《Water》：Experimental Investigation of an Inclined Horizontal Submersible Pump with a Preemptive Operation Strategy for Mitigating Urban Pluvial Flooding: A Full-Scale Validation Approach
编辑推荐：
气候变化与城市化进程加剧了极端降雨事件，显著增大了城市内涝风险。传统泵需要较大的淹没深度以抑制吸气涡流，从而延迟了排水初期的响应。本研究评估了一种配备抗涡流吸入罩的倾斜式水平潜水泵（IHSP），该泵设计用于在超低水位（0.5D）下进行先发性排水。一座390吨的
气候变化与城市化进程加剧了极端降雨事件，显著增大了城市内涝风险。传统泵需要较大的淹没深度以抑制吸气涡流，从而延迟了排水初期的响应。本研究评估了一种配备抗涡流吸入罩的倾斜式水平潜水泵（IHSP），该泵设计用于在超低水位（0.5D）下进行先发性排水。一座390吨的全尺寸实验设施模拟了21.0 m3 min?1的极端入流条件。与传统在1.9D水位下启动的方案相比，先发性运行将到达临界淹没水位（1.80 m）的时间从6分52秒延长至13分17秒，在实验水箱中观测到宏观延迟时间为6分25秒。按水箱与场地面积比（4.67）进行几何缩放后，得到理想化理论参考值为1分22秒，该值作为概念性基线而非确定性的现场预测。在连续低负荷待机期间，电机电流偏差保持严格受限（最大2.07%），远低于本研究设定的±7.5%筛选标准，同时消除了因反复启停（颤振）引起的机电应力。此外，11年生命周期成本评估显示总支出减少33.2%，主要源于取消了深井开挖。上述研究结果表明，IHSP能够实现稳定低水位运行和先发性排水，从而增强城市洪涝响应能力。
倾斜式水平潜水泵先发性排水策略的全尺寸实验验证：面向城市内涝缓解的工程探索
一、研究背景与科学问题
全球气候变化与快速城市化进程的叠加效应，使得短历时、高强度降雨事件的发生频率与强度显著增加，城市内涝灾害已成为全球各大城市面临的严峻挑战。2024年9月21日韩国金海市遭遇了81.8 mm h?1的历史极端降雨，导致严重城市内涝，充分暴露了现有排水系统的脆弱性。在此背景下，如何提升城市排水系统的应急响应能力成为亟待解决的关键工程问题。
传统城市排水泵站在应对极端降雨时面临三重技术瓶颈。其一，根据ANSI/HI 9.8-2024等泵吸入设计指南，常规立式或卧式潜水泵需要足够的淹没深度（通常不低于1.9D，D为泵吸入口径）以抑制自由表面涡流和空气吸入，这导致泵在降雨初期水位较低时无法及时启动，雨水在集水井内持续累积，削弱了系统的有效调蓄能力。其二，在低水位或入流波动条件下，传统泵系统频繁启停产生"颤振"现象，反复的电机启动造成浪涌电流和绕组热循环，加速绝缘老化并缩短设备寿命。其三，现有抗涡流装置（AVD）如底板分流板或吸入伞罩，在超低水位（接近0.5D）条件下抑制吸气涡流的效果有限，且单纯降低启停阈值而不进行结构改造会加剧间歇性空气吸入问题。
针对上述挑战，韩国DongIN Water Solution公司开发了一种配备专用抗涡流吸入罩的倾斜式水平潜水泵（IHSP）。该泵通过将抗涡流功能直接集成于吸入结构，采用下倾式吸入入口和特殊设计的吸入罩，从结构层面抑制自由表面涡流形成，理论上可在0.5D的超低水位下稳定运行。然而，该系统的实际水力性能和机电运行特性尚缺乏全尺寸实验验证，其先发性排水策略对城市内涝缓解的实际效果也缺乏定量评估。
二、研究内容与核心结论
研究人员针对上述空白，利用一座390吨的全尺寸室内实验设施，系统评估了IHSP在极端入流条件下的排水性能、运行稳定性及经济可行性。实验模拟了金海市实际城市排水流域（1.60 ha）在81.8 mm h?1极端降雨下的峰值入流条件，设计入流强度为21.0 m3 min?1，较理论峰值入流高出约7%以提供保守的水力边界条件。实验水箱（Tank 1）有效表面积为40.34 m2，实际目标集水井面积为8.64 m2，面积比约为4.67。
实验结果表明，在传统1.9D启动阈值条件下，水位从0.92 m上升至1.80 m临界淹没水位需时6分52秒；而在0.5D先发性启动阈值下，泵在0.50 m水位即开始排水，到达1.80 m的时间延长至13分17秒，在实验水箱中观测到6分25秒的淹没延迟。按面积比几何缩放后得到约1分22秒的理想化理论参考值，该值作为概念性基线而非确定性现场预测。机电稳定性测试采用更大容量（0.5 m口径）的IHSP模型，在连续低负荷待机阶段，电机电流稳定在38.0 A左右，最大电流偏差仅为2.07%，远低于本研究设定的±7.5%筛选标准，证明该策略有效消除了颤振引起的机电应力。11年生命周期成本（LCC）评估显示，IHSP方案较传统泵站总成本降低33.2%，主要源于取消了深井开挖的土建工程费用。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：全尺寸实验设施验证方法，利用390吨室内实验系统模拟实际排水泵站运行条件；合理化公式（Rational Method）估算设计入流强度，采用径流系数C=0.90、降雨强度I=81.8 mm h?1、有效汇水面积A=1.60 ha计算峰值入流；基于质量守恒和水量平衡的先发性排水性能解析评估框架；电机三相电流时域监测与偏差分析方法评估待机运行稳定性；以及基于第三方认证成本报告的生命周期成本（LCC）评估模型，评估周期为11年，汇率采用1 USD = 1452 KRW（2025年2月）。
四、研究结果分述
4.1 先发性排水性能评估
通过人工逐帧视频分析方法监测水位变化，研究确定了三种运行场景下的关键时间节点：无排水基线条件下，水位在约3分钟内即达到1.80 m临界淹没水位；传统1.9D启动条件下需约7分钟；而0.5D先发性启动条件下延长至约13分17秒。两次独立实验的关键时间差异分别为1秒（传统场景）和7秒（先发性场景），表明结果具有良好的可重复性。研究人员同时指出，基于名义入流（21.0 m3 min?1）和名义泵排量（8.13 m3 min?1）的连续性检验无法完全复现实验观测时间，因此简化连续性框架仅作为一阶解析参考。此外，研究还探讨了多泵协同运行的可能性，指出双泵同时启动可有效降低净蓄水速率，进一步延长淹没延迟时间。
4.2 电气运行特性与颤振预防评估
采用0.5 m口径IHSP模型进行机电稳定性验证实验，将运行过程划分为主动排水（Phase I）、过渡（Phase II）和连续待机（Phase III）三个阶段。主动排水阶段最大电机电流达82.0 A和83.0 A（两次实验），低于93.0 A额定电流，表明重载运行稳定。过渡阶段持续约100至120秒，系统自动适应降低的水力负荷。连续待机阶段电机以900 RPM恒速空转，稳态电流稳定在37.8 A（标准差0.22 A）和38.7 A（标准差0.21 A），最大绝对偏差分别为2.07%和1.56%，远低于7.5%筛选标准。该结果证明连续低负荷待机策略有效避免了传统直接启动（DOL）方式下5至7倍额定电流的浪涌冲击，消除了颤振引起的累积热应力和电应力。
4.3 经济可行性与生命周期成本分析
基于认证成本估算报告，11年LCC对比分析显示：IHSP方案初始购置和安装成本为299,428美元，较传统方案的447,875美元降低33.1%；运维成本从1,367美元降至683美元，降幅达50.0%。虽然IHSP的定制吸入罩导致设备购置成本较高（75,624美元 vs. 31,439美元），但取消深井开挖带来的土建工程节省远超该增量投入。敏感性分析表明，即使IHSP安装成本意外增加30%，累计LCC仍可保持18.2%的经济优势。
五、讨论与结论
本研究的核心贡献在于通过全尺寸实验验证了IHSP在超低水位条件下稳定运行的技术可行性，并定量评估了先发性排水策略对城市内涝缓解的实际效果。研究结果证实，通过结构层面的抗涡流设计和连续低负荷待机策略，IHSP能够在不牺牲运行稳定性的前提下显著提前排水启动时间，为城市排水系统应对极端降雨提供了额外的响应缓冲时间。11年LCC分析进一步表明该方案具有明确的经济优势。
研究结论明确指出，与传统1.9D启动阈值相比，0.5D先发性运行将到达临界淹没水位的时间从6分52秒延长至13分17秒，实验水箱中观测到6分25秒的淹没延迟；连续低负荷待机模式下电机电流偏差控制在2.07%以内，有效避免了颤振引起的机电应力；11年LCC评估显示总支出减少33.2%，主要源于取消深井开挖。
然而，研究也存在明确的方法论边界：在0.5D超低水位下运行传统泵存在严重的空气吸入和机械颤振风险，因此无法设置直接物理对照组，观测到的延迟反映的是降低阈值与结构改造的耦合效应；几何缩放延迟值仅作为概念性参考而非确定性现场预测；受控室内清水实验无法完全复现实际集水井中的瞬态水文过程线、悬浮固体和复杂湍流特征。未来研究应纳入非稳态入流过程线和多站点连续现场监测，以建立精细化的场地特定运行标准。
