一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法

专利名称：一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210361282.2

专利申请（专利权）人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院
权利人地址：广东省广州市天河区天寿路80号

专利发明（设计）人：何用,王斌,王建平,黄春华,张金明,吕文斌,刘永安,陈汝荣,叶智豪,张艳艳,余陈颖妮,黄代忠,廖志颖,郑国贤,杨志国

专利摘要：本发明公开了一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，包括：在排涝通道中按照设定的间隔逐级布设一体化闸泵设备，通过开启泵站后降低泵前水位、增大泵后水位，从而增大相邻闸泵组之间的河涌水力坡降，达到逐级加快水流速度，提升河涌排涝能力的目的。本发明在主要排涝通道中布设一体化闸泵设备，大大提高相邻闸泵组之间的河道水力坡降，从而逐级加快水流速度，提升河道排涝能力。

主权利要求：
1.一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，包括：在排涝通道中按照设定的间隔逐级布设一体化闸泵设备，通过开启泵站后降低泵前水位、增大泵后水位，从而增大相邻闸泵组之间的河涌水力坡降，达到逐级加快水流速度，提升河涌排涝能力的目的；
所述一体化闸泵设备布设于排涝干流上；
具体包括如下步骤：
步骤一：现场勘查河道堤防情况、狭窄河道及入河雨水排口位置，探明干流河道沿程的限制性控制水位H，并得到河道平均宽度B，河道平均底坡j、河道糙率n、湿周R、运动黏度v、河道平均流速U、河道过流断面面积A；
步骤二：初定一体化闸泵设备位置，一体化闸泵设备的位置设置于狭窄河道出口处，确定泵站位置后可得到相邻泵站间的河长L1、L2、L3……；
步骤三：初定一体化闸泵设备的泵站流量，泵站设计流量初拟为：Q窄≤Q≤Q洪，其中，河道狭窄河段过流流量 式中：R为狭窄河道水力半径，单位m，A为狭窄河道过水断面面积，J为水力坡降，C为谢才系数，Q洪为区域设计洪峰流量；
步骤四：河涌过流能力复核，为复核河道的过水能力是否能够满足泵排排涝要求，采用河涌最大过流能力公式： 对步骤三中的设计流量Q进行复核，式中L为步骤二中得到的相邻泵站间的河道长度、B为河道平均宽度、H为河道水深，为步骤一中得到的限制性控制水位H减去河底高程、j为河道平均底坡、n为河道糙率、R为湿周、v为运动黏度、U为河道平均流速、A为河道过流断面面积，将步骤一和步骤二中得到的相关数据首先代入公式 中，得到河道最大平均流速U，然后再代入公式Qmax＝UA中，得到最大流量Qmax，并与步骤三中得到的设计流量Q进行比较，若Qmax≥Q，则表明河道过水能力能够满足泵站要求，反之若Qmax≤Q，则回到步骤二中重新调整各参数，再次重复步骤三和步骤四直至复核满足要求。
2.如权利要求1所述的高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，所述步骤二中，一体化闸泵设备的位置还设置于易涝区河道下游位置，以保障易涝区排涝。
3.如权利要求1所述的高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，所述步骤三中，闸泵设备的设计流量的确定原则为：下游闸泵设备设计流量大于上游，且设计流量大于河道天然过流能力，且满足调度简单过流时间长的需求。
4.如权利要求1所述的高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，所述步骤四中调整参数的方式包括如下一种或多种，具体为：①调整一体化闸泵设备位置，降低相邻泵站间的河长L1、L2、L3……，继而增大Qmax；
②减小泵站流量Q，但流量不应小于狭窄河段过流流量Q窄；
③拓宽河道卡口、狭窄河段，拓宽后的河道宽度不大于狭窄河道下游河宽；
④将高程低的雨水排口改造为防倒灌排口，从而增大限制性控制水位H。
5.如权利要求1所述的高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，区域设计洪峰流量Q洪的具体设计方法如下：采用《室外排水设计规范2016版》中3.2.1式，按设计暴雨过程计算各分区设计洪水过程，Qs＝16.67qψF
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式中：QS—为设计洪峰流量m/s；
q—设计暴雨强度mm/min；
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F—集雨面积km；
ψ—暴雨径流系数。 说明书 : 一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法技术领域[0001] 本发明涉及城市治涝技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法。背景技术[0002] 随着我国工业的发展与城市化进程的推进，城建区不断侵占天然河道、减少河道宽度和过流能力，在我国华南地区现象尤其严重。华南沿海平原地区受潮汐影响，在高潮位顶托时需关闸挡潮，并在低潮时开闸泄水，但由于平原河道地势低洼，水力坡降不足使得河道过流能力严重不足，如中山市前山流域平均水力坡降只有0.1‰～0.5‰。[0003] 河道明渠流量公式为：[0004][0005] 式中：R为水力半径(m)，A为过水断面面积，J为水力坡降，C为谢才系数。为提高沿海平原的排涝能力，目前常用的方式主要有河道拓宽疏浚(增大过水断面A)和河口建设排涝泵站(增大水力坡降J)。河道拓宽是通过扩大行洪断面的方式提高河道过流能力，该方式是城市洪涝问题最根本的解决方法，但由于河道两岸均为人口密集的建成区，河道扩宽需要大量征用土地和房屋拆迁，拆迁成本极高推进难度较大。[0006] 河口排涝泵站通过在河涌河口处建设排涝闸泵，通过泵站强排减少内涝灾害风险，但在泵站实际运行过程中，常常受到河道长度太长、沿程卡口多阻力大、河道过流能力受限等因素影响，排涝泵站运行效果不佳，尤其是在距离河口泵站较远的低洼地区，启泵后仍然会受涝水灾害影响。发明内容[0007] 本发明的一个目的是提供一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，通过在主要排涝通道中布设一体化闸泵设备，大大提高相邻闸泵组之间的河道水力坡降，从而逐级加快水流速度，提升河道排涝能力。[0008] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，其特征在于，包括：在排涝通道中按照设定的间隔逐级布设一体化闸泵设备，通过开启泵站后降低泵前水位、增大泵后水位，从而增大相邻闸泵组之间的河涌水力坡降，达到逐级加快水流速度，提升河涌排涝能力的目的。[0009] 优选的是，所述一体化闸泵设备布设于排涝干流上。[0010] 优选的是，具体包括如下步骤：[0011] 步骤一：现场勘查河道堤防情况、狭窄河道及入河雨水排口位置，探明干流河道沿程的限制性控制水位H，并得到河道平均宽度B，河道平均底坡j、河道糙率n、湿周R、运动黏度v、河道平均流速U、河道过流断面面积A；[0012] 步骤二：初定一体化闸泵设备位置，一体化闸泵设备的位置设置于狭窄河道出口处，确定泵站位置后可得到相邻泵站间的河长L1、L2、L3……；[0013] 步骤三：初定一体化闸泵设备的泵站流量，泵站设计流量初拟为：Q窄≤Q≤Q洪，其中，河道狭窄河段过流流量 式中：R为狭窄河道水力半径，单位m，A为狭窄河道过水断面面积，J为水力坡降，C为谢才系数，Q洪为区域设计洪峰流量；[0014] 步骤四：河涌过流能力复核，为复核河道的过水能力是否能够满足泵排排涝要求，采用河涌最大过流能力公式：Qmax＝UA和 对步骤三中的设计流量Q进行复核，式中L为步骤二中得到的相邻泵站间的河道长度、B为河道平均宽度、H为河道水深，为步骤一中得到的限制性控制水位H减去河底高程、j为河道平均底坡、n为河道糙率、R为湿周、v为运动黏度、U为河道平均流速、A为河道过流断面面积，将步骤一和步骤二中得到的相关数据首先代入公式 中，得到河道最大平均流速U，然后再代入公式Qmax＝UA中，得到最大流量Qmax，并与步骤三中得到的设计流量Q进行比较，若Qmax≥Q，则表明河道过水能力能够满足泵站要求，反之若Qmax≤Q，则回到步骤二中重新调整各参数，再次重复步骤三和步骤四直至复核满足要求。[0015] 优选的是，所述步骤二中，一体化闸泵设备的位置还设置于易涝区河道下游位置，以保障易涝区排涝。[0016] 优选的是，所述步骤三中，闸泵设备的设计流量的确定原则为：下游闸泵设备设计流量大于上游，且设计流量大于河道天然过流能力，且满足调度简单过流时间长的需求。[0017] 优选的是，所述步骤四中调整参数的方式包括如下一种或多种，具体为：[0018] ①调整一体化闸泵设备位置，降低相邻泵站间的河长L1、L2、L3……，继而增大Qmax；[0019] ②减小泵站流量Q，但流量不应小于狭窄河段过流流量Q窄；[0020] ③拓宽河道卡口、狭窄河段，拓宽后的河道宽度不大于狭窄河道下游河宽；[0021] ④将高程低的雨水排口改造为防倒灌排口，从而增大限制性控制水位H。[0022] 优选的是，区域设计洪峰流量Q洪的具体设计方法如下：采用《室外排水设计规范(2016版)》中3.2.1式，按设计暴雨过程计算各分区设计洪水过程，[0023] Qs＝16.67qψF[0024] 式中：QS—为设计洪峰流量(m3/s)；[0025] q—设计暴雨强度(mm/min)；[0026] F—集雨面积(km2)；[0027] ψ—暴雨径流系数。[0028] 本发明至少包括以下有益效果：[0029] 1、本发明沿主干排水河涌，自上游至下游逐级建设一体化闸泵设备，通过将电能转换为势能，大大提高相邻闸泵组之间的河道水力坡降，从而逐级加快水流速度，提升河道排涝能力。[0030] 2、本发明的闸泵组采用闸门泵一体化形式，将水泵置于闸门面板上，占用土地面积小，施工成本低，且无需征用大量土地用于拓宽河道。[0031] 3、本发明建设逐级闸泵组以后，将抬高泵组下游水位、加快河道水流流速，故需对河道堤防进行达标加固，并对狭窄河床进行防冲加固。对于排水距离远、水力坡降不足的低洼平原具有显著的排涝效果。[0032] 4、本发明通过一体化闸泵设备的泵站流量设计方法及后续的河涌过流能力复核得到本申请的一体化闸泵设备的位置设计及流量设计，从而获取满足要求的排涝能力提升方法。[0033] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明[0034] 图1为本发明河涌过流能力部分参数示意图；[0035] 图2为本发明排涝干流上一体化闸泵设备分布示意图；[0036] 图3为本发明一体化闸泵设备的泵排与河道自排流量过程示意图。[0037] 附图标记说明：[0038] 1、一体化闸泵设备，2、排涝干流。具体实施方式[0039] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。[0040] 需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0041] 实施例[0042] 本发明的一种高度城市化内河涌排涝能力提升设计方法，包括：在主要排涝通道中按照设定的间隔，自上游至下游逐级布设一体化闸泵设备1，通过开启泵站后降低泵前水位、增大泵后水位，通过将电能转换为势能，从而增大相邻闸泵组之间的河涌水力坡降，达到逐级加快水流速度，提升河涌排涝能力的目的。如图3显示了本发明一体化闸泵设备的泵排与河道自排流量过程示意图，从图中可以看出本发明的泵排流量要远大于河道自排的流量。[0043] 本发明中各一体化闸泵设备1即泵站规模需经以下步骤进行设计：[0044] 本发明的一体化闸泵设备1宜布置在排涝干流2上，排涝干流2是指各个支流水流均排入干流，涝水全部通过干流排出。针对干流河道地势低平、排水过缓的问题采用以下步骤进行设计：[0045] (1)甄别河道过流卡口、堤防不达标段[0046] 现场勘查河道堤防情况、狭窄河道及入河雨水排口位置，探明干流河道沿程的限制性控制水位H(超过该水位就可能存在雨水管倒灌的情况)，如图1所示，并得到河道平均宽度B，河道平均底坡j、河道糙率n、湿周R、运动黏度v、河道平均流速U、河道过流断面面积A。[0047] (2)初定一体化闸泵设备1的位置[0048] 城市中高度建成区河道狭窄，河道两岸往往建筑物密集，部分地区还有文物保护单位，拆迁和补偿难度巨大。为此一体化泵站的闸泵设备1应优先置于狭窄河道出口处，或易涝区河道下游位置，以保障易涝区排涝。如图2所示，确定泵站位置后可得到相邻泵站间的河长L1、L2、L3……。如图1所示。[0049] (3)初定泵站流量[0050] 一体化闸泵设备的设计流量的确定原则为：下游闸泵设备设计流量应大于上游，设计流量应大于河道天然过流能力，且满足调度简单过流时间长的需求。[0051] 泵站设计流量可初拟为：Q窄≤Q≤Q洪。[0052] 其中，河道狭窄河段过流流量 式中：R为狭窄河道水力半径，单位m，A为狭窄河道过水断面面积，J为水力坡降，C为谢才系数；Q洪为区域设计洪峰流量，区域设计洪峰流量Q洪的具体设计方法如下：采用《室外排水设计规范(2016版)》中3.2.1式，按设计暴雨过程计算各分区设计洪水过程，[0053] Qs＝16.67qψF[0054] 式中：QS—为设计洪峰流量(m3/s)；[0055] q—设计暴雨强度(mm/min)；[0056] F—集雨面积(km2)；[0057] ψ—暴雨径流系数。[0058] (4)河涌过流能力复核[0059] 为复核河道的过水能力是否能够满足泵排排涝要求，采用河涌最大过流能力公式：Qmax＝UA和 对步骤三中的设计流量Q进行复核；[0060] 式中L为步骤二中得到的相邻泵站间的河道长度、B为河道平均宽度、H为河道水深，为步骤一中得到的限制性控制水位H减去河底高程H1(如图1中所示)、j为河道平均底坡、n为河道糙率、R为湿周、v为运动黏度、U为河道平均流速、A为河道过流断面面积；[0061] 将步骤一和步骤二中得到的相关数据首先代入公式中，得到河道最大平均流速U，然后再代入公式Qmax＝UA中，得到最大流量Qmax，并与步骤三中得到的设计流量Q进行比较，若Qmax≥Q，则表明河道过水能力能够满足泵站要求，反之若Qmax≤Q，则回到步骤二中重新调整各参数，再次重复步骤三和步骤四直至复核满足要求。[0062] 调整方式包括：[0063] ①调整一体化闸泵设备位置，降低相邻泵站间的河长L1、L2、L3……，继而增大Qmax；[0064] ②减小泵站流量Q，但流量不应小于狭窄河段过流流量Q窄；[0065] ③拓宽河道卡口、狭窄河段，拓宽后的河道宽度不大于狭窄河道下游河宽；[0066] ④将高程较低的雨水排口改造为防倒灌排口，从而增大限制性控制水位H。[0067] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

专利地区：广东

专利申请日期：2022-04-07

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114638043B