孫 正 蘭

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 工程概況

江都水利樞紐為南水北調(diào)東線工程的源頭[1]，也是江蘇省江水北調(diào)工程的起點(diǎn)[2]，其中4座大型泵站為江都水利樞紐的主體工程。在北方發(fā)生干旱時(shí)，4座泵站抽引長江水通過京杭大運(yùn)河及其平行河道北送，在滿足沿線江都、高郵、寶應(yīng)、淮安等地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水的基礎(chǔ)上，通過淮安、泗陽、皂河等9級泵站將長江水北送徐州、東輸連云港，沿途串聯(lián)洪澤湖、駱馬湖、微山湖[3]，溝通長江、淮河、沂沭泗水系，實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)度[4]，有效解決了蘇北地區(qū)的缺水問題[5]。國家南水北調(diào)東線工程正是在江蘇江水北調(diào)工程基礎(chǔ)上的擴(kuò)大規(guī)模和向北延伸[6]。當(dāng)蘇北里下河地區(qū)發(fā)生洪澇時(shí)，通過4座泵站將地勢低平、河網(wǎng)交錯(cuò)的里下河腹部澇水抽排入長江[7-8]，為極具水鄉(xiāng)特色和生態(tài)價(jià)值的蘇北里下河地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了重要保障[9-12]。

4座大型電力抽水站(簡稱一、二、三、四站)位于揚(yáng)州市江都區(qū)境內(nèi)，在京杭大運(yùn)河、新通揚(yáng)運(yùn)河和淮河入江尾閭芒稻河的交匯處，共裝有立式軸流泵33臺，1994～2010年完成了更新改造，現(xiàn)抽水能力為508.2 m3/s，裝機(jī)容量55 800 kW。江都抽水站基本情況及工程運(yùn)用見表1和圖1。

表1 江都抽水站基本情況

注:第三站為10臺可逆式機(jī)組，正轉(zhuǎn)時(shí)抽水，反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電；第一、二、四站均為不可逆式機(jī)組。

江都抽水站水文站為國家重要水文站，中央報(bào)汛站，常年駐測，為一類精度的流量控制站[13]。本文基于建站以來尤其是近年來主汛期江都4座泵站運(yùn)行的實(shí)測資料，對江都抽水泵站在抽引江水和抽排澇水時(shí)流量變化及其原因進(jìn)行了探討，為大型泵站的安全運(yùn)用、科學(xué)管理提供參考，對區(qū)域防汛抗旱和水資源調(diào)配具有重要的指導(dǎo)意義。

2 工程運(yùn)用

由圖1可見，抽排澇水時(shí)，里下河腹部地區(qū)澇水經(jīng)新通揚(yáng)運(yùn)河由江都東閘進(jìn)入4座泵站下游引河，由4座泵站抽出，經(jīng)芒稻河排入長江(此時(shí)江都西閘關(guān)閉)。第四站臨近江都東閘入水口，機(jī)組流量為4座泵站中最大，河流中的浮游水草雜物大部分隨著強(qiáng)大的水流速進(jìn)入四站站口攔污柵。因此，抽排里下河澇水期間，第四站站口攔污柵上吸附的雜物垃圾為4座泵站中最多，流量減小的幅度也為4座泵站中最大[14]。2007年汛前在江都東閘成功安裝了攔截打撈垃圾的清污機(jī)(2006年底江都東閘完成加固改造)，主汛期抽排里下河澇水期間，清污機(jī)打撈攔截的水草垃圾最多時(shí)每天達(dá)1 615 m3。因此，河流入口處的清污機(jī)有效緩解了江都抽水站尤其是第四抽水站安全運(yùn)行的壓力，但隨著運(yùn)行時(shí)間較長，仍然有部分水草或細(xì)小垃圾雜物隨著水流越過清污機(jī)進(jìn)入吸附在泵站進(jìn)水口的攔污柵上，導(dǎo)致流量明顯減小。

抽引江水北送與抽排里下河澇水不同，長江水從長江干流三江營經(jīng)芒稻河由江都西閘進(jìn)入4座泵站下游引河。主汛期長江水位高，江都西閘受設(shè)計(jì)流量和泵站下游引河水位低于4.8 m(廢黃河口基面)控制，閘門大多處于控制水流狀態(tài)，進(jìn)入泵站下游引河的水草及生活垃圾很少[15]。第一、二站臨近入水口，江水中浮游水草雜物隨著較大的水流速首先進(jìn)入第一、二站站口攔污柵，盡管第三、四站機(jī)組流量較大，由于距離較遠(yuǎn)，到達(dá)第三、四站站口攔污柵的雜物垃圾相對較少，尤其在江都東閘同時(shí)自流引江水東送里下河地區(qū)灌溉時(shí)，河流中少部分水草垃圾隨著水流進(jìn)入新通揚(yáng)運(yùn)河。因此，江水中少量的水草垃圾及浮游雜物多被擋于閘門前，或被4座泵站平分且隨著水流被泵站抽出。多年來，4座泵站在引水期間分別實(shí)測率定的歷年水位流量關(guān)系曲線均為穩(wěn)定的單一線。

近年來，隨著三江營至江都西閘引河沿途兩岸土地開發(fā)，江水中浮游雜物及生活垃圾也逐漸增多，但抽引江水時(shí)4座泵站流量受水草垃圾影響相對較小且減小的程度基本接近。

3 流量變化分析

基于抽引江水時(shí)多年穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線，對4座泵站抽排里下河澇水或長時(shí)間抽引江水時(shí)流量受水草影響的程度進(jìn)行分析比較。

4座泵站的測流斷面均設(shè)在遠(yuǎn)離出水口的上游(見圖1)，第一、二站測流斷面與總出口斷面重合。由于大型泵站群建在同一條河道上，在防汛抗旱緊張時(shí)期，4座泵站均處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)僅能實(shí)測江都第四站和4座泵站的總出口流量。根據(jù)4座泵站建成投入運(yùn)行后1975～2019年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一年中6月引水最多，多年平均引水時(shí)長為23 d；7月排水最多，多年平均排水時(shí)長為13 d，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和淮北氣候特點(diǎn)相一致[16]。主汛期尤其7～8月為河道中水生植物生長最茂盛的時(shí)期，故主要利用主汛期江都第四站或泵站總出口斷面實(shí)測資料定量分析歷年引水、排澇期間的流量變化情況。

圖1 江都4座大型泵站工程運(yùn)用示意

3.1 流量歷年變化情況

在建站之初至1983年，河道中水草雜物及生活垃圾很少，這也正是4座泵站建站時(shí)只在站口設(shè)置攔污柵的緣故。隨著改革開放和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，里下河地區(qū)人口急劇增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[17]，河道中的生活垃圾也隨之增多，加之主汛期水草長勢旺盛，水草垃圾隨著強(qiáng)大的水流吸附到泵站進(jìn)水口的攔污柵上。運(yùn)行時(shí)間越長，攔污柵上覆蓋的水草雜物屏障越厚，導(dǎo)致柵前柵后水位差增大，嚴(yán)重時(shí)局部柵孔無水流通過，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)持續(xù)上升，不僅大大減小了泵站的出水量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊憴C(jī)組的安全運(yùn)行[18]，泵站不得不經(jīng)常停機(jī)撈除水草雜物、搶修機(jī)組。4座泵站流量受河水中水草垃圾影響而減小首先在20世紀(jì)80年代中期抽排里下河澇水運(yùn)行中反映明顯。

選取《水文年鑒》中有一定年際間隔且主汛期排澇時(shí)間較長的1977，1980年和1983年實(shí)測資料，分別點(diǎn)繪江都第四站凈揚(yáng)程和效率關(guān)系曲線，如圖2所示?？梢?，排澇與引水期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)均為一個(gè)系列且點(diǎn)據(jù)一致性較好，1977年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.95，1980年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.94，1983年點(diǎn)據(jù)相關(guān)系數(shù)只有0.78，在1983年排澇期間的點(diǎn)據(jù)已經(jīng)較分散且部分偏小，表明點(diǎn)據(jù)相關(guān)性隨著時(shí)間的推移逐漸減小。1984，1985年排澇時(shí)間較短，7～8月排澇期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)較少。1986年引水、排澇期間實(shí)測點(diǎn)據(jù)明顯分為兩個(gè)系列，且排澇期間機(jī)組效率明顯偏小，流量也相應(yīng)程度偏小[19]。

從1987年開始，抽引江水與抽排澇水水位時(shí)，各站水位流量關(guān)系需要分別定線推流，即主汛期抽排澇水時(shí)間較長時(shí)，在總出口斷面重新率定水位流量關(guān)系曲線，用于推求受水草影響下4座泵站的總流量?？梢?，受河水中水草垃圾影響導(dǎo)致流量偏小是一個(gè)隨時(shí)間漸變增大的過程，突變時(shí)間與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程時(shí)間相一致。

3.2 流量受水草影響程度分析

3.2.1抽排里下河澇水

2016年6月21日至7月19日，江蘇省里下河“鍋底洼”最有代表性的興化市及其周邊發(fā)生強(qiáng)降雨，持續(xù)一兩日后，其水位從正常水位迅即進(jìn)入警戒水位，江都4座泵站33臺機(jī)組全力投入排澇運(yùn)行，期間水情變化過程見表2。

6月21日發(fā)生強(qiáng)降雨，6月22日33臺機(jī)組全部投入運(yùn)行，6月24～25日江都第四站實(shí)測流量表明：因開機(jī)時(shí)間較短，抽排澇水流量與同一工況下抽引江水時(shí)穩(wěn)定單一線所推算流量基本一致，無系統(tǒng)偏小[20]，說明受水草影響程度不明顯，如表3所示。

圖2 第四抽水站歷年引水、排澇時(shí)實(shí)測流量點(diǎn)據(jù)變化

表2 2016年6～7月興化發(fā)生強(qiáng)降水時(shí)水情變化過程

表3 抽排里下河澇水期間總出口和四站實(shí)測流量變化情況

6月25～30日興化及其周邊僅有局部零星小雨，經(jīng)過江都抽水站30多臺機(jī)組持續(xù)抽排，興化水位回落至較低水位。7月1日下午開始興化及周邊發(fā)生第二輪強(qiáng)降雨，河道水位漲勢迅猛，隨著河道中水位的抬高，抽排流量加大，江都東閘清污機(jī)整日處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。即使如此，7月4日總出口和第四站實(shí)測流量分別偏小11.7%和13.2%，說明受水草影響程度很大，且第四站流量減小的幅度大于4座泵站總流量減小的幅度。為此，7月4日開始以吊機(jī)、人工聯(lián)合清理各站口攔污柵上的水草雜物(平均1～2 d完成1座泵站)，隨著每天不間斷清理，實(shí)測結(jié)果顯示流量受水草影響程度呈逐漸減小態(tài)勢。

從表3抽排澇水實(shí)測資料與不受水草影響穩(wěn)定關(guān)系線推算比較可知：6月26日運(yùn)行至7月4日實(shí)測流量偏小11.7%，即在水草生長旺盛的7月，水草雜物在攔污柵上阻水導(dǎo)致總流量以每天約1.5%的速度減小。7月8日實(shí)測流量偏小9.3%，7月12日實(shí)測流量偏小7.2%，表明人為持續(xù)清理后，總流量以每天0.5%～0.6%的速度增大。在興化水位降落至正常水位且后續(xù)無降雨、抽排澇水漸止的情形下，7月14日停止了各站口攔污柵清理，7月18日實(shí)測資料顯示流量減小程度增大近10%，總流量平均每天偏小約為1.7%。

3.2.2抽引江水

2019年淮河流域發(fā)生特大干旱，第四站于5月6日首先開機(jī)，5月17日4座泵站全力投入抽引江水北送，江都東、西閘自4月開始即大流量自流引江水東送里下河地區(qū)。5月22日根據(jù)下游漲落潮水位過程在江都第四站實(shí)測流量7次，與穩(wěn)定關(guān)系線推算誤差為-3.9%～3.3%，測次平均誤差為-0.7%，表明第四站抽引江水運(yùn)行了16 d時(shí)流量受影響程度不明顯。6月27日在總出口斷面實(shí)測4座泵站總流量偏小4.8%，5月22日至6月27日間隔36 d，平均每天偏小約0.1%；第四站實(shí)測流量偏小2.5%，小于4座泵站總流量減小的幅度。

為了實(shí)測主汛期抽引江水時(shí)水草垃圾對泵站流量影響的變化過程，在6月27～28日對4座泵站攔污柵完成了清理后，于6月29日至7月26日對4座泵站總流量持續(xù)進(jìn)行實(shí)測并與穩(wěn)定關(guān)系線推流結(jié)果進(jìn)行比較(見表4)。運(yùn)行期間，在江都西閘外側(cè)持續(xù)進(jìn)行江水中的樹枝、廢棄漁網(wǎng)等大體積雜物垃圾的打撈。近年來，主汛期長時(shí)間抽引江水時(shí)，均在江都西閘外側(cè)根據(jù)實(shí)際情況不間斷進(jìn)行人為攔截打撈，避免大體積的雜物垃圾進(jìn)入泵站站口攔污柵。

表4 抽引江水期間實(shí)測流量與穩(wěn)定關(guān)系線推流結(jié)果比較

由表4可知，4座泵站主汛期運(yùn)行前20 d，實(shí)測流量基本與穩(wěn)定關(guān)系線計(jì)算流量一致，誤差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。運(yùn)行20 d后，流量偏小大于1%，且隨著流量的減小每日減小幅度增大，表明水草垃圾吸附在攔污柵上一旦形成阻水，累積效應(yīng)明顯增大。6月29日至7月26日間隔27 d，平均每天偏小約0.1%，與5月22日至6月27日運(yùn)行實(shí)測分析結(jié)果基本一致?？梢姡M管多日平均后流量偏小幅度較小，以運(yùn)行30 d左右統(tǒng)計(jì)，前20 d運(yùn)行時(shí)流量基本不受影響，主要集中于后期近10 d流量較大幅度的減??；運(yùn)行時(shí)間越長，阻水累積效應(yīng)越大，泵站流量減小幅度越大，但4座泵站流量減小的程度遠(yuǎn)小于抽排澇水時(shí)的影響。

4 結(jié) 語

江都抽水站是1949以來自行設(shè)計(jì)、制造、施工、安裝和管理的大型泵站，富有前瞻性、科學(xué)性的規(guī)劃設(shè)計(jì)為本世紀(jì)南水北調(diào)東線工程的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。在多年的建設(shè)管理中，通過對泵站加固改造，不斷克服社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給泵站運(yùn)行帶來的新難題，使得這座亞洲規(guī)模最大的泵站群，對保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。本文通過分析實(shí)測資料數(shù)據(jù)，真實(shí)反映了主汛期運(yùn)行中泵站流量受水草垃圾影響的演變過程，為泵站在新形勢下進(jìn)一步科學(xué)管理、安全運(yùn)行提供參考。

歷年實(shí)測資料分析表明：河道中水草垃圾對泵站流量影響是一個(gè)漸變過程，與河流所在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展程度相一致。自20世紀(jì)80年代中期開始，抽排里下河澇水受到影響，長時(shí)間運(yùn)行后流量明顯偏?。唤陙砗拥牢廴炯八葑躺鷮Υ笮捅谜玖髁坑绊懙某潭雀?，若河流入口清污機(jī)正常工作，4座泵站總流量平均每天至少減少1.5%；利用吊機(jī)、人工聯(lián)合持續(xù)清理各站口攔污柵后，4座泵站總流量平均每天增大0.5%。因江水中水草垃圾較少和江都水利樞紐布局特點(diǎn)，抽引江水時(shí)4座泵站流量多年基本不受影響，歷年水位流量關(guān)系曲線均為穩(wěn)定的單一線；近年來江水引河沿途兩岸土地開發(fā)，抽引江水運(yùn)行時(shí)間較長時(shí)泵站流量也已受到較大影響。為此，須加強(qiáng)河道治理和水環(huán)境管理，同時(shí)在大型泵站群的河流入口分別增設(shè)有效攔截打撈水草雜物垃圾的設(shè)備，以保證大型泵站群安全運(yùn)行，在防汛抗旱和水資源供給中充分發(fā)揮巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益