馬 勇，顧正華，王庭輝 ，黃 培，盛嬌櫻

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.南通和信工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南通 226006)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市地區(qū)水文過(guò)程發(fā)生了巨大的變化。人類活動(dòng)使越來(lái)越多的自然陸域被不透水地面覆蓋，天然水面銳減，徑流系數(shù)增大，城市防洪排澇面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅[1-3]。城市防洪排澇壓力一般來(lái)源于上游客水的洪水壓力和城區(qū)降雨形成的排澇壓力，對(duì)受山洪影響的山丘城區(qū)而言，山洪影響往往是這些城區(qū)的主要防洪壓力。山丘城區(qū)暴雨強(qiáng)度大、匯流時(shí)間短，極易形成山洪災(zāi)害。因此合理分析山丘城區(qū)防洪排澇能力，研究其提升措施十分必要。

截洪溝是城市建設(shè)中常用的山洪防治設(shè)施之一[4]，現(xiàn)有截洪溝規(guī)模設(shè)計(jì)主要以公式法為主[5-6]。公式法首先求取截洪溝控制區(qū)域的最大洪峰流量，然后設(shè)計(jì)截洪溝斷面使其過(guò)流能力大于或等于該洪峰流量。但公式法忽略了截洪溝上下游控制面積的不同，且無(wú)法對(duì)沿程變斷面或多出水口的截洪溝進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)有公式法如GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)采用降雨強(qiáng)度、匯水面積以及徑流系數(shù)的乘積來(lái)計(jì)算截洪溝控制區(qū)域最大洪峰流量，但由于前期降水量對(duì)區(qū)域產(chǎn)流影響巨大[7-9]，徑流系數(shù)也不相同，單純根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取某單一徑流系數(shù)來(lái)計(jì)算徑流量是不準(zhǔn)確的。此外公式法還忽略了計(jì)算時(shí)段內(nèi)截洪溝流量過(guò)程的分配，且多出水口截洪溝的計(jì)算涉及非恒定流的計(jì)算，這時(shí)公式法已不適用。

對(duì)于山丘城區(qū)的防洪排澇模擬，建立防洪排澇模型的上邊界條件需要提供山洪的流量過(guò)程，現(xiàn)有模擬方法往往以初損后損法計(jì)算產(chǎn)流、單位線法計(jì)算匯流來(lái)提供上游的邊界條件，該方法忽略了截洪溝對(duì)山區(qū)匯水的影響。此外，城市是受人類活動(dòng)高度影響的地區(qū)[10]，對(duì)于上游產(chǎn)匯流條件發(fā)生較大變化的地區(qū)，其下游的防洪排澇措施應(yīng)根據(jù)上游改變后的產(chǎn)匯流條件重新計(jì)算校核。本文以江陰市敔山灣地區(qū)為例，基于SWMM(storm water management model)建立了考慮截洪溝影響的山丘城區(qū)水文水動(dòng)力模型，在校核了現(xiàn)有截洪溝規(guī)模和區(qū)域防洪排澇能力的基礎(chǔ)上，提出了截洪溝整治方案和核心區(qū)排澇改進(jìn)方案。

1 研究區(qū)域概況

敔山灣地處江陰市中心城區(qū)與東部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)——江陰國(guó)家高新區(qū)、云亭街道、周莊鎮(zhèn)之間的銜接點(diǎn)上，東起定山，西至白屈港，北至芙蓉大道，南至名豪山莊，核心區(qū)總面積5.17 km2，設(shè)金云、迎瑞兩個(gè)社區(qū)，由敔山(耙齒山)、定山、羊頭山三山合圍而成。敔山灣地區(qū)位于濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，主汛期為每年5—9月，汛期平均降水量為546.7 mm，最大梅雨量為902 mm(1991年)。

敔山湖位于敔山灣核心區(qū)域的中心，湖泊通過(guò)金井河、北橫河與白屈港河連接。與金井河連接處建有混凝土溢流壩，與北橫河連接處建有橡膠壩；金井河與白屈港河連接處為帶有泵站的金井河節(jié)制閘，閘孔凈寬10 m，抽水泵站排澇設(shè)計(jì)流量為1 m3/s；北橫河與白屈港河連接處為北橫河閘站，閘孔凈寬8 m，抽水泵站排澇設(shè)計(jì)流量為9 m3/s。由于區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)山大道改道影響，擬將金井河混凝土溢流壩拆除，代以控制閘，并規(guī)劃建設(shè)金井河與北橫河連接的南北向河道，河寬12 m。

敔山灣核心區(qū)外為山丘地形，其產(chǎn)生的山洪通過(guò)核心區(qū)與山區(qū)之間的截洪溝排入雨水系統(tǒng)，再通過(guò)雨水系統(tǒng)進(jìn)入敔山湖。核心區(qū)雨水通過(guò)雨水管網(wǎng)排入敔山湖、北橫河或金井河。根據(jù)2020年江陰敔山灣開(kāi)發(fā)發(fā)展有限公司防汛應(yīng)急預(yù)案，敔山灣核心區(qū)警戒水位為4.7 m，在應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下，閘站管理部門(mén)可以降低北橫河橡膠壩高度，將敔山湖水位預(yù)降至4.2 m。當(dāng)白屈港水位處于4.3 m以上時(shí)，將北橫河橡膠壩高度降到最低(敔山湖水位與北橫河水位持平)，直接用北橫河閘門(mén)控制水位。當(dāng)內(nèi)河水位高于外河水位5 cm時(shí)，自然泄洪；當(dāng)內(nèi)河水位高于外河水位不足5 cm時(shí)，流量較小，為防止后續(xù)外河水位上漲引起倒灌，閘站管理部門(mén)關(guān)閉金井河閘門(mén)、北橫河閘門(mén)，開(kāi)啟排澇水泵強(qiáng)排。由于金井河混凝土溢流壩的拆除，需要對(duì)原防汛應(yīng)急方案進(jìn)行補(bǔ)充：在應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下，金井河與敔山湖相連處的閘門(mén)處于完全打開(kāi)狀態(tài)。

敔山灣汛情主要表現(xiàn)為來(lái)水快、漲勢(shì)猛、退水慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、排洪困難、容易出現(xiàn)內(nèi)澇，分析其原因主要有：(a)白屈港(敔山灣唯一泄洪通道)為太湖泄洪通道之一，汛期高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，容易造成行洪不暢；(b)規(guī)模建設(shè)用地增加了土地利用面積，但相應(yīng)減少了調(diào)蓄面積，調(diào)蓄能力降低；(c)山地面積多，短時(shí)間的強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨，很容易造成敔山湖水位迅速上漲，形成大范圍區(qū)域內(nèi)澇；(d)轄區(qū)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低；(e)原設(shè)計(jì)水系未建設(shè)到位。這些因素決定了敔山灣防洪排澇工作的重要性、長(zhǎng)期性和復(fù)雜性[11]。

2 模型的建立

2.1 原理

采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(Environmental Protection Agency，EPA)開(kāi)發(fā)的暴雨洪水管理模型SWMM來(lái)建立研究區(qū)水文水動(dòng)力模型。SWMM是一款動(dòng)態(tài)的降水-徑流模擬模型[12]，被廣泛應(yīng)用于城市排澇能力研究[13-15]。趙冬泉等[16]選取澳門(mén)雅廉坊小區(qū)作為研究區(qū)域，應(yīng)用SWMM進(jìn)行了流量預(yù)測(cè)；宋耘等[17]基于SWMM模型進(jìn)行了南京典型易澇區(qū)的暴雨內(nèi)澇模擬；Park等[18]對(duì)韓國(guó)蔚山廣域市構(gòu)建了SWMM模型進(jìn)行調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)。此外SWMM還被用于氣候變化[19]、土地利用變化[20]對(duì)徑流產(chǎn)生的影響以及城市區(qū)域的洪水流量預(yù)測(cè)。

SWMM首先將研究區(qū)劃分為多個(gè)子匯水區(qū)，在每個(gè)匯水區(qū)內(nèi)分別進(jìn)行地表產(chǎn)流和匯流計(jì)算，其中子匯水區(qū)又可分為透水地面和不透水地面。地表徑流經(jīng)坡面匯流匯集到管道的節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)入管道，再通過(guò)管道進(jìn)行河道匯流到排水區(qū)出口，SWMM的徑流計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)概化如圖1所示。SWMM采用超滲產(chǎn)流進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，產(chǎn)流計(jì)算方法包括Horton下滲模式、Green-Ampt下滲曲線法以及SCS徑流曲線法，其中Horton下滲模式被廣泛應(yīng)用；采用非線性水庫(kù)法計(jì)算坡面匯流；利用質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程計(jì)算管道中的恒定流和非恒定流，計(jì)算方法分為恒定流法、運(yùn)動(dòng)波法以及動(dòng)力波法，其中動(dòng)力波法通過(guò)有限差分法求解完整的一維非恒定流Saint-Venant方程組來(lái)進(jìn)行河道演算，理論上結(jié)果是最準(zhǔn)確的。本次模擬選擇Horton下滲模式和動(dòng)力波法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 SWMM徑流計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)概化Fig.1 Structure generalization diagram of runoff calculation module of SWMM

2.2 網(wǎng)格與計(jì)算條件

選擇敔山灣核心區(qū)及上游山體區(qū)域?yàn)橛?jì)算范圍，建立上游山區(qū)的水文水動(dòng)力模型以及總研究區(qū)域的水文水動(dòng)力模型(圖2)?？紤]到雨水管道改變了城區(qū)匯流方式，無(wú)法根據(jù)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域匯水拓?fù)潢P(guān)系的劃分，故在按照一定拓?fù)潢P(guān)系的前提下使用泰森多邊形法劃分子匯水區(qū)域。此外，根據(jù)雨水管網(wǎng)與檢查井?dāng)?shù)據(jù)建立管道流向拓?fù)潢P(guān)系。在對(duì)敔山湖外圈截洪溝進(jìn)行校核時(shí)將其離散化為每10 m一段的計(jì)算單元，通過(guò)A～R共18個(gè)出水口進(jìn)入核心區(qū)雨水管道體系，最后對(duì)建立的水文水動(dòng)力模型進(jìn)行修正，刪除未匯入敔山湖的區(qū)域。共建立子匯水區(qū)域1 725個(gè)，管道(河道)1 759段，檢查節(jié)點(diǎn)1 752個(gè)，模擬區(qū)域地形概化見(jiàn)圖2。

圖2 地形概化Fig.2 Terrain generalization

截洪溝無(wú)蓄水功能，故校核規(guī)模計(jì)算不考慮下游回水頂托的影響，上游山區(qū)水文水動(dòng)力模型的下游邊界條件即將截洪溝出水口出流條件設(shè)為自由出流；根據(jù)文獻(xiàn)[21]所選代表雨型與江陰市1970—2020年的實(shí)測(cè)最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量資料，采取同頻率放大法得到江陰市20年一遇的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程作為降雨條件。

研究區(qū)域水文水動(dòng)力模型計(jì)算下游邊界條件為外河百年一遇設(shè)計(jì)洪水位5.17 m，初始條件為內(nèi)河水位3.8 m、敔山湖水位4.2 m，江陰市20年一遇的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程為降雨條件?？紤]到敔山湖蓄水需求，排澇過(guò)程中將北橫河泵站和金井河泵站設(shè)置成敔山湖水位高于控制水位時(shí)運(yùn)行，低于控制水位時(shí)關(guān)閉。計(jì)算過(guò)程中橡膠壩高度全程降到最低，金井河和北橫河閘門(mén)全程關(guān)閉，金井河和敔山湖連通處閘門(mén)全程開(kāi)啟。

2.3 模型校準(zhǔn)

SWMM子匯水區(qū)域參數(shù)主要包括子匯水區(qū)面積、匯流寬度、不透水率、坡度、透水區(qū)地表洼蓄量、不透水區(qū)地表洼蓄量、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)等。這些參數(shù)分為校準(zhǔn)參數(shù)和非校準(zhǔn)參數(shù)，匯水區(qū)面積、匯流寬度、坡度均通過(guò)ArcGIS軟件根據(jù)地形分析直接得出，不透水率根據(jù)土地利用類型查閱SWMM手冊(cè)提供的推薦值得到，透水區(qū)地表洼蓄量、不透水區(qū)地表洼蓄量、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)等參數(shù)均根據(jù)該地區(qū)土地利用情況及SWMM手冊(cè)推薦得出，下滲參數(shù)通過(guò)模型校準(zhǔn)得出。節(jié)點(diǎn)和管道參數(shù)大多為非校準(zhǔn)參數(shù)，管道曼寧系數(shù)為校準(zhǔn)參數(shù)，采用SWMM手冊(cè)推薦值。

模型校準(zhǔn)采用綜合徑流系數(shù)法[22-23]。根據(jù)該地區(qū)土地利用類型查閱SWMM手冊(cè)不同土地利用類型的不透水率，加權(quán)平均計(jì)算得到研究區(qū)域的不透水面積比率為39.94%，參照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)，該地區(qū)綜合徑流系數(shù)應(yīng)處于0.4～0.6之間。通過(guò)無(wú)錫市暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合芝加哥雨型生成2 a重現(xiàn)期180 min的降雨數(shù)據(jù)，輸入模型計(jì)算得到徑流系數(shù)為0.54；再以上述方法生成1 a重現(xiàn)期和3 a重現(xiàn)期180 min的降雨數(shù)據(jù)，輸入模型計(jì)算得到徑流系數(shù)分別為0.48和0.57，因此可以認(rèn)為模型是可靠的。

由于山洪是敔山湖地區(qū)主要的致災(zāi)因素之一，需對(duì)該地區(qū)的截洪溝規(guī)模進(jìn)行校核。截洪溝校核選取20年一遇暴雨為設(shè)計(jì)工況，模型參數(shù)和計(jì)算方法同模型校準(zhǔn)過(guò)程，截洪溝出水口設(shè)置邊界條件為自由出流，計(jì)算結(jié)果中發(fā)生溢流的位置如圖3所示。對(duì)比敔山湖歷史易溢流位置調(diào)查結(jié)果，歷史易溢流位置均在模型計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)，進(jìn)一步證明了模型的可靠性。由于敔山灣核心區(qū)處于建設(shè)進(jìn)程中，實(shí)際建設(shè)完成情況和規(guī)劃有較大區(qū)別，因此不對(duì)該區(qū)域的溢流位置進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 計(jì)算溢流點(diǎn)與歷史易溢流位置Fig.3 Calculated overflow points and historical overflow points

3 分析與討論

3.1 截洪溝整治方案研究

計(jì)算結(jié)果表明，敔山灣地區(qū)現(xiàn)有截洪溝大多不滿足該地區(qū)防洪需要，需對(duì)現(xiàn)有截洪溝規(guī)模提出整治方案。在模擬過(guò)程中考慮到誤差，若只有少量溢流節(jié)點(diǎn)短時(shí)間最大溢流深度小于10 cm可認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生溢流，截洪溝整治方案見(jiàn)表1，現(xiàn)狀出水口和整治方案出水口流量見(jiàn)表2。

表1 建議整治方案

SWMM的水動(dòng)力計(jì)算模塊為一維計(jì)算，無(wú)二維水動(dòng)力過(guò)程，通過(guò)簡(jiǎn)化的溢流來(lái)保證水量平衡，故對(duì)現(xiàn)狀規(guī)模不滿足防洪要求的截洪溝，其整治方案洪峰流量應(yīng)大于現(xiàn)狀洪峰流量。根據(jù)表2，除D、G兩個(gè)出水口，整治方案洪峰流量均大于現(xiàn)狀洪峰流量。C、D對(duì)應(yīng)的截洪溝相連，現(xiàn)狀模擬情況下C對(duì)應(yīng)的截洪溝溢流，D對(duì)應(yīng)的截洪溝受C對(duì)應(yīng)截洪溝水位頂托的影響，出現(xiàn)D出水口整治方案洪峰流量小于現(xiàn)狀洪峰流量的情況，此外G、H、I為同一段截洪溝不同出水口，現(xiàn)狀未考慮建設(shè)H出水口，整治方案中H對(duì)G對(duì)應(yīng)截洪溝的排水起到分流作用。

表2 整治前后出水口洪峰流量

根據(jù)公式法計(jì)算的截洪溝洪峰流量未考慮流量過(guò)程的分配和前期降雨的影響，不同前期雨量過(guò)程會(huì)對(duì)研究區(qū)的洼地填蓄情況和土壤下滲速率有較大的影響，從而影響地表徑流，故采用單一的徑流系數(shù)來(lái)衡量截洪溝的洪峰流量大小未必合理。此外未考慮流量過(guò)程分配的公式法可能會(huì)低估截洪溝洪峰流量。以出水口為Q的截洪溝Q1Q2、Q2Q3為例，該控制區(qū)域平均坡度為0.21，控制面積6.967 hm2，20年一遇最大1 h降水量為83.4 mm。參照GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取地表種類為起伏的山地，推薦徑流系數(shù)值為0.6～0.8，計(jì)算得到出水口流量為0.97～1.29 m3/s，小于計(jì)算結(jié)果的最大洪峰流量1.44 m3/s，而計(jì)算的最大1 h平均流量1.13 m3/s在此范圍內(nèi),進(jìn)一步說(shuō)明了本文計(jì)算結(jié)果的合理性。

3.2 敔山灣核心區(qū)排澇能力分析

由于敔山灣地區(qū)排澇受上游山洪影響較大，故在對(duì)敔山灣核心區(qū)的防洪排澇能力進(jìn)行分析時(shí)截洪溝規(guī)模采用整治方案。

防洪排澇能力分析計(jì)算條件與2.2節(jié)相同，控制水位為4.2 m，整個(gè)模擬過(guò)程持續(xù)時(shí)間為降雨開(kāi)始以后48 h，模擬結(jié)果如圖4所示。由于外河水位超過(guò)核心區(qū)警戒水位，故兩閘門(mén)處于完全關(guān)閉狀態(tài)，區(qū)域排水均通過(guò)泵站進(jìn)行強(qiáng)排，外河水位對(duì)計(jì)算過(guò)程無(wú)影響。從圖4可以看出，應(yīng)急狀態(tài)下敔山湖與北橫河、金井河水位快速持平，在外河水位為設(shè)計(jì)洪水位5.17 m的情況下，敔山湖出現(xiàn)超警戒水位情形。由于該工況下北橫河、金井河閘門(mén)關(guān)閉，排澇完全由北橫河泵站和金井河泵站承擔(dān)，所以認(rèn)為敔山湖存在的主要排澇問(wèn)題是敔山湖蓄水能力不足或泵站抽水能力不足。針對(duì)超大洪水應(yīng)考慮增加敔山湖蓄水能力(擴(kuò)大庫(kù)容、降低敔山湖控制水位)或增加排澇泵站抽水能力來(lái)保證防洪排澇安全。

圖4 原排澇方案模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of original drainage scheme

3.3 核心區(qū)排澇改進(jìn)方案

考慮到北橫河泵站抽水能力提升空間有限，研究排澇改進(jìn)方案時(shí)增加泵站抽水能力是通過(guò)增加金井河泵站抽水能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以將敔山灣地區(qū)水域水位控制在警戒水位4.7 m以下為目標(biāo)，保持北橫河泵站抽水能力為9 m3/s不變，通過(guò)模擬得到4種不同敔山湖控制水位為4.2 m、4.1 m、4.0 m、3.9 m條件下金井河泵站所需最小流量分別為20 m3/s、9 m3/s、4 m3/s和1 m3/s，相應(yīng)防洪排澇能力模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 排澇改進(jìn)方案模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of improved drainage scheme

根據(jù)圖5，結(jié)合敔山湖地區(qū)設(shè)計(jì)降雨可知，該地區(qū)洪峰流量較大，洪水總量不大，單純通過(guò)增加泵站抽水能力來(lái)保障該地區(qū)防洪排澇安全所需泵站規(guī)模較大，故增加泵站抽水能力的同時(shí)適當(dāng)預(yù)降水位以增加湖區(qū)蓄水能力的改進(jìn)方案更為合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.相對(duì)于公式法，SWMM計(jì)算方法可對(duì)沿程變斷面和多出水口截洪溝進(jìn)行模擬計(jì)算。

b.公式法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量是根據(jù)徑流系數(shù)來(lái)取值的，SWMM計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量可考慮前期降雨造成的洼地填蓄和土壤下滲速率減??；公式法未考慮山洪的流量過(guò)程分配，SWMM計(jì)算方法可提供流量過(guò)程，其洪峰值從原理上更為準(zhǔn)確。

c.山丘城區(qū)下游排澇設(shè)施應(yīng)與上游防洪措施配套，單獨(dú)解決某一個(gè)問(wèn)題都可能造成資源浪費(fèi)或洪澇災(zāi)害。

d.敔山湖地區(qū)的主要問(wèn)題是洪峰流量較大，洪水總量不大，單純通過(guò)增加泵站抽水能力來(lái)保障該地區(qū)防洪排澇安全所需泵站規(guī)模較大，結(jié)合適當(dāng)預(yù)降水位來(lái)增加湖區(qū)蓄水能力的排澇改進(jìn)方案更為合理。