長江中下游圩區(qū)聯(lián)排泵站規(guī)模論證

余 夢

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(wǎng)密集交錯(cuò)、圩區(qū)成片、暴雨強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間長、易形成內(nèi)澇的特點(diǎn)[1-2],澇水不及時(shí)排出則有礙當(dāng)?shù)爻鞘屑稗r(nóng)業(yè)發(fā)展。陳家圩為長江一類圩垸區(qū),排澇面積5.4 km2,現(xiàn)狀由石船站與陳家圩站對圩內(nèi)澇水進(jìn)行聯(lián)排,但泵站機(jī)組設(shè)備均已淘汰,結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,現(xiàn)需對兩座泵站進(jìn)行拆除重建并提高圩內(nèi)排澇標(biāo)準(zhǔn),本次設(shè)計(jì)石船站、陳家圩站聯(lián)排規(guī)模為6.0 m3/s。

當(dāng)前常用的泵站規(guī)模計(jì)算辦法有排澇模數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法及平均排除法等,適用于單個(gè)泵站規(guī)模的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果安全可靠,但不能構(gòu)建聯(lián)排工況。MIKE11 軟件是丹麥DHI 公司研發(fā)的河流模擬軟件,在國內(nèi)外多類型水利項(xiàng)目中被應(yīng)用,且模擬精度能滿足工程應(yīng)用[3-4]。使用Mike 11構(gòu)建陳家圩河網(wǎng)一維水動(dòng)力模型,能夠更好地模擬圩內(nèi)水位隨時(shí)間變化的過程及計(jì)算排澇總時(shí)長,對于聯(lián)排泵站規(guī)模方案比選決策具有重要意義。

2 模型原理及構(gòu)建

聯(lián)排泵站規(guī)模論證分析的核心是構(gòu)建一維水動(dòng)力模型,模擬在設(shè)計(jì)工況下,兩座排澇泵站采用不同規(guī)模聯(lián)排時(shí),澇區(qū)內(nèi)河網(wǎng)不同斷面處的水位、流量變化過程。本次構(gòu)建的一維水動(dòng)力模型主要包含MIKE 11 水動(dòng)力模塊。

2.1 模型原理

Mike 11 模型基于三個(gè)要素：一是反映有關(guān)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(jìn)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(cè)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(shù)；α 為動(dòng)量修正系數(shù)。

Mike11 軟件核心模塊為水動(dòng)力模塊,其采用6 點(diǎn)Abbott-Ionescu 有限差分格式對圣維南方程組進(jìn)行離散化,計(jì)算網(wǎng)格由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)組成,其中流量點(diǎn)和水位點(diǎn)在同一時(shí)間步長下分別進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算網(wǎng)格由模型自動(dòng)生成。

通過將某個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位及與之相連的節(jié)點(diǎn)水位表示為線性函數(shù),給定邊界水位或流量后,可以通過高斯消元法直接求解節(jié)點(diǎn)方程組,得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位,進(jìn)而回代求解任意河道任意網(wǎng)格點(diǎn)的水位或流量（雙掃描法）。

2.2 模型構(gòu)建

建立MIKE 11 模型需要先使用河網(wǎng)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(jìn)行模擬計(jì)算,最后使用MIKE VIEW 查看模型運(yùn)行結(jié)果。

2.2.1 河網(wǎng)構(gòu)建

河網(wǎng)編輯包括數(shù)字化河網(wǎng)和河段連接、建筑物的定義以及集水區(qū)進(jìn)入本模型的入流點(diǎn)的定義。因項(xiàng)目設(shè)計(jì)前對雨山區(qū)進(jìn)行過地形測量（河段中弘線及橫斷面數(shù)據(jù)）,則只需將實(shí)測河段中弘線數(shù)據(jù)及橫斷面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再分別導(dǎo)入河網(wǎng)編輯器與橫斷面編輯器,即可生成數(shù)字化河網(wǎng)并應(yīng)用于模型計(jì)算。河段連接則參照實(shí)測地形數(shù)據(jù),在河網(wǎng)編輯器中直接進(jìn)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(jù)MIKE 11 建筑物類型定義及排澇泵站性質(zhì),兩座排澇站類型應(yīng)確定為側(cè)向建筑物,用于排出河網(wǎng)模型中的澇水。經(jīng)概化處理,陳家圩河網(wǎng)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(wǎng)的入流、出流都可以從節(jié)點(diǎn)發(fā)生。根據(jù)陳家圩實(shí)際情況,將RA 的上端點(diǎn)（里程0 m）設(shè)定為入流邊界類型,用于河網(wǎng)模型設(shè)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)定為點(diǎn)源開邊界,用于河網(wǎng)模型排澇出流。

2.2.2 模型參數(shù)

模型考慮的眾多計(jì)算參數(shù)（如風(fēng)力、河床阻力、波影響等）及輸出結(jié)果參數(shù)（如時(shí)間序列、地圖）由水動(dòng)力參數(shù)編輯器來設(shè)定,其中大多數(shù)參數(shù)都有默認(rèn)值（默認(rèn)計(jì)算參數(shù)適用于大部分模型計(jì)算,輸出參數(shù)則根據(jù)成果特定需求來定）,由于圩區(qū)內(nèi)暴雨集中且受風(fēng)力影響較小、單個(gè)圩區(qū)面積較小,模型輸出成果格式對泵站規(guī)模論證結(jié)果幾乎無影響,因此只需單獨(dú)設(shè)定初始水位、河床糙率系數(shù)。

（1）初始水位

綜合考慮區(qū)域地形條件及泵站控制運(yùn)行條件,河網(wǎng)區(qū)初始水位采用全域4.5 m。

（2）糙率系數(shù)

圩內(nèi)溝渠多為人工開挖渠道,但現(xiàn)狀多為藕塘,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,參照區(qū)域河網(wǎng)基本情況,本次模型中河道糙率系數(shù)采用全域0.025~0.03。

2.2.3 邊界條件

河網(wǎng)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(qū)內(nèi)缺少實(shí)測流量資料,本次利用經(jīng)驗(yàn)方法推求該區(qū)域匯流過程線,并將由設(shè)計(jì)洪水推求的流量過程線文件導(dǎo)入邊界條件編輯器,應(yīng)用于RA 上端點(diǎn)（里程0 m）處河網(wǎng)入流。

（2）泵站控制運(yùn)行條件

根據(jù)圩區(qū)地形,兼顧圩內(nèi)水環(huán)境需求,本次石船站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位采用5.0 m,最低運(yùn)行水位為4.2 m,陳家圩站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為4.8 m,最低運(yùn)行水位為4.0 m。為充分利用圩內(nèi)排澇溝滯蓄,本模型參照泵站控制運(yùn)行水位,泵站起排水位采用5.0 m,當(dāng)水位低于4.5 m 時(shí)泵站停止運(yùn)行。

（3）出流條件

模型中兩座泵站的抽排流量過程（負(fù)數(shù)代表流量過程從模型里流出）即為模型出流條件,本次設(shè)計(jì)兩座泵站聯(lián)排規(guī)模為6.0 m3/s,為論證兩座泵站最佳聯(lián)排規(guī)模組合,本次擬定五種出流條件作為五種模型方案,分別計(jì)算聯(lián)排結(jié)果,模型方案及對應(yīng)出流條件見表1。

表1 各模型方案及對應(yīng)出流條件

3 結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)定的邊界條件,當(dāng)區(qū)域遭遇10年一遇降雨時(shí),初期泵站不啟動(dòng),當(dāng)泵前水位增長至5.0 m 時(shí)泵站開始抽排,直到泵前水位降低至4.5 m 時(shí)泵站停止抽排。通過河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算,各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置最高水位及抽排時(shí)長見表2、圖2。

圖2 主要節(jié)點(diǎn)位置圖

表2 不同模型方案運(yùn)行結(jié)果對比表

結(jié)合模型出流條件及各方案運(yùn)行結(jié)果差異可知：

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

（2）泵站建設(shè)方案對泵站聯(lián)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(dāng)選定陳家圩站較石船站多一臺機(jī)組,即陳家圩站規(guī)模為4.0 m3/s,石船站規(guī)模為2.0 m3/s 時(shí),兩座泵站的聯(lián)排效率最高。

4 結(jié)論及建議

通過本次模擬陳家圩泵站聯(lián)排工況的計(jì)算結(jié)果可知：

（1）可通過MIKE 11 搭建長江中下游圩區(qū)河網(wǎng)模型,根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及項(xiàng)目規(guī)劃方案選定適宜的模型參數(shù)及邊界條件,采用多種模型出流條件以應(yīng)用多種聯(lián)排方案,來計(jì)算對比選定圩區(qū)最佳聯(lián)排泵站規(guī)模,為水利工程規(guī)劃方案決策提供重要理論依據(jù)。

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