高 婷 張 發(fā)

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

近年來，內(nèi)澇頻發(fā)已經(jīng)成為困擾我國城市發(fā)展和安全的普遍問題．住建部2010年對(duì)全國351個(gè)城市進(jìn)行的專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，2008～2010年，超過60%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，其中有137個(gè)城市發(fā)生內(nèi)澇的次數(shù)超過3次．導(dǎo)致城市內(nèi)澇的因素有很多，包括氣候變化引起的強(qiáng)降雨、城市化導(dǎo)致的下墊面變化、河道湖泊等調(diào)蓄容積減少、排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理等[1-3]，其中城市內(nèi)河與排水管網(wǎng)運(yùn)行之間缺乏相容性也是造成城市內(nèi)澇的一個(gè)重要原因．在城市內(nèi)澇模擬中，通常將排水口的河道水位作為管網(wǎng)出口的邊界條件[4-6]，僅考慮了河道對(duì)城市管網(wǎng)的影響，忽略了排水管網(wǎng)對(duì)河道水位的影響．

為了系統(tǒng)全面地分析排水系統(tǒng)的能力，需要將河道納入排水系統(tǒng)的模擬中．本文以中新生態(tài)城起步區(qū)為例，采用Infoworks ICM軟件建立排水系統(tǒng)模型，在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，評(píng)估系統(tǒng)的排水能力．

1 研究區(qū)域概況

中新生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)北部，地勢(shì)總體較為平坦，地面高程主要為2～6 m，呈現(xiàn)出南高北低的特點(diǎn)，場(chǎng)地坡度主要為1度左右．生態(tài)城多年平均降水量為545 mm，年平均降水日數(shù)為64～73 d．生態(tài)城的汛期為6月中旬至9月中旬．汛期的平均雨日在42 d左右，夏季降水量為441～568 mm，占全年降水量的80%～84%，主要集中在7、8月份．

研究區(qū)域位于生態(tài)城起步區(qū)，高程大多在4 m以上．起步區(qū)北部為薊運(yùn)河故道和惠風(fēng)溪．薊運(yùn)河故道上游有一土壩，無來水；為提高超標(biāo)洪(潮)水頂托、且遭遇暴雨時(shí)生態(tài)城的安全保障能力，下游設(shè)有防洪閘和排澇泵站．惠豐溪上游設(shè)有防洪閘，下游連接薊運(yùn)河故道．起步區(qū)的雨水經(jīng)管道收集后分別由雨水泵站A、B排入薊運(yùn)河故道和惠風(fēng)溪，最后由排澇泵站排入薊運(yùn)河．研究區(qū)域概況如圖1所示．

圖1 研究區(qū)域概況圖

2 模型構(gòu)建

2.1 排水系統(tǒng)輸入

采用Infoworks ICM軟件進(jìn)行排水系統(tǒng)的模擬．將城市排水管網(wǎng)進(jìn)行概化，得到319個(gè)節(jié)點(diǎn)、329段管網(wǎng)、2段河道和3座泵站，雨水管均為圓形，管徑400～2 800 mm；將節(jié)點(diǎn)、管道、泵站和河道的屬性信息(節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、高程，管長、上下游端管內(nèi)底高程、管道粗糙系數(shù)、管徑，泵站設(shè)計(jì)流量、開閉水位，河道斷面等)導(dǎo)入到InfoWorks ICM軟件中．

采用泰森多邊形法進(jìn)行子匯水區(qū)劃分并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整．排水系統(tǒng)模擬示意圖如圖2所示．

圖2 排水系統(tǒng)概化示意圖

2.2 徑流模擬

研究區(qū)域徑流的模擬主要包括產(chǎn)流和匯流兩部分，產(chǎn)流采用扣損法，匯流通過非線性水庫模型進(jìn)行模擬．在計(jì)算產(chǎn)流量時(shí)，將研究區(qū)域地面分為透水和不透水兩部分，其中不透水部分占總面積的75%．不透水部分扣除初期損失值后默認(rèn)全部產(chǎn)流，透水部分采用Horton模型計(jì)算，主要參數(shù)包括初損值、初滲率、穩(wěn)滲率和衰減率．匯流計(jì)算的參數(shù)包括不透水區(qū)、透水區(qū)、管道和河道曼寧系數(shù)．通過文獻(xiàn)調(diào)研和模型手冊(cè)[7-11]，確定上述參數(shù)，參數(shù)值見表1．

表1 徑流模擬參數(shù)值

2.3 降雨設(shè)置

對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的暴雨，不同歷時(shí)的雨型在集水區(qū)內(nèi)某個(gè)點(diǎn)導(dǎo)致的洪峰流量不同，在集水區(qū)上游由短歷時(shí)高強(qiáng)度的暴雨產(chǎn)生最大洪峰流量，而在集水區(qū)的下游，也就是接近管網(wǎng)末端，由較長歷時(shí)的暴雨產(chǎn)生最大洪峰流量．因此，進(jìn)行排水管網(wǎng)排水模擬分析時(shí)往往要模擬多種歷時(shí)暴雨．

中新生態(tài)城起步區(qū)排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年一遇，排水防澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇．考慮不同歷時(shí)，確定模型的降雨為3年1 h、3年2 h、3年3 h和20年24 h，采用天津市濱海新區(qū)暴雨強(qiáng)度公式和雨型，降雨時(shí)間序列如圖3所示．

2.4 參數(shù)率定

由于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究以徑流系數(shù)作為率定參數(shù)．根據(jù)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范以及起步區(qū)土地利用類型，計(jì)算得到起步區(qū)綜合徑流系數(shù)0.58．通過參數(shù)率定，保證模型的徑流系數(shù)與計(jì)算值相同，參數(shù)率定過程見表2．

圖3 天津市濱海新區(qū)雨型圖

率定次數(shù)表面類型匯流參數(shù)初期損失值/mHorton初滲率/(mm·h-1)Horton穩(wěn)滲率/(mm·h-1)Horton衰減率/(1·h-1)徑流系數(shù)初始不透水0．0140．002---透水0．030．007751．330．691不透水0．0140．005---透水0．10．00875330．652不透水0．0140．005---透水0．20．01280820．58

3 模擬結(jié)果與分析

為評(píng)估排水系統(tǒng)的能力，重現(xiàn)期P=3時(shí)模擬6 h(8：00-14：00)，重現(xiàn)期P=20時(shí)模擬36 h(8：00至次日20：00)．主要從管道過流能力、河道水位和內(nèi)澇3方面評(píng)估排水系統(tǒng)的能力．

3.1 管道過流能力

將管道模擬所得流量與管道設(shè)計(jì)流量對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)過流管道占總管道數(shù)的比例，見表3．

表3 過流管段占總管段比例

可以看到，隨著降雨歷時(shí)的增加，管道發(fā)生過流的比例有所下降；其中，降雨歷時(shí)從2 h到3 h，過流比例下降較明顯，達(dá)到8%．進(jìn)一步分析管道的排水能力，將管道過流的時(shí)間分段統(tǒng)計(jì)，得到圖4．從圖中可以看出，不同降雨歷時(shí)，管段過流時(shí)間有所不同，降雨歷時(shí)1 h，過流時(shí)間在30～60 min的管道所占比例最大；歷時(shí)2 h，過流時(shí)間在0～30 min的管道所占比例最大，60～120 min段次之；歷時(shí)3 h，各過流時(shí)間段的管道所占比例相差不大．

圖4 過流管段不同過流時(shí)間分類統(tǒng)計(jì)圖

3.2 薊運(yùn)河故道水位

薊運(yùn)河故道作為排水系統(tǒng)的同時(shí)，也是生態(tài)城的重要景觀水系，河岸修建有親水平臺(tái)，為保證親水平臺(tái)的安全性，薊運(yùn)河故道水位不得超過親水平臺(tái)高程(0.9 m)．圖5為不同重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)下模擬得到的薊運(yùn)河故道水位變化曲線．當(dāng)重現(xiàn)期P=3、降雨歷時(shí)逐漸增加時(shí)，薊運(yùn)河故道峰值水位增大，且峰值水位出現(xiàn)時(shí)間延后．當(dāng)重現(xiàn)期P=20時(shí)，薊運(yùn)河故道水位在12：45超過0.9 m，在14：15達(dá)到最高水位0.94 m，之后開始下降，16：20時(shí)低于親水平臺(tái)高程，親水平臺(tái)淹沒時(shí)間超過3.5 h．

圖5 薊運(yùn)河故道水位變化曲線

3.3 內(nèi)澇

當(dāng)降雨超過排水系統(tǒng)的能力時(shí)，地面開始積水．室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定車行道積水不得超過0.15 m，對(duì)積水時(shí)間沒有規(guī)定，本研究以積水超過0.15 m、積水時(shí)間超過30 min作為內(nèi)澇防治的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．在10：30左右，地面開始積水，隨著時(shí)間的推移，積水范圍和深度增加，在12：00左右達(dá)到最大值，此后積水逐漸消退，在20：00左右不再變化．在整個(gè)模擬過程中，發(fā)生過積水的面積為77.81 hm2，最大積水深度為1.45 m，其中64%地面的最大積水深度在0.15～0.3 m之間，且隨著最大積水深度增加，積水面積依次減少，如圖6所示；積水時(shí)間最長為36 h，即到模擬結(jié)束，地面一直保持積水狀態(tài)，53%的地面積水時(shí)間在2～6 h之間，如圖7所示．

圖6 不同積水深度面積統(tǒng)計(jì)

圖7 不同積水時(shí)間面積統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與建議

本文以中新生態(tài)城起步區(qū)為例，基于Infoworks ICM模型，建立包含河道的排水系統(tǒng)模型，評(píng)估系統(tǒng)在不同降雨下的排水能力，得出以下結(jié)論：1)3年一遇降雨時(shí)，過流管道得比例達(dá)到70%～80%，管網(wǎng)排水的能力不足；2)20年一遇降雨時(shí)，薊運(yùn)河故道的水位超過親水平臺(tái)高程，影響其安全；3)超過內(nèi)澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的面積為77.81 hm2，最大積水深度1.45 m，最長淹沒時(shí)間36 h；其中64%的積水地面最大積水深度在0.15～0.3 m，53%的積水地面積水時(shí)間在2～6 h之間．

為提高系統(tǒng)的排水能力，提出以下建議：1)提高管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，增大管徑；2)增加透水面積，加大下滲，減小徑流量，如透水鋪裝、植草溝、雨水花園等；3)增設(shè)調(diào)蓄設(shè)施，保證管網(wǎng)排水能力的同時(shí)，對(duì)薊運(yùn)河水位進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)節(jié)；4)對(duì)長時(shí)間積水的區(qū)域進(jìn)行地形處理或增設(shè)雨水泵站、管道等措施，快速排除積水，保障城市安全．

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