杭州八堡排水泵站工程影响数值模拟研究

孟金波，何 昆

(1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

泵站作为一项水利工程，对于缓解城市内涝、促进地区水体循环具有重要的意义。[1]而河口作为流域和海洋的枢纽，其水动力条件复杂，常受潮汐、径流等因素影响。[2]本文以八堡排水泵站为例，通过数值模拟的方法研究河口地区泵站工程实施后的流场变化及泥沙冲淤情况，为河口地区泵站工程的布置提供科学依据。[3-7]

拟建八堡排水泵站工程处于钱塘江七格弯道顶端，处于径流、潮流共同影响的河口地区，其上下游存在多条丁坝(见图1)。其中七堡7#坝位于本工程上游约500 m处，七堡8#坝位于本工程下游约90 m处(工程轴线距离)。工程上游侧紧邻拟建八堡船闸，工程上游1 000 m左右为九堡大桥。泵站调度方案为按市区塘栖站水位控制，当洪水期间水位较高时开启泵站。

1 控制方程

准确评价工程影响的关键在于水动力场与泥沙场的模拟。非恒定平面二维泥沙输移方程、河床变形方程与浅水流动方程写成矩阵形式为:

(1)

图1 八堡排水泵站工程位置示意图

式中：

其中:h—水深；

u—x方向的水平流速；

v—y方向的水平流速；

b—河床地形；g—重力加速度；

s—含沙量；Ex—x方向的扩散系数；

Ey—y方向的扩散系数；γs—泥沙干容重；

SS—床面冲淤函数。

2 数学模型的建立与验证

2.1 模型建立

数学模型的计算范围包括富春江及钱塘江河口区域，模型上边界在富春江电站，下边界为澉浦。计算域总面积为670 km2，模型范围(见图2)。

本模型采用无结构三角形网格，为保证流场计算的精度，在水流、地形变化梯度比较大的区域适度加密网格。另外对排涝闸附近河段的导航堤、丁坝等局部水工建筑物加密网格进行概化，最小网格尺寸2 m。河床糙率沿程分布采用实测资料率定得到，滩地与主槽糙率取不同值，主槽糙率一般取0.01～0.02，局部边滩糙率取0.03～0.04。

2.2 模型验证

采用水位观测站实测逐时水文资料对模型进行潮位、流速、流向、含沙量验证。限于篇幅，本文潮位验证仅介绍2003年6月闸口水位观测站点验证情况、2005年7月JB3潮流及泥沙观测站点验证情况，其他验证情况参见文献[8].

验证成果(见图3)，建立的潮流数学模型模拟计算值(潮位峰值、相位)与实测值吻合良好。建立的泥沙数学模型能够反映含沙量的随潮变化过程，含沙量计算与实测基本吻合。半潮平均含沙量计算误差小于30%的点据占约78%，大于35%的点据约占10%。由于钱塘江河口潮流泥沙运动比较复杂，泥沙的模拟精度不及潮流计算精度，但总体上看模型所采用的参数基本合理，计算精度基本上满足规范规程[9]的要求。

图2 模型计算范围及工程局部网格图

图3 数学模型验证成果图

3 工程影响数值模拟

3.1 工程河段河势影响分析

工程区域附近河段在潮流作用为主的时期，主槽位置离岸较近；在径流作用为主时期，主槽深泓离岸较远。排涝对工程河段河势影响主要在于计算不同江道地形、上游电站多年平均径流以及下游潮位过程等边界条件下，八堡排水泵站排涝前、后的水动力变化。以近年来经过较大洪水冲刷后河床容积较大，且滩地高程相对较高的偏不利地形作为典型江道，对遭遇多年平均径流及下游澉浦10%大潮，泵站最大排涝250 m3/s流量的情况进行分析。图4为排涝前后涨、落急流矢对比图；图5为排涝前后涨、落潮平均流速绝对值变化图。

图4 排涝前后流矢对比图

由图4可见，涨潮时,工程河段丁坝与导堤之间的掩护区内均存在顺时针方向回流；排涝后涝水随涨潮流向上游，二通道东侧导堤与七堡8#丁坝之间顺时针回流被排涝水体切割，只在丁坝、导堤与海塘的局部存在两个小的顺时针回流区；涨潮时二通道口门由于东侧流速相对西侧流速增加，剪切增强，回流强度有所增加，排涝前后流矢存在较为明显夹角，其它区域流矢变化较小。落潮时，丁坝与导堤掩护区内存在逆时针方向回流，二通道内及下游丁坝群坝田内排涝前后流矢有明显变化。

由图5可见，八堡排水泵站出口向江中间300 m范围内涨潮平均流速增加，增加幅度大部分在0.04～0.2 m/s，二通道导堤外侧200 m范围内流速减少0.04～0.1 m/s,二通道口门内回流增加0.02～0.06 m/s；8#丁坝下游侧涨潮时平均流速减少，一般在0.04 m/s左右，相对减少约4%；落潮平均流速在泵站出口上游侧减少0.04～0.1 m/s，下游侧2 km范围内、丁坝前沿50～100 m内落潮平均流速一般增加0.04～0.22 m/s，2 km以外流速变化幅度在0.04 m/s以内，相对幅度在3%以下。整体来说泵站对于局部水流流速及流向变化有一定影响但影响范围有限，因此八堡排水泵站运行对八堡河段的河势不会产生明显影响。

图5 涨落潮平均流速变化图

3.2 工程河段防洪影响分析

以典型江道情况下，遭遇百年一遇洪水及下游澉浦10%大潮，泵站最大排涝250 m3/s流量情况下为例进行防洪影响分析。图6为排涝前后洪水位变化图；图7为排涝前后洪水流矢对比图；图8为排涝前后洪水流速绝对值变化图。

由图6可见，洪水位壅高的影响主要集中在工程区域二通道导堤和8#丁坝之间，其它区域洪水位壅高幅度均在2 cm以下。闸门口以及泵站出口外靠近8#丁坝坝头位置处洪水位壅高幅度相对较大，壅高最大约6 cm。8#丁坝至下游短丁坝群之间由于丁坝影响，多回流，洪水位变化较为复杂，主要表现为洪水位略有降低，降低幅度一般在1 cm左右。

图6 排涝后洪水位变化图

图7 排涝前后洪水流矢对比图

图8 排涝前后洪水流速绝对值变化图

由图7、图8可见，在百年一遇洪水流量下，由于二通道导堤及丁坝的掩护，八堡排水泵站排涝前，二通道口门、二通道东导堤与8#丁坝之间以及下游小丁坝群坝田内均存在逆时针方向回流，回流流速大多在0.1～1.0 m/s之间；八堡排水泵站排涝后，涝水在闸门出口与主流流向接近垂直，流入钱塘江后受主流的挤压，逐渐与主流流向一致。在这个过程中，二通道导堤外侧江道主流区，以排涝站口门为界，上游侧洪水流速略有降低，幅度大部分在0.04～0.1 m/s，下游侧流速略有增加，幅度在0.04～0.08 m/s之间；口门下导堤与下游侧8#丁坝之间区域主要由于涝水的经过，流速增加0.5～1.0 m/s；8#丁坝下游侧小丁坝群外侧及坝田内回流流速减弱，主要是因为排出的涝水事实上向外侧挤压了主流，流速减小幅度0.1～0.4 m/s；远区小丁坝群坝田内回流流速略有增加，幅度在0.04～0.1 m/s。其它区域洪水流速变化均在0.04 m/s以内，流速变化幅度2%以下。综上可知，排涝对防洪仅产生局部影响。

3.3 工程河段冲淤影响分析

选取2017年6月，连续15 d的洪水期过程作为典型洪水，计算洪水过程期间泵站不排涝和排涝50 m3/s、250 m3/s情况下的滩地冲淤变化，洪水前后工程区域的相对冲淤变化(见图9—11)。

图9 排涝站外洪水后滩地淤积幅度(不排涝)

由图9可见，不排涝情况下以七堡8#丁坝和二通道下导堤头部连线为中心，连线条状区域相对淤积幅度最大，向排涝出口方向的坝田区均表现为淤积，至排涝闸口门淤积0.3 m；向河道主槽方向河床逐渐由淤积转为冲刷。经统计八堡排涝站外侧坝田区15 d洪水期平均淤积厚度0.6 m。

图10 排涝站外洪水后滩地淤积幅度(Q=50 m3/s)

由图10可见，泵站排涝50 m3/s流量情况下，以七堡8#丁坝和二通道下导堤头部连线为中心，连线条状区域相对淤积幅度最大，一般淤积厚度0.5 m；坝田区一般淤积厚度0.1m左右，八堡排涝站外侧坝田区15 d洪水期平均淤积厚度0.3 m。经统计，洪水期半个月内排涝50 m3/s下，排涝闸口门区淤积量减少了0.7 万m3，相当于每亿方水减淤1.1 万m3的淤积量。

图11 排涝站外洪水后滩地冲淤变化(Q=250 m3/s)

由图11可见，泵站排涝250 m3/s流量情况下，沿排涝闸出口向外存在一50 m左右宽的冲刷条带，在洪水作用下冲刷条带向下游偏转，基本至8#丁坝头部位置，该条带冲刷幅度一般在1.0～2.0 m之间；冲刷条带到二通道下导堤之间主要表现为淤积，靠近下导堤侧淤积幅度约1.0 m左右，至海塘堤脚附近淤积接近0.1 m。冲刷条带到8#丁坝之间亦主要表现为淤积，淤积幅度约0.1 m，沿8#坝有0.5 m的冲刷。

经统计，洪水前、后排涝口门区冲刷量2.4万m3，根据枯水期淤积计算分析，口门区一个月淤积量为1.9 万m3，即经历约1.3个月后，该区域的淤积量即可抵消洪水期的冲刷量。

在设计百年一遇洪水下，就上游船闸前沿淤积情况来看，排涝50 m3/s后，船闸口门区少淤0.17万m3，排涝250 m3/s后，船闸口门区少淤0.19 万m3。可见大洪水期排涝有利于缓解八堡船闸口门区淤积。

4 结论

通过建立水动力及泥沙数学模型，对钱塘江八堡排水泵站的工程影响进行了分析，主要得出以下结论。(1)当工程河段以潮流作用为主时，涨潮时排涝前后的流矢存在较为明显夹角，其它区域流矢变化较小；落潮时在二通道内及下游丁坝群坝田内排涝前后流矢有明显变化。(2)当工程河段处于洪水期时，泵站工程引起的水位壅高影响范围比较局部，主要集中在工程区域二通道导堤和8#丁坝之间；流速增加集中在口门下导堤与下游侧8#丁坝之间区域，其它区域变化相对不大。(3)经历一个典型洪水过程后，八堡排水泵站泄洪排涝口门区冲刷量随排涝流量增加而增加，最大达2.4 万m3。(4)洪水时，排涝50～250 m3/s流量，八堡船闸口门区少淤约0.18 万m3，大洪水期排涝有利于缓解船闸口门区淤积。