水效率分析，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)距離幸福河南站最近，地面高程普遍低于合成圩內(nèi)望江縣新城區(qū)，且寶塔河和武昌湖洪水要經(jīng)過農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)骨干渠道引入泵站外排，因此，城區(qū)排澇效率最高，其次是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)排澇，寶塔河洪水和武昌湖洪水通常是圩區(qū)排澇能力有富余時才可得到兼顧。

綜合以上，幸福河南站排水目標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)棰俪鞘信艥尝谵r(nóng)業(yè)排澇③寶塔河洪水外排④武昌湖洪水外排。

幸福河南站工程排水目標(biāo)和目標(biāo)排序概化如圖2所示。

圖2 幸福河南站排水目標(biāo)排序概化圖

2.2 規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)各排水目標(biāo)和對象具體情況，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)[13- 14]規(guī)定，擬定各排水對象的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)如下。

排澇標(biāo)準(zhǔn)：望江縣城排區(qū)為20年一遇最大24h暴雨最高內(nèi)澇水位不超過設(shè)計最高內(nèi)澇水位；望江縣農(nóng)業(yè)示范區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇最大24h暴雨最高內(nèi)澇水位不超過設(shè)計最高內(nèi)澇水位，示范區(qū)外的其它農(nóng)排區(qū)維持現(xiàn)狀10年一遇最大3d降雨3d排至作物耐淹深度的排澇標(biāo)準(zhǔn)。

排洪標(biāo)準(zhǔn)：排寶塔河洪水標(biāo)準(zhǔn)與望江縣城市防洪標(biāo)準(zhǔn)一致、為50年一遇；排武昌湖洪水標(biāo)準(zhǔn)與武昌湖流域治理標(biāo)準(zhǔn)一致、為20年一遇。

3 幸福河南站工程規(guī)劃方案

3.1 合成圩排澇方案

3.1.1排澇范圍、站點(diǎn)布局研究

根據(jù)合成圩內(nèi)城區(qū)規(guī)劃范圍及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)規(guī)劃范圍，并結(jié)合圩內(nèi)現(xiàn)狀排澇分區(qū)情況，綜合確定幸福河南站工程排澇范圍為包含望江縣新城區(qū)的靠近長江的區(qū)域，面積48.0km2，其中城排區(qū)位于南部，面積21.6km2，北部農(nóng)排區(qū)面積26.4km2。該區(qū)現(xiàn)狀尚無直接對江排澇站。

合成圩三面環(huán)水，從有效減輕內(nèi)水和支流洪澇水壓力考慮，應(yīng)盡量增大向長江排水的規(guī)模，即站點(diǎn)布局以對江排澇為主。

擬建幸福河南站與該區(qū)已建排澇站聯(lián)合運(yùn)用，共同承擔(dān)澇水外排任務(wù)。區(qū)內(nèi)需新增排澇流量均由幸福河南站排向長江。

3.1.2排澇方案擬定

排澇范圍內(nèi)城排區(qū)地面高程普遍在10.5～14.5m，農(nóng)排區(qū)地面高程普遍在9.0～12.5m，城排地面高程總體高于農(nóng)排地面高程。鑒于排澇標(biāo)準(zhǔn)不同，擬定城鄉(xiāng)分開排澇和城鄉(xiāng)合一排澇兩個方案。

方案一：城鄉(xiāng)分開排澇方案，即當(dāng)城排區(qū)泵站全力運(yùn)行，區(qū)內(nèi)澇水仍有上漲趨勢時，需通過人工措施將城排區(qū)澇水與農(nóng)排區(qū)澇水分隔開，人工措施主要有修建矮堤(結(jié)合道路)、節(jié)制閘等；分別設(shè)城排渠、農(nóng)排渠進(jìn)入幸福河南站，幸福河南站設(shè)置高排機(jī)組和低排機(jī)組或設(shè)置幸福河高排站、低排站分散建站排澇。

方案二：城鄉(xiāng)合一排澇方案，根據(jù)城排區(qū)地面高程總體高于農(nóng)排區(qū)地面高程的實(shí)際情況，利用已有的排水渠道設(shè)節(jié)制閘。當(dāng)華陽河水位低于圩內(nèi)排澇水位時，城排系統(tǒng)與農(nóng)排系統(tǒng)合為一體自排，相互調(diào)節(jié)；當(dāng)華陽河水位高于圩內(nèi)排澇水位圩內(nèi)澇水不能自排時，關(guān)閉外排節(jié)制閘，城排片澇水通過該排區(qū)內(nèi)的長河站、古港站抽排入華陽河，部分高排澇水通過南部溝由雷池站(高排)抽排入長江。當(dāng)城排區(qū)現(xiàn)有泵站全力運(yùn)行，區(qū)內(nèi)澇水仍有上漲趨勢時，適度打開與農(nóng)排區(qū)連接渠道上的節(jié)制閘，將城排區(qū)片超量澇水排入北部農(nóng)排區(qū)，通過幸福河南站抽排入江。

3.1.3排澇方案比選

各方案的優(yōu)缺點(diǎn)及相對可比投資綜合比較見表1。

表1 幸福河南站工程排澇方案綜合比較表

綜上，方案二優(yōu)勢較為明顯，推薦合成圩內(nèi)排澇方案采用城鄉(xiāng)合一排水方案。

3.1.4排澇方案可靠性復(fù)核

由于城排區(qū)、農(nóng)排區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)不同，采用城鄉(xiāng)合一排水方案，往往會出現(xiàn)在遇到城市排澇標(biāo)準(zhǔn)的降雨時，由于已超過農(nóng)排區(qū)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致積水頂托影響城排區(qū)排澇，城區(qū)很難達(dá)到城區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)，無形之中又增加了農(nóng)排排澇標(biāo)準(zhǔn)，大水年份可能造成農(nóng)村澇水回壓進(jìn)城，加重城區(qū)內(nèi)澇[3，15]。為此，需對選定的排澇方案進(jìn)行可靠性復(fù)核。

本工程排澇范圍內(nèi)城排片位于幸福河南站匯水方向上游，農(nóng)排片位于下游。經(jīng)調(diào)節(jié)計算，當(dāng)合成圩遭遇20年一遇最大24h暴雨，排澇范圍內(nèi)泵站均滿負(fù)荷運(yùn)行，排澇范圍內(nèi)最高滯澇水位9.88m，淹沒區(qū)面積3.04km2，均位于農(nóng)排片金盆湖區(qū)域內(nèi)。最高滯澇水位比城排片常水及最高內(nèi)澇水位分別低1.12、2.12m，不影響上游城排片來水匯流，城排片可達(dá)20年一遇最大24h暴雨最高澇水位不超過設(shè)計最高蓄澇水位的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 寶塔河洪水外排方案

3.2.1現(xiàn)狀洪水處理措施

在現(xiàn)有工程格局下，寶塔河流域防洪方案為：當(dāng)華陽河水位低于16.0m時，寶塔河洪水經(jīng)城東閘、城關(guān)閘自流排入華陽河；當(dāng)華陽河水位達(dá)到16.0m時，關(guān)閉城關(guān)節(jié)制閘和城東節(jié)制閘，使縣城東部洪水不入城區(qū)，同時開啟寶塔河排澇站抽排縣城西北部來水，利用后期無城排任務(wù)的寶塔河排澇站和相機(jī)利用雷池站后期余力代排縣城東北部寶塔河北岸來水，合成圩來水改由雷池站等直接外排入長江。在武昌湖水位較低時，可利用已建沈沖閘相機(jī)自排入武昌湖。對于超標(biāo)準(zhǔn)洪水，可利用沿河小圩蓄洪。

3.2.2增大外排能力方案研究

(1)方案擬定與比選

現(xiàn)狀除城區(qū)段外，寶塔河其它段已基本滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)主要研究增大城區(qū)段外排能力，以達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃方案。在現(xiàn)狀工程措施基礎(chǔ)上，擬定擴(kuò)建城關(guān)站和利用幸福河南站兩個方案。方案內(nèi)容與比選見表2。

表2 寶塔河洪水外排方案及比選表

(2)方案確定

考慮到幸福河南站建成后用于排澇的一次時段較短(設(shè)計澇水排除時間24h)、且洪水滯后于澇水的特點(diǎn)，幸福河南站具備為寶塔河代排洪水的條件。因此，從提高設(shè)施綜合利用水平、節(jié)約投資和日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等角度出發(fā)，推薦采用方案一。

對于方案二，可作為遠(yuǎn)期進(jìn)一步提高望江縣老城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)的措施。

3.3 幸福河南站代排武昌湖洪水方案

3.3.1武昌湖流域治理規(guī)劃

根據(jù)2017年安徽省水利廳批復(fù)的《武昌湖流域治理規(guī)劃》，為降低武昌湖洪水位，擬采取通過擴(kuò)大排湖通道規(guī)模的措施。規(guī)劃結(jié)合圩口排澇站擴(kuò)建，新增排湖流量180m3/s后，武昌湖20年一遇洪水位15.24m將較現(xiàn)狀16.25m降低約1.0m，略低于現(xiàn)狀10年一遇洪水位15.50m，從而可以保證現(xiàn)狀湖堤基本不加高即可達(dá)到20年一遇標(biāo)準(zhǔn)的防洪能力。

3.3.2幸福河南站代排湖水線路方案研究

寶塔河與武昌湖相連，幸福河南站在外排寶塔河洪水任務(wù)完成后，即可打開沈沖節(jié)制閘，引湖水入寶塔河由幸福河南站代排，因此，代排湖水的線路完全利用現(xiàn)有河道，不需要新挖。

根據(jù)資料分析[8]，武昌湖歷次大水年高水位(15.5m以上)持續(xù)時間一般在30～45d，最長達(dá)100d；在此期間合成圩排澇和寶塔河一次排洪時間不超過1d，考慮連續(xù)暴雨因素，一次時間最長不超過3d。同時，通常情況下，圩內(nèi)澇水和寶塔河洪水峰值出現(xiàn)時間要早于武昌湖最高洪水位。因此，幸福河南站完全具有代排武昌湖洪水的能力，該站排水規(guī)模大(設(shè)計流量約100m3/s)，對于降低湖水位效果明顯。

需說明的是合成圩內(nèi)代排武昌湖洪水除利用幸福河南站線路外，還有現(xiàn)狀沿徐灣河利用雷池站、雷港站的線路，在2016年等大水年份已經(jīng)利用其進(jìn)行了外排，2016年流域暴雨和1998年接近，但武昌湖高水位卻由1998年的71d縮短為44d。

4 結(jié)語

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，排水泵站服務(wù)范圍增大的同時，排水目標(biāo)也隨之增多，規(guī)劃方案難度相應(yīng)增大。本文對望江縣幸福河南站具有的農(nóng)業(yè)排澇、城市排澇等多目標(biāo)進(jìn)行了識別、排序和站點(diǎn)布局等方面的研究和探討，可供有關(guān)人員工作時參考借鑒。由于低洼易澇區(qū)類型和情況不同，排水泵站的目標(biāo)和排序必然不同，需根據(jù)具體情況具體分析[10]，限于目前收集的實(shí)例不多，本文尚無法提出總結(jié)性的結(jié)論?；谕瑯右蛩?，本文對多目標(biāo)排水泵站規(guī)劃方案中泵站設(shè)計流量和特征水位[16]等分析計算內(nèi)容也未涉及，這些都需要在后續(xù)工作中注意整理和總結(jié)。