八堡排水泵站工程水动力调度模型方案研究

八堡排水泵站工程水动力调度模型方案研究

张飞珍1，金伟1

（1. 杭州市南排工程建设管理服务中心，浙江 杭州 310020）

八堡排水泵站工程是杭嘉湖扩大南排工程的组成部分，位于京杭运河二通道一线船闸东侧，以京杭运河二通道为输水干河，排水口设在杭州市钱塘区头格村附近的钱塘江北岸海塘上，排水设计流量200m3/s，1台备用机组排水流量50m3/s。

杭州市钱塘江以北区域西部多为山区，北部和东部为平原河网区，北部余杭区运河水系地势较低，和北东部水系形成杭嘉湖平原水网，中部的上塘河水系则可以通过运河水系排水至钱塘江，杭州三堡排涝工程、八堡排水泵站工程具备完整的排涝能力后可以通过南排工程排水至钱塘江，快速降低杭州内河水位，同时减少杭嘉湖平原水患威胁。

以保障南排工程群效益最大化为出发点，以防洪除涝为主要目的，建立杭州江北城区防洪排涝模型，采用历史雨型以及实时降雨，以数值模拟为技术手段，构建南排工程群模拟调度软件，实现按照预设方案的工程群联合调度，实现对调度方案下的流域河网水情实时模拟和反馈，以此优选确定调度方案。

（1）划分特征分区：根据地形特征，分割主要的流域产汇流分区，主要分为山丘区和平原区。山丘区根据区域主要是零散的小流域分区，每个都作为独立的水文产汇流区，建立新安江产汇流模型；平原区根据河网和局部工程及地形分割成众多平原产汇流区，每个产汇流区划分为水面、水田、旱地、建设用地四种下垫面，分别依据不同下垫面建立各自的产汇流模型；

（2）建立区域河网水动力模型：根据收集到河道大断面地形资料建立各条河道的一维水动力模型，连接各河道形成一维水动力学河网，并联合工程构成工程控制的河网水动力模型；

（3）流域水文水动力耦合调度模型：山区水文入流直接进入最近河道；考虑平原区水域的调蓄，在平原区和河道之间建立虚拟的零维水动力模型，模拟平原区水面的调蓄，形成完整的流域水文水动力调度模型。

（4）构建调度模型接口，实现模拟调度：抽象出模型输入和输出接口，与B/S界面连接，实现按照泵站控制要求实时计算本区域的调度计算；设计大量降雨与工程调度方案，建立降雨~初始水位~工程调度~关键点水位之间的快速获取方法，为快速评估调度效果提供快速获取工具。

1模型原理

针对区域内山区、丘陵区以及平原区产水问题，分别按照不同下垫面建立不同的水文模型，其中山区采用常规的新安江模型，但其中需要考虑水库调度（主要为闲林水库）；平原区和丘陵区则按照太湖模型中水面、水田、旱地以及城镇四种下垫面，计算各种区域在设定或者实时降雨情况下的产水；山区和丘陵区汇流直接采用坡面汇流和马斯京根河道汇流，平原区分为圩内和圩外，圩外与河道直接连接，按照汇流路径分配水量，圩内则按照泵站排水的方式进入河道。流域内河网和闸泵工程采用一维水动力模型进行模拟计算。针对需要进行预报调度闸泵工程，构建闸泵工程调度模型，解决实时预报调度问题。所采用的模型及连接关系架构图见图1。

图1 模型架构图

2模型结构

根据流域的地理特性，可以将江北城区划分为局部山区和平原河网流区，洪水受上游山区来水、当地降雨、下游顶托(如河口潮汐顶托、台风增水顶托等)和人类活动等综合影响，洪水运动情况复杂，洪水下泄不畅，这部分区域的洪水模拟需采用以水文、水动力学相结合的方法解决。

由于江北城区地处流域的中下游感潮地区，平原地区的地形、地貌特征，使得常用的水文学方法，不能完全满足模拟计算要求，主要表现在：一是平原地区由于地势平缓，水流流向多变，传统水文学方法反映不出水流运动方向的多变性；二是平原地区的降雨产汇流既不能全部直接汇入河道，又反过来影响以后的产汇流，尤其是产流量；常用计算方法将其与河道汇流独立开来计算，没有考虑到河道的顶托影响，而这种影响在平原地区是不可忽视的。三是平原区由于人类活动的影响，下垫的变化与分布是经常性的变化着，有时某些下垫面还是随着季节性而变化。此外由于平原区的产汇流过程与山丘区不同，没有一个控制断面控制其出流，这增加了构模的难度。

（1）河道水流的模拟

河道是流域内水流汇流的主要区域，河道水流模拟的精度对于整个计算的精度的影响至关重要。根据所解决的问题和关心点的不同，河道水流模拟可以采用河网一维水流模拟模型、河网二维水流模拟模型以及上述两种模型的耦合模型；

（2）工程建筑物过水模拟

工程建筑物主要是指影响水流运行的闸、堰、口门、堤、道路等，一般讲工程建筑物将不同地区的水流联系起来，因此将这一类水流现象概化为“联系”来模拟。所谓“联系”指的是流域水流运动模拟过程中，零维、一维、二维等模拟区域之间的耦合，这对流域洪水模拟起着非常重要的作用，“联系”的水流运动情况，采用水动力学的方法模拟；

（3）工程设施控制运行模拟

人类对流域水流运动规律的调度主要是通过工程建筑物的使用来达到的，对于工程建筑物的使用通常是一些控制运行的条件进行调度，因此对于工程设施控制运行模拟常是制约模型通用性与实时性的重要因素。传统的方法是将具体的逻辑条件固化到源代码中，无法达到软件化、通用性的要求。需将常用的控制条件的类型进行研究，分解各种控制类别，进行针对性研究，可达到控制条件的自然语言交互式翻译功能；由于控制运行系统的复杂性及动态多变性，引进控制模拟。

按照江北城区的水文特征单元划分，所建立的模型总体设计是包括山区水文模型、平原区水文模型、圩区水文模型、河网水动力模型、工程调度模型。水文模型产汇流之后流量进入河网，通过工程控制在整个平原河网中运行。

3模型耦合

本次模型包含的水文特征单元有山区、平原区、河网、水利工程等。模型主体为水文模型和河网水动力模型，其中水文模型分为山丘区水文模型和平原区水文模型两部分。山丘区水文模型采用新安江模型计算出口流量过程，进入河网；平原区则需要划分产汇流区，在不同的产汇流区中根据不同下垫面分别计算产流，采用整个坡面调蓄的方式模拟平原区坡面对水体的调蓄，调蓄出流量进入产汇流区内的零维水库，与河网连接进行动力学过程演算；河网模型中内嵌闸泵等工程调度模型，实现对整个河网洪水运动的调节。

4模型验证

考虑到目前的城市化进程以及河道整治情况，采用最新的河道资料建模后，宜采用最近的洪水过程对模型进行验证，故拟采用采用2013年10月的“菲特”台风和2018年8月的“云雀”台风对建立的模型进行参数率定。针对能获取到的水文资料对临平、塘栖以及拱宸桥等站的最高水位或者水位过程进行率定，调整模型参数直到效果符合要求。验证采用最近几年有较完整实测过程的洪水过程来检验以往率定参数的合理性。

5模型应用

根据历史资料，自动设置大量的计算方案，驱动模型计算获取大量的方案计算下流域河网的计算成果，通过机器学习不同工程调度下的成果库，掌握不同水雨情和调度情况下的流域水情变化，在未来的计算中实现输入水雨情和工程调度组合下，快速地获取流域计算结果。以此为基础，在设定某些关键河道水位控制目标下推荐泵站工程的调度措施。

参考文献：

[1]张洋. 杭州三堡排涝工程绩效研究[J]. 城市道桥与防洪,2014,3:152-155.

[2]浙江省防汛抗旱指挥部. 未雨绸缪科学调度全力防御钱塘江大洪水[J]. 中国防汛抗旱,2012,1:17.

[3]潘志军，徐磊，等.杭州八堡泵站斜式泵装置流道水力优化[J].排灌机械工程学报，2018,36（6）,501-507.