大藤峽水利樞紐庫區(qū)七星河泵站規(guī)模分析

樊紅霞，尹開霞，姜紫萍

( 1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣州 510610；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

七星河泵站位于大藤峽庫區(qū)，既要排上游山洪，又要排出口河段城區(qū)內(nèi)澇，還需滿足七星河消落帶治理的要求。七星河防洪排澇總體布局及特征水位、調(diào)度運行方式的確定，應(yīng)滿足景觀要求和城區(qū)排水安全需要。受大藤峽水庫回水影響，七星河泵站排澇設(shè)計流量、特征水位確定應(yīng)充分考慮大藤峽水庫防洪、發(fā)電等綜合調(diào)度運用方式。

本文通過分析大藤峽運行方式和干支流洪水遭遇情況，確定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作為抽排設(shè)計工況，以此確定七星河泵站的規(guī)模。研究成果可為庫區(qū)泵閘規(guī)模分析提供借鑒和參考。

1 工程概況

七星河泵站位于大藤峽庫區(qū)黔江河段的一級支流七星河河口，是大藤峽庫區(qū)武宣縣城七星河防護工程體系的一部分。

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段，是一座防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利工程。汛期6-8月份預(yù)留15×108m3防洪庫容，相應(yīng)防洪限制水位為47.6m；為控制淹沒范圍，當(dāng)入庫流量大于20 000m3/s時，水庫進行防洪調(diào)度，水位可降至防洪運用最低水位44m；4、5、9月份，按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位為59.6m；10-3月份，亦按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位達到正常蓄水位61m。另外，大藤峽水利樞紐4-7月份還有生態(tài)調(diào)度需求，枯水期有補水壓咸調(diào)度需求。

七星河河口距離大藤峽壩址上游約60km，七星河泵站的規(guī)模、調(diào)度運用與大藤峽水庫運行方式關(guān)系密切。大藤峽水庫建成后，在遭遇不同水情條件下，泵站外江水位根據(jù)大藤峽水庫防洪、發(fā)電等調(diào)度運行工況確定[1]。

2 資料及計算方法

2.1 采用資料和設(shè)計暴雨洪水分析

設(shè)計工況確定時，雨洪遭遇分析采用水文資料包括1960-2016年武宣站洪水水文要素、逐日流量表和逐日降水量表。

七星河設(shè)計暴雨洪水計算采用《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》中介紹的推理公式法計算[2]，公式如下：

(1)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；hτ為相應(yīng)于匯流時段的最大凈雨量，mm；F為流域面積，km2；τ為流域匯流時間，h。

2.2 調(diào)蓄計算

調(diào)蓄演算主要有兩種方法，即Mike11模型法和平湖調(diào)蓄分析法[3]，兩種方法在調(diào)蓄計算中的運用均十分廣泛。

2.2.1 Mike11模型法

Mike11模型法利用MIKE軟件水動力模塊(HD)[4]建立調(diào)蓄排澇數(shù)學(xué)模型進行計算。

HD水動力模塊所用的描述一維非恒定水流運動規(guī)律的控制方程組為圣維南方程組，它由描述質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和描述能量守恒的動量方程組成[5-6]。其方程如下：

(2)

式中：x為距離坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q、h為流量及水位；q為旁側(cè)入流量；α為動量系數(shù)，一般取值為1；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度。

2.2.2 平湖調(diào)蓄分析法

平湖法適用于地形較緩的澇區(qū)，在分析時忽略泵站排水時的水面比降，僅考慮水體水平升降變化。為分析調(diào)蓄水面變化及蓄排設(shè)施的規(guī)模，采用水量平衡作為基本原理進行調(diào)蓄計算，并通過反復(fù)計算來確定合理的泵站規(guī)模。水量平衡法公式為：

(3)

3 七星河泵站規(guī)模分析

3.1 防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)和工程總體布局

根據(jù)《武宣縣城總體規(guī)劃(2006-2020年)》及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)、《治澇標(biāo)準(zhǔn)》(SL 723-2016)等規(guī)范規(guī)定[7-8]，武宣縣城主城區(qū)防護設(shè)計按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，抽排標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇年最大24h設(shè)計暴雨1d排完且城區(qū)不致災(zāi)。七星河泵站排澇標(biāo)準(zhǔn)亦為20年一遇年最大24h設(shè)計暴雨1d排完且城區(qū)不致災(zāi)。

武宣縣城區(qū)位于大藤峽庫區(qū)黔江左岸、支流七星河右岸，同時受到黔江洪水、七星河流域洪水及本地暴雨內(nèi)澇的威脅。另外,受大藤峽水庫運行影響，當(dāng)大藤峽水庫汛期降低水位運行時，庫區(qū)形成10m左右的消落帶，影響水環(huán)境安全，惡化城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活環(huán)境。因此，武宣縣城不僅要解決防御黔江、七星河洪澇問題，還要解決治理七星河消落帶環(huán)境問題。

為了滿足武宣縣城防洪排澇和七星河消落帶治理的需要，七星河口處集中建立防洪排澇閘壩抵擋黔江洪水，七星河下游形成七星湖。另外，建設(shè)黔江左岸堤防聯(lián)合七星河口閘壩形成完整的防線抵擋黔江洪水，建設(shè)七星河兩岸堤防抵擋七星河流域洪水。黔江左岸堤防、七星河兩岸堤防、七星河口閘壩形成武宣縣城區(qū)防洪體系。

武宣縣城區(qū)一部分澇水由老虎溝、書房山、崩沖口閘泵直接排入黔江；另一部分屬于七星河流域，由市政管網(wǎng)收集，通過七星河兩岸堤岸預(yù)留排水涵管排入七星河。七星河流域上游山洪、下游兩岸澇水匯入七星湖調(diào)蓄后，經(jīng)由七星河口閘泵自排或抽排入黔江。因此，七星湖、七星河口閘泵、老虎溝、書房山、崩沖口閘泵形成武宣縣城區(qū)排澇體系。

七星河閘泵工程也是大藤峽庫區(qū)武宣縣城七星河防護體系的一部分。

3.2 計算條件分析

3.2.1 七星湖控制水位

七星河閘泵的建設(shè)需要解決防洪排澇和治理消落帶等問題，結(jié)合大藤峽水庫運行方式，以及七星河流域內(nèi)耕地抬填片最低抬填高程為61.8m，擬定七星河正常蓄水位61.0m。另外，根據(jù)武宣縣城東新區(qū)規(guī)劃豎向規(guī)劃成果，七星河兩岸武宣縣城區(qū)域規(guī)劃地面高程在64m以上，設(shè)計最低雨水管底高程為61.5m，擬定七星湖最高控淹水位為最低雨水管底高程61.5m。

3.2.2 計算工況

七星河流域面積較小，洪水由區(qū)內(nèi)暴雨引發(fā)，以武宣站暴雨代表七星河流域洪水進行干支流洪水遭遇分析。根據(jù)武宣站日雨量和流量資料分析，黔江干支流不會發(fā)生大洪水同頻遭遇的情況，當(dāng)七星河發(fā)生5年一遇(145mm)及以上洪水時，外江相應(yīng)洪水也在2年一遇洪水(25 300m3/s)以下，外江(黔江干流)發(fā)生5年一遇(33 300m3/s)及以上洪水時，七星河相應(yīng)洪水均在2年一遇(96mm)以下。具體見圖 1。

圖1 七星河與黔江洪水分析圖(單位：m3/s)

根據(jù)大藤峽水庫運行調(diào)度方式，大藤峽水庫在主汛期、次汛期、非汛期不同來水流量和發(fā)電工況條件下，壩前水位在正常蓄水位61～44m之間，相應(yīng)七星河口回水位見表1和表2。

表1 大藤峽庫區(qū)干流(七星河口)設(shè)計頻率洪水回水成果表

表2 大藤峽庫區(qū)干流(七星河口)對應(yīng)發(fā)電工況回水成果表

武宣縣城區(qū)排水按照大藤峽不同運行期外江水位情況，分別采取開閘自排和開泵抽排措施。根據(jù)干(黔江)支(七星河)流洪水遭遇分析及大藤峽水庫運行調(diào)度方式，考慮可能的計算工況組合12組，各工況設(shè)計上下邊界條件見表3。當(dāng)閘外水位高于閘內(nèi)水位時，關(guān)閘抽排；閘內(nèi)水位高于閘外水位，開閘自排，按關(guān)閘抽排工況分析七星河口泵站規(guī)模。

表3 七星河泵閘運行工況邊界條件表

由表3可見，僅工況4和工況5需采用泵站抽排，其他工況均可自排。因此，本次七星河泵站規(guī)模調(diào)算設(shè)計工況采用最不利的組合5，即主汛期干流20年一遇洪水遭遇七星河2年一遇洪水。

3.3 泵站規(guī)模

3.3.1 設(shè)計排澇流量

根據(jù)推理公式法計算公式并分析，七星河2年一遇設(shè)計暴雨洪水洪峰流量為148m3/s。

為更好利用七星湖調(diào)蓄功能，結(jié)合預(yù)報調(diào)度技術(shù)，考慮根據(jù)天氣預(yù)報提前開閘，將七星湖水位預(yù)降至60.50m，騰出218×104m3調(diào)蓄庫容。由于七星河流域較小，洪水由區(qū)內(nèi)暴雨引發(fā)，而Mike11模型法與平湖法差別不大，對于單泵站排澇，采用平湖法調(diào)蓄分析較為簡單。所以，七星河泵站設(shè)計利用平湖法調(diào)蓄分析，根據(jù)公式計算，當(dāng)起調(diào)水位為60.5m，泵站抽排流量不小于32.0m3/s時，可滿足七星湖水位不超過最高控淹水位61.50m。

3.3.2 泵站特征水位

根據(jù)規(guī)范要求[9]，結(jié)合七星湖特征水位及大藤峽運行水位，確定泵站特征水位：

最高運行內(nèi)水位采用七星湖控淹水位61.50m；設(shè)計內(nèi)水位采用七星湖常水位61.00m；最高內(nèi)水位為設(shè)計工況下的七星湖最高內(nèi)澇水位62.78m；最低運行內(nèi)水位和最低運行外水位為起排水位60.50m；設(shè)計外水位取外江10年一遇設(shè)計水位61.35m；最高運行外水位和防洪高水位取外江50年一遇設(shè)計水位66.35m。

4 結(jié) 論

本文通過武宣站雨量和流量資料，分析黔江干支流不會發(fā)生大洪水同頻遭遇的情況。結(jié)合大藤峽運行方式，確定主汛期干流20年一遇洪水遭遇支流2年一遇洪水作為泵站規(guī)模設(shè)計工況。根據(jù)七星湖特征水位及大藤峽運行水位，確定七星河泵站特征水位：

1)最高運行內(nèi)水位61.50m；設(shè)計內(nèi)水位61.00m；最高內(nèi)澇水位62.78m。

2)最低運行內(nèi)水位和最低運行外水位60.50m；設(shè)計外水位61.35m。

3)最高運行外水位和防洪高水位66.35m。

根據(jù)平湖法調(diào)蓄分析，泵站抽排流量不小于32.0m3/s時，可滿足七星湖水位不超過最高控淹水位的要求。