張 波

(深圳市城市公共安全技術(shù)研究院,廣東 深圳 518046)

0 引 言

近年來,大中型城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),凸顯出城市排水系統(tǒng)與城市快速發(fā)展的矛盾［1］。陽江市位于廣東省西南沿海,珠江三角洲西緣。該市四圍地區(qū)地處華南高暴雨區(qū),圍內(nèi)地勢低洼,由于圍內(nèi)無電排泵站,排澇設(shè)施不夠完善［2-3］。當(dāng)排水期間遭遇外河偏高標(biāo)準(zhǔn)的高潮位時,圍內(nèi)澇水無法通過水閘自行排除,極易發(fā)生內(nèi)澇［4］。四圍地區(qū)已納入陽江市城南新區(qū)規(guī)劃,圍區(qū)城市化的發(fā)展也對該地區(qū)的治澇工程建設(shè)提出了更高要求［5］。因此,切實提高該地區(qū)的排澇能力,有效完善四圍澇區(qū)排澇體系,保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全,實施四圍澇區(qū)整治工程是十分必要的,也是非常緊迫的。

為此,本文首先提供兩種較為可靠的泵站設(shè)計方案,并對二者進(jìn)行比選。同時,構(gòu)建MIKE FLOOD 耦合模型,校核評估所設(shè)計的陽江市四圍地區(qū)泵站系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求,并對所選方案的城市內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估。研究旨在設(shè)計出能夠滿足城市排水需求的泵站,為解決城市內(nèi)澇問題提供理論與技術(shù)支持。

1 基于MIKE管網(wǎng)的內(nèi)澇風(fēng)險評估及泵站規(guī)劃方案設(shè)計

1.1 工程概況

四圍澇區(qū)位于陽江市南部,包括玉沙、那格、四圍、崗列4個管理區(qū)［6］。該片區(qū)西接漠陽江東支流,東鄰那龍河,圍內(nèi)面積12.75km2,排澇區(qū)集雨面積15.9km2。片區(qū)現(xiàn)狀地面高程為1.2～3.2m左右,地勢相對較低。片區(qū)水系較為發(fā)達(dá),主要由沙格涌及其他幾條小河涌組成,但現(xiàn)狀河、渠淤塞較為嚴(yán)重。排澇建筑物主要有沙格、廟仔、滘仔、五家村4座水閘。本研究以泵站為主,對陽江市四圍澇區(qū)整治工程設(shè)計范圍進(jìn)行了地質(zhì)勘察。圖1為該工程的水系概況［7］。

圖1 工程區(qū)域水系圖

由圖1可知,工程區(qū)地形總體呈北高南低,東南面為遼闊的南海,最高峰在東北部的崖鷹山,山頂高程 251.4m;西北最高峰在大放雞山,山頂高程 224.7m。漠陽江在場區(qū)由西北流向東南,那龍河在場區(qū)由東北流向西南,兩條河流在本區(qū)南部交匯后流入南海。堤圍位置一般地勢較開闊平坦,地面高程 1～5m。工程區(qū)域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候,臺風(fēng)是影響最大的災(zāi)害性天氣,常伴隨著暴雨和風(fēng)暴潮,造成洪澇災(zāi)害。區(qū)域最大的水系是漠陽江水系,那龍河和漠陽江在出?？谔幗粎R。河流流向基本由北而南,注入南海。

該區(qū)域的底層區(qū)域地層主要有寒武系八村群(∈bc)、第四系海積層(Qm)、沖積層(Qal)、殘坡積層(Qel+dl)及人工堆積土層(Q4s),侵入巖主要有燕山期花崗巖和印支期花崗巖。工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬于黃汲清劃分的華南褶皺帶,位于粵中拗陷構(gòu)造單元中的陽春-開平凹褶斷束的南部。區(qū)域內(nèi)地下水類型主要有第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,并以前者為主。第四系孔隙水主要貯存于沖積相、海積相的粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂和圓礫中,含(透)水層厚度0.5～8.6m,主要接受大氣降水和河水補(bǔ)給,并向河流排泄或補(bǔ)給底部基巖裂隙含水層。漲潮時,河(潮)水補(bǔ)給地下水;退潮時,地下水排泄于河流。

基巖裂隙水分布于河流兩岸或河床第四系地層下伏基巖中,區(qū)域花崗狀片麻巖及花崗巖本身為弱透水層,其中強(qiáng)、弱風(fēng)化帶或斷層破碎帶為含水層,但含水性不均,水量小?；鶐r裂隙水由第四系孔隙水補(bǔ)給,通過透水層或構(gòu)造裂隙向河流或深部含水層排泄。

1.2 陽江市泵站MIKE管網(wǎng)耦合模型建立及內(nèi)澇風(fēng)險評估研究

MIKE軟件模型工具適用于所有同水相關(guān)的環(huán)境模擬,包含MIKE11、MIK21、MIKE URBAN等多種模型［8］。這3種模型都有各自的局限性,但經(jīng)過MIKE FLOOD耦合后,能夠有效發(fā)揮一維與二維模型各自的優(yōu)點［9］。該模型的核心是求解淺水方程。本次研究結(jié)合陽江市四圍澇區(qū)泵站的實際情況,并采用MIKE FLOOD模型法,可使方案結(jié)果更為直觀,便于決策者進(jìn)行方案選擇。圖2為MIKE FLOOD耦合模型的構(gòu)建過程。

圖2 MIKE FLOOD建模的基本步驟

由圖2可知,在構(gòu)建MIKE FLOOD耦合模型之前,需要先建立一維城市管網(wǎng)模型。通常情況下,該模型采用適宜于高度城市化地區(qū)、計算原理簡單、參數(shù)明確的表面徑流模型中的時間-面積模型,即T-A Curve(A)模型［10］。逐步建立降雨徑流模型,在此過程中,需要確定MIKE URBAN模型中定義的集水區(qū)［11］。完成地表降雨徑流模型構(gòu)建之后,建立動態(tài)城市管網(wǎng)水力模型,即network 模型。該模型的建立首先需要對城市管網(wǎng)水力與降雨徑流模型進(jìn)行連接,加載第一階段模型文件。點擊Start simulation進(jìn)行計算,獲得后綴為PRF的管流模型文件,此時的管網(wǎng)水力模型構(gòu)建完成。然后運(yùn)行一維管網(wǎng)模型,由于具有差異的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)設(shè)定會對模型的穩(wěn)定性造成一定影響,導(dǎo)致MIKE軟件出現(xiàn)報錯或警告。出現(xiàn)此類情況時,需根據(jù)報錯報告等尋找原因,并在修正后再進(jìn)行模型運(yùn)行。模型在完成校核后,即可建立一維河道模型。二維城市地表漫流模型的建立最為重要的數(shù)據(jù)是地形,同時創(chuàng)建合理的網(wǎng)格也是獲得模型有效結(jié)果的關(guān)鍵要素。最后構(gòu)建一維與二維耦合模型,利用MIKE FLOOD中城市管網(wǎng)耦合工具,將MIKE 21與MIKE URBAN進(jìn)行耦合。然后運(yùn)行MIKE FLOOD模型軟件,當(dāng)運(yùn)行成功后,即可獲得相應(yīng)的文件與效果圖。

本次研究將設(shè)計降雨作為陽江市四圍澇區(qū)工程的邊界條件。在排水設(shè)計中,重點是洪峰流量的計算。芝加哥雨型的洪峰不受歷時的影響,并且其流量計算只需模擬一次即可獲得各段管道的結(jié)果。芝加哥暴雨過程線法是以暴雨強(qiáng)度為基礎(chǔ),將降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為隨時間變化的函數(shù)。因此,聯(lián)立暴雨強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度公式,可通過微分求得t時刻的瞬時降雨強(qiáng)度,公式如下［12］：

(1)

式中:ta、tb為降雨歷時和降雨峰值時刻的時間間隔;H為歷時t的降雨總量;a為設(shè)計的降雨量;b為降雨峰值;n為相關(guān)的衰減常數(shù)。

降雨峰值前后所對應(yīng)的瞬時暴雨強(qiáng)度如下:

(2)

式中:r與降雨峰值相對應(yīng),通常在0.4左右。

陽江市的暴雨強(qiáng)度計算表達(dá)式如下:

(3)

式中:P為設(shè)計重現(xiàn)期,a。

通過構(gòu)建的MIKE管網(wǎng)耦合模型模擬及相應(yīng)的計算,即可對陽江市四圍澇區(qū)泵站區(qū)域進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險評估。

1.3 陽江市四圍澇區(qū)泵站規(guī)劃方案設(shè)計

擬建城南電排站位于沙格涌下游主河道右岸與四圍聯(lián)圍堤防之間,現(xiàn)廟仔涵閘閘址處,站址距沿海高速公路聯(lián)絡(luò)線約700m。站址處四圍堤防兩側(cè)地形平坦、開闊,高程在0.7～1.2m左右。現(xiàn)廟仔涵閘穿堤而過,涵閘洞身段長約20.0m,共兩孔,單孔凈寬4.0m,孔高3.5m,涵洞出口處設(shè)置有兩扇鋼閘門。涵閘進(jìn)水渠與沙格涌主河道相連,長約100.0m,渠寬30～50m,進(jìn)水渠兩側(cè)為灘地與魚塘;出水渠與漠陽江相接,長約110.0m,寬40～60m,出水渠兩側(cè)均有魚塘分布。在廟仔涵閘東北側(cè)約150m有四圍灌溉渠穿過,灌溉渠走向與漠陽江主河道基本垂直,采用渡槽方式跨越漠陽江。灌溉渠渠頂高程較高,為3.5m左右,與現(xiàn)狀四圍堤防基本齊平,現(xiàn)狀四圍堤防在灌溉渠處隔斷。

本次研究根據(jù)站址地形條件,對泵站總體布置(軸線比選)進(jìn)行3種方案設(shè)計。方案一(中間軸線方案):將原廟仔涵閘拆除,在原涵閘進(jìn)、出水渠位置建設(shè)排澇泵站,并在泵站右側(cè)新建一排水涵閘,以恢復(fù)廟仔涵閘的排水功能,新建涵閘孔口規(guī)模與原廟仔涵閘孔口規(guī)?；鞠嗤７桨付?左側(cè)軸線方案):保留原廟仔涵閘,將泵站布置于涵閘左側(cè)約25.0m的位置,為防止泵站出水對灌溉渠堤腳造成沖刷破壞,在出水渠左側(cè)新建一長約80.0m的導(dǎo)流墻,泵站施工期間對原廟仔涵閘進(jìn)行保護(hù),方案二泵站軸線比方案一軸線向左側(cè)偏移約18m。兩種方案的涵閘斷面見圖3。

圖3 兩個設(shè)計方案涵閘斷面

由圖3(a)可知,方案一閘檻高程-1.81m,與沙格涌河底相平,閘前水位1.8m,過閘水頭損失取0.2m,計算閘孔凈寬7.6m,選定閘孔總凈寬8.0m,設(shè)置2孔,單孔凈寬4.0m,涵洞高4.0m。由圖3(b)可知,方案二閘檻高程-1.31m,比沙格涌河底高0.5m,閘前水位1.8m,過閘水頭損失取0.2m,計算閘孔凈寬9.3m,選定閘孔總凈寬10.0m,共設(shè)置2孔,單孔凈寬5.0m,涵洞高4.0m。

兩個方案從地形、地質(zhì)、施工及水力條件來說無較大差別,泵站工程投資亦相當(dāng)。雖然方案一占用原廟仔涵閘站址,需對廟仔涵閘拆除重建,使泵站及涵閘工程總投資較方案二有所增加,但考慮方案一主要利用原有水利工程用地進(jìn)行建設(shè),占地面積及占地補(bǔ)償工作難度相對較小,且方案一對原廟仔涵閘拆除重建,有利于四圍澇區(qū)整體防洪排澇安全,因此研究選擇方案一為推薦方案。

2 結(jié)果分析

首先選取在2022年6月中,發(fā)生10年一遇降雨的某個時間段,并利用MIKE FLOOD耦合模型進(jìn)行模擬測試。圖4為實際與模擬測得陽江市四圍澇區(qū)各澇點的最大淹沒深度。

圖4 實際與模擬測得澇點的最大淹沒水深

由圖4可知,通過研究構(gòu)建的MIKE FLOOD耦合模型,模擬所得的陽江市各澇區(qū)的最大淹沒水深與實際所測結(jié)果相差較小,其誤差范圍在0.01～0.02m之間,表明研究的MIKE FLOOD耦合模型的模擬精度較高,具有可靠性。

本次研究針對陽江市四圍澇區(qū)泵站的實際情況進(jìn)行了方案設(shè)計。設(shè)計的兩個方案施工交通條件相同,均利用四圍聯(lián)圍堤頂路作為泵站進(jìn)場路,并且均需設(shè)置內(nèi)、外河圍堰,圍堰長度及布置型式基本相同。在施工場區(qū),均可布置在內(nèi)河側(cè)的灘地或魚塘內(nèi)。表1為兩個方案的主要工程量及永久占地情況。

表1 陽江市四圍澇區(qū)泵站設(shè)計方案主要工程量及永久占地情況

由表1可知,在方案一對原廟仔涵閘拆除重建的前提下,方案二的工程部分總投資比方案一多投資約171萬元。方案一泵站與涵閘建筑物布置較為緊湊,泵站與涵閘共用進(jìn)、出水渠道,整體占地面積較小,為2.391hm2,較方案二總占地面積少0.46hm2。并且大部分占地為現(xiàn)有水利工程用地,占地條件較好。而方案二由于無法利用原涵閘進(jìn)、出水渠道,導(dǎo)致泵站總體占地面積增加。且方案二占用魚塘的面積較大,占地賠償投資較高,比方案一多賠償23.88萬元。另外,根據(jù)該地區(qū)工程建設(shè)經(jīng)驗,占地賠償工作一直為影響工程可實施性、工程建設(shè)進(jìn)度及社會穩(wěn)定的重要因素。方案一主要利用現(xiàn)有水利工程用地,占地賠償工作較為簡單,從占地條件來講,方案一優(yōu)于方案二。綜上可知,研究選擇方案一作為陽江市四圍澇區(qū)泵站的布置方案,更節(jié)省成本且占地性價比較高。實驗采用MIKE管網(wǎng)模型,對陽江市四圍澇泵站區(qū)域10年一遇24h暴雨所產(chǎn)生的徑流量進(jìn)行模擬,并對四圍澇區(qū)的玉沙、那格、四圍、崗列4個管理區(qū)進(jìn)行特征點分析。方案實施前后4個陽江市研究區(qū)水深隨時間的變化情況見圖5。

圖5 方案實施前后四圍澇區(qū)水深隨時間變化

由圖5可知,研究的4個澇區(qū)均存在一定程度上的積水,且隨著時間的增加,積水深度逐漸升高。在圖5(b)中,方案實施后的4個澇區(qū)的積水深度均較方案實施前小。玉沙、那格、四圍、崗列在方案實施后的積水高峰值比方案實施前分別低0.42、0.11、0.31、0.06m。在24 h歷時的降雨條件下,4個澇區(qū)反映出不同的規(guī)律。即玉沙、那格、崗列在降雨過程中很快達(dá)到水深峰值,然后緩緩下降,僅四圍在降雨峰值過后,積水深度仍不斷增加。根據(jù)模擬得到的管道最大充滿度,能夠獲得管道在降雨過程中的狀態(tài),從而評估得到研究的陽江市四圍澇區(qū)泵站地區(qū)管道的排水能力。圖6為管網(wǎng)最大充滿度區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果。

圖6 管網(wǎng)最大充滿度區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果

由圖6可知,在方案一實施前后,絕大多數(shù)管道的最大充滿度都小于4,表明這些管道在排水過程中,基本能滿足排水需求。但仍有一部分管道的最大充滿度大于6,管道內(nèi)部壓力較大,且施工后比施工前的管道平均充滿度要低,施工后最大充滿度大于4的管道數(shù)目占比較施工前少2%。綜上可知,實施方案一后的泵站系統(tǒng)能較好地滿足排水的需要。

3 結(jié) 論

為了提高陽江市四圍地區(qū)排澇能力,對該地區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估,本次研究構(gòu)建了MIKE FLOOD耦合模型,并利用該模型對設(shè)計的陽江市四圍地區(qū)泵站進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險評估。結(jié)果表明,MIKE FLOOD耦合模型的模擬誤差在0.01～0.02m的范圍內(nèi),表明該模型具有可靠性。方案一比方案二的工程部分總投資節(jié)省約171萬元,且占地少賠償23.88萬元,表明方案一更節(jié)省成本且占地性價比較高。方案一實施后,4個澇區(qū)的積水高峰值比方案實施前分別低0.42、0.11、0.31、0.06m,且施工后最大充滿度大于4的管道數(shù)目占比較施工前少2%。表明研究的泵站系統(tǒng)能較好地滿足排水的需要,降低內(nèi)澇風(fēng)險。