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    鎮江案例:河、閘、站優化運行調度策略

    更新時間:2022-03-31 10:34 來源:給水排水 作者: 穆軍偉等 閱讀:722 網友評論0

    【谷騰環保網訊】以鎮江市河、閘、站運行調度工況為研究對象,通過對區域水系、排水分區、排水管網、閘站數據等基礎信息分析,構建城市綜合流域排水模型(Infoworks ICM),模型校驗后,分別模型模擬在30年一遇(長、短歷時)降雨情況下,外江水位及不同閘站開啟狀態對城市河湖水位的影響關系,根據模型模擬結果和實際情況,提出預將水位、增設閘站、調整工況等具體優化運行調度方案,并使用Infoworks ICM檢驗調度方案的效果,為研究區域排水系統滿足30年一遇的防澇標準提供技術支撐,為城市應對極端氣候帶來的嚴重內澇提供參考和借鑒。

    01 現狀排水系統分析

    1.1 區域水系分析

    研究范圍內行洪排澇河道主要有古運河、運糧河和金山湖,其中古運河是貫穿鎮江市主城區的一條主要河流,流域面積62.14km2,全長16.92km。河道支流包括四明河、周家河、團結河、玉帶河、孩兒橋河等市區雨水排放的重要通道,其中古運河上設置京口閘、丹徒閘及丹徒南閘;運糧河流域西起馬步橋港,東至金山湖(原北湖),流域面積 60.82km2 ,全長12.8km,河道支流有御橋港和金山大圩圩區河網(頭道河、二道河、三道河、四道河、五道河等),御橋港是運糧河重要的支流,運糧河上設有兩座水閘,分別是運糧河閘河七擺渡閘。金山湖作為鎮江城區最大的水體,外連長江,內接古運河和運糧河,豐水期面積可達8.8km2,常年湖水面積6.7km2,常水位3.9m(黃海高程,下同),防洪控制水位7.5m,金山湖東西兩側建有焦南閘和引航道閘,與環湖外堤共同將金山湖封閉成為可調可控的城市水域,防洪調蓄總庫容1119.5萬m3。

    1.2 排水分區分析

    城市排水防澇系統分區采用分級劃分的方法。一級排水防澇分區邊界保持與一級雨水分區一致;二級分區根據防澇系統劃分結合水系和排水設施規劃建設情況,考慮地形特點與內澇風險重新劃分。研究范圍共劃分為5個一級排水分區,結合路網和管網劃分二級分區,二級分區共182個,然后在二級排水分區內按照泰森多邊形劃分子集水區,共37 196子集水區。

    1.3 排水管網數據分析

    研究范圍包含了鎮江市的中心城區,排水體制以分流制為主,合流制為輔,其中,合流制排水管道總長44.54km,分流制雨水管道總長1247.89km。合流制管道管材包括鋼筋混凝土管、砌體方溝、PE管,分別占比64.84%、17.93%、17.23%;合流制管道中DN400以上的管道占比60.94%,合流制管道管徑分布如圖1所示;雨水管道管材包括鋼筋混凝土管、PE管、砌體方溝、玻璃鋼夾砂管、鑄鐵管,分別占比54.69%、40.98%、4.21%、0.09%、0.03%,雨水管道中DN400以上的管道占比46.82%,雨水管道管徑分布如圖2所示。

    1.4 現狀閘站數據分析

    城市排水安全不僅取決于排水系統的排水能力,還在相當程度上取決于排放水體的水位控制,而閘站是控制水位的重要基礎設施。本項目中涉及的主要閘站為4個外排泵站和7個閘門,2個外排泵站主要包括七擺渡泵站、引航道泵站,7個主要的閘門為:七擺渡閘、二擺渡閘、京口閘、引航道閘、焦南閘、丹徒閘、丹徒南閘。閘站位置分布如圖3所示:主要閘門和泵站的開啟狀況由相關水位決定,具體運行調度工況如表1所示。

    02 模型的建模程序

    城市綜合流域排水模型(InfoWorks ICM)將城市排水管網及河道的一維水力模型,同城市/流域二維洪澇淹沒模型相結合,更為真實的模擬地下排水管網系統與地表受納水體之間的相互作用,通過模型模擬及預測,為城市排水防澇提供更為準確直觀的參考,為河湖閘站的運行調度方案優化提供基礎。

    2.1 暴雨強度公式

    本次模擬參考鎮江市的暴雨強度公式如式(1)所示。

    2.2 模型校核

    根據現狀管網數據和地形數據建立水力模型進行模擬。為使研究能夠盡可能涵蓋所有的實際發生內澇的點,選用30年一遇2 h的暴雨強度作為模擬的雨型,長江水位取低水位,得到內澇點分布結果,與實際內澇點的對比如圖4所示。

    2.3 水位校核

    選取2015年6月26日20時-6月27日20時的實際降雨對模型進行校核,在該實際降雨情況下,24 h內總降雨量為154mm。金山湖的初始水位為4.1m,降雨過程中的閘泵調度情況為:二擺渡閘、丹徒南閘、京口閘開啟;引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉;引航道泵站(30m3/s)未開啟。以古運河支流四明河與古運河的匯流口水位數據以及運糧河與御橋港的匯流口水位數據進行率定,模擬結果與實測數據相當吻合,降雨歷時內,御橋港口水位最高上升至5.4m,四明河口水位達5.3m,模擬值與實測值差值最高為0.1m,其中御橋港水位納什系數值為0.97,四明河口水位率定納什系數值為0.89,吻合度較好。

    2.4 管網排水能力模擬

    按照不同降雨條件下管道所處的運行狀態進行模擬,得到管網運行負荷,如圖5所示:在3年一遇降雨情況下,超負荷管道(紅色和綠色管道,圖中枚紅色為支流)主要分布在建成區,其中,金山湖沿江片區雨水管道總體管道超載情況就較為嚴重;不同降雨情況下的管道超負荷狀態分布情況見表2,其中1年一遇降雨管道超負荷運行占比55.9%,3年一遇降雨管道超負荷運行占比70.04%,5年一遇降雨管道超負荷運行占比74.41%。

    03 典型工況模擬

    3.1 長江低水位、30年一遇降雨(短歷時)

    當初始長江水位、金山湖水位和內河水位均為3.9m,暴雨強度30年一遇時(短歷時),模擬工況如下:引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘開啟;二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟;通過模型模擬,運糧河在降雨開始1.5h時達到水位最高點約4.6m處,而后緩慢波動下降,如圖6所示。古運河在降雨開始后2h左右達到水位最高點約5.3m處,此時京口閘開啟,水位迅速下降,如圖7所示。金山湖水位從初始水位3.9m逐漸上升,降雨停止后繼續緩慢上升,由于引航道閘和焦南閘的泄洪作用,金山湖最高水位約4.04m處開始下降。

    30年一遇的降雨情況下,就整個研究區域而言,積水深度<0.3和積水深度在0.3~0.5m的積水都比較多,分布在一些容易產生內澇的點上,積水深度>0.5m的積水比較少。

    3.2 長江高水位,30年一遇降雨(短歷時)

    當長江水位高水位、金山湖水位和內河水位為3.9m,暴雨強度30年一遇時(短歷時)。模擬工況如下:引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘開啟,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到53m時開啟;其中引航道泵站在金山湖水位達到4.9m時強排。通過模型模擬,運糧河水位在降雨停止后20min達到5.7m開閘水位,降雨后2~4 h維持在5.5m上下波動,如圖8所示;古運河水位在降雨停止前40min達到5.3m開閘水位,降雨后2~4 h維持在4.2m上下波動,如圖9所示;金山湖水位在降雨后1h達到4.2m,最高水位為4.22m。

    30年一遇的降雨情況下,選用芝加哥雨型線進行模擬,得到積水點分布結果大部分與實際內澇點相匹配,整體積水情況較長江低水位對應30年一遇的降雨引起的積水嚴重。

    3.3 長江高水位,30年一遇降雨(長歷時)

    當長江高水位,金山湖及河道初始水位為為3.9m,暴雨強度30年一遇時(24 h);模擬工況如下:引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟;引航道泵站(30m3/s)在金山湖水位達到4.9m時強排。模擬結果為:運糧河水位在隨著降雨的進行先平穩上升,而后輕微波動上升,直至水位在第16h達到5.7m開閘水位,開啟閘門后,水位迅速下降,降雨停止之后,波動幅度逐漸減小,第30h之后基本穩定在5.5m處,如圖10所示;古運河水位在降雨后9h內穩上升,從初始的3.9m持續上升至4.9m處,此時開啟丹徒南閘,向京杭大運河泄洪,使得古運河水位有所下降。當降雨強度達到最大時,水位持續上升至5.3m,達到京口閘開閘水位,即使閘門開啟,河道來不及向金山湖和京杭運河泄洪,水位持續上升至5.7m,降雨停止后水位平穩下降,之后水位趨于平穩,如圖11所示;金山湖水位在整個降雨過程中先是緩慢地上升,幾乎是在雨強最大點處上升速度發生突變。水位在降雨后2 h基本能達到最大水位,最高水位為4.9m,此時開啟引航道泵站,水位開始緩慢下降,至第48 h,水位降至4.64m處。

    在整個降雨過程中,河道和湖泊的調蓄能力在長歷時降雨中表現良好,能夠起到較為及時的緩沖作用。但是河湖的水位變化與降雨強度的變化仍然存在不可忽視的滯后性,河湖的調蓄能力顯然是不能完全抵消長歷時降雨產生的內澇危害的,只能對長歷時降雨內澇危害帶來一定程度的改善。

    04 工況優化方案

    4.1 調整金山湖水位

    長江高水位,遇到30年一遇降雨時(連續強降雨極端情況),通過預降水位,如金山湖水位至3.1m,四明河口水位3.6m;在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟;引航道泵站(30m3/s)在金山湖水位達到4.9m時強排的情況下進行模擬。通過模型模擬:對于連續強降雨的極端情況,預降水位能有效的控制金山湖水位,常水位下金山湖水位能從3.9m上升到5.4m,如圖12所示,若將金山湖水位預降至3.1m,則在同樣的極端強降雨情況下,金山湖的最高水位為4.7m,如圖13所示,說明預降水位能有效地應對連續強降雨的極端情況。

    4.2 提升河道閘站能力

    (1)當長江高水位,遇到30年一遇降雨時(連續強降雨極端情況),金山湖及河道初始水位為為3.9m,通過對丹徒閘的泵站進行擴容,新增30m3/s能力;在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟;引航道泵站(30m3/s)在金山湖水位達到4.9m時強排的情況下,以2016年7月4日6點至7月5日6點的降雨進行模擬,四明河口的水位整體有所下降,最高水位從5.91m下降到5.63m,新增水泵對四明河口水位有一定控制。

    (2)當長江高水位,遇到30年一遇降雨時(連續強降雨的極端情況),金山湖及河道初始水位為為3.9m,通過增設龍門泵站,泵站能力為30m3/s;在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到53m時開啟;引航道泵站(30m3/s)在金山湖水位達到4.9m時強排情況下,控制龍門泵站(30m3/s )和運糧河沿岸泵站的啟閉工況;模擬結果顯示:開啟龍門泵站后,西圩區降雨匯入內河后通過龍門泵站強排至長江,對運糧河的水位影響不大,如圖14所示。對于連續強降雨情況,僅開啟龍門泵站不能及時的排除雨水,需要同時開啟運糧河沿岸泵站向運糧河強排,不同工況下,西圩區積水量情況如圖15所示。

    4.3 增設外排長江通道

    當長江高水位,遇到30年一遇降雨時(連續強降雨的極端情況),金山湖及河道初始水位為為3.9m;增設大口徑末端泵站排除金山湖沿岸雨水;在引航道閘、七擺渡閘、焦南閘、丹徒北閘關閉,二擺渡閘在御橋河口水位達到5.7m時開啟,丹徒南閘在四明河口水位達到4.9m時開啟,京口閘在四明河口水位達到5.3m時開啟;引航道泵站(30m3/s)在金山湖水位達到4.9m時強排,當金山湖水位達到5.2m時,開啟大管徑末端泵站排除金山湖沿岸泵站雨水的情況下;模擬結果顯示:對于連續強降雨的極端情況,若僅僅依靠引航道泵站(30m3/s)強排金山湖水,無法阻止金山湖水位的持續上升,水位最高能上升到5.35m,當在5.2m時開啟大管徑末端泵站后,水位上升趨勢明顯得到緩解,最高水位為5.25m,且水位回落較快,說明開啟大功率末端泵站能緩解連續強降雨下金山湖水位壓力。

    05 結 語

    (1)鎮江市排水區域水系發達,河道湖泊具有較好的調蓄能力。遭遇30年一遇短歷時強降雨時,河道湖泊調蓄能力充足;當遭遇30年一遇長歷時強降雨時,尤其是連續降雨且長江水位較高的極端情況,通過開啟大管徑末端泵站預降金山湖水位,緩解金山湖水位上升壓力。

    (2)針對連續強降雨且長江水位較高的極端情況,預降水位(金山湖降至3.1m,古運河降至3.6m)能有效的控制金山湖水位,能減小約20%高風險區的內澇情況,但對中低風險區的內澇效果改善不明顯。

    (3)現行的閘門調控策略基本能夠應對內澇情況。在丹徒閘附近增設30m3/s 的泵站可以緩解古運河水位對排水管網頂托造成的排水不暢問題;在西圩區增設龍門泵站后,直接將西圩區內河河水通過龍門泵站強排至長江,緩解西圩區的內澇情況。

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