陳睿星，李衛(wèi)東，欒 慕，尹洋洋，馮 文，徐向陽(yáng)

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

城市內(nèi)澇是指由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過(guò)城市排水能力致使城市產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象[1]。根據(jù)住建部2010年對(duì)349個(gè)城市內(nèi)澇情況調(diào)研，2008-2010年共有289個(gè)城市發(fā)生了不同程度的內(nèi)澇，占調(diào)查城市總數(shù)的80%[2]。廣受詬病的城市內(nèi)澇災(zāi)害頻頻發(fā)生，暴露出傳統(tǒng)的城市雨水系統(tǒng)建設(shè)模式存在問(wèn)題，亟須解決。

構(gòu)建“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，實(shí)現(xiàn)城市的良性水文循環(huán)和雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、 用、排”，從而有效控制徑流排放總量、徑流污染與城市洪澇，最大限度地減少城市開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。海綿城市需要依靠低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)、常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)以及超常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)共同構(gòu)建[3]。

城市地區(qū)主要通過(guò)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排除雨水。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和各類(lèi)模型軟件的開(kāi)發(fā)，將排水系統(tǒng)模型作為城市洪災(zāi)評(píng)價(jià)與防治的技術(shù)手段已經(jīng)成為防洪防災(zāi)的重要技術(shù)途徑[4]。因此，運(yùn)用可對(duì)城市排水防澇系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程分析模擬的SWMM模型評(píng)估雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力對(duì)建設(shè)“海綿城市”有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以龍巖市為例，構(gòu)建SWMM模型模擬研究區(qū)現(xiàn)狀排水防澇能力，根據(jù)檢查井溢流和管道超載情況分析并總結(jié)原因，為城市管網(wǎng)優(yōu)化方案提供參考。

1 研究區(qū)SWMM模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

龍巖市位于福建省西南部，界于武夷山脈和博平嶺山脈之間，地處中亞熱帶向南亞熱帶過(guò)渡區(qū)，常年氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，多年平均降水量1 450～2 200 mm。流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均勻，年內(nèi)流量分配受降雨影響集中在4-9月份，占降雨量的75%，5-6月份降雨又占降雨量的35%。雨季地表徑流量大，河水暴漲暴落。

研究區(qū)屬于典型的山丘區(qū)城市，丘陵、平地與河谷交錯(cuò)分布，地面情況復(fù)雜，建筑物分布較密集，中心城區(qū)人口密度較大，城市建設(shè)用地緊張，極易發(fā)生侵占河湖水面、綠化用地的現(xiàn)象。此外，城區(qū)規(guī)劃建設(shè)不盡科學(xué)，河網(wǎng)水系淤塞不暢，排水管網(wǎng)系統(tǒng)更新緩慢以及排澇設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、陳舊老化等原因，當(dāng)發(fā)生短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨時(shí)，易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害。

1.2 SWMM模型構(gòu)建及參數(shù)取值

龍巖市中心城區(qū)屬于中等城市化地區(qū)，市政基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展較早，基本布設(shè)排水管網(wǎng)，地表徑流主要是通過(guò)排水管道匯入河流。龍巖市境內(nèi)的河流，主要屬于汀江水系、九龍江水系、沙溪水系、梅河水系，另外還有長(zhǎng)江流域贛江水系，但集水面積小。城區(qū)上游河流已建的蓄水工程有黃崗水庫(kù)、東肖水庫(kù)以及龍門(mén)石泉電站水庫(kù)。

根據(jù)SWMM模型的模型配置要求并匯總現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)資料，將研究區(qū)概化為617 個(gè)匯水區(qū)，將排水系統(tǒng)概化為節(jié)點(diǎn)889個(gè)、雨水主干管線310條。本次計(jì)算將龍津河下游入河口作為整個(gè)模型的出流邊界，以其不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)水位作為模型的邊界條件。

龍巖市分區(qū)劃分及管網(wǎng)概化示意圖，如圖1、圖2所示。

圖1 研究區(qū)域分區(qū)示意圖Fig.1 Partitions of study area

圖2 研究區(qū)管網(wǎng)概化示意圖Fig.2 Drainage system generalized diagram of study area

SWMM模型中的參數(shù)大體可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是通過(guò)測(cè)量或者可利用的其他信息提取獲得的模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；第二類(lèi)是模型參考手冊(cè)只給出取值范圍，具體取值需通過(guò)調(diào)查研究和模型率定才能確定。

由土地利用類(lèi)型分布圖、雨水工程現(xiàn)狀圖等資料獲取如子匯水區(qū)面積大小、平均坡度、特征寬度、管徑大小、管長(zhǎng)、管道的形狀、檢查井底標(biāo)高、不透水面積百分比等，并通過(guò)GIS軟件統(tǒng)計(jì)整理研究區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第二類(lèi)參數(shù)主要參考《SWMM模型用戶手冊(cè)》中列出的推薦值和相關(guān)文獻(xiàn)[5,6]，再因地制宜進(jìn)行修改優(yōu)化。

Horton下滲公式中參數(shù)主要包括最大下滲率、衰減系數(shù)及最小下滲率三個(gè)參數(shù)。最大下滲率主要取決于土壤類(lèi)型、土壤含水量和覆蓋植被，根據(jù)龍巖市土壤類(lèi)型及模型用戶手冊(cè)，最大下滲率覆蓋草皮的取50.8 mm/h、裸土取25.4 mm/h；穩(wěn)定下滲率主要根據(jù)《福建省暴雨洪水查算圖表》，按龍巖市土壤條件，取2.54 mm/h；霍頓曲線下滲速率衰減系數(shù)主要指飽和土壤到完全干燥土壤需要的時(shí)間天數(shù)，通常情況下為2～14 d，本次計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取7 d，衰減系數(shù)為3 h-1。洼蓄主要指地表積水、植被截留、屋頂、填洼等初始損失，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，不透水區(qū)洼蓄老城區(qū)取2 mm，郊區(qū)及新城區(qū)取1 mm；透水區(qū)洼蓄綠地取10 mm，裸地取5 mm。

子匯水區(qū)域地表糙率主要根據(jù)模型用戶手冊(cè)，并參照國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果取值，本次計(jì)算，不透水區(qū)糙率取0.015；透水區(qū)糙率取0.2。

管道糙率依據(jù)排水規(guī)劃取0.013，排洪溝及排水箱涵糙率取0.03?？紤]到各河段防洪堤建成后，河道岸壁為防洪墻，且形成寬度基本相等的規(guī)則河道，整治后河道糙率適當(dāng)降低，因此河道糙率龍津河干流取0.03，其余河流取0.035。河道現(xiàn)狀橫斷面根據(jù)實(shí)測(cè)成果，輸入模型。

SWMM模型部分參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2 現(xiàn)狀模擬結(jié)果及分析

選取地表徑流分析、檢查井溢流分析、管道超載情況分析作為評(píng)估城市雨水管網(wǎng)排水能力的依據(jù)。

表1 模型部分參數(shù)取值Tab.1 Model parameter values

2.1 地表徑流分析

徑流系數(shù)是表征水文特征的重要參數(shù)，它是自然狀態(tài)下地表徑流量與總降雨量的比值[7]。城市中心區(qū)地表徑流系數(shù)由0.3增長(zhǎng)至近0.7，意味著超過(guò)一半降雨量需要通過(guò)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排除。SWMM模型可以模擬出各個(gè)子匯水區(qū)的降雨總量、下滲總量、地表徑流總量等，得出該子匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)。分別采用不同暴雨重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，模擬不同降雨強(qiáng)度下的降雨徑流過(guò)程，進(jìn)行地表徑流能力分析。

具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同降雨重現(xiàn)期研究區(qū)地表徑流模擬結(jié)果 Tab.2 The simulation results of surface runoff in different return period

模型計(jì)算結(jié)果表明，下滲總量、地表徑流總量都隨著降雨強(qiáng)度的增加而加大，綜合徑流系數(shù)也呈變大趨勢(shì)。但隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，下滲總量的增長(zhǎng)幅度逐漸變小。近些年來(lái)，地表不透水面積比例變大，下滲和洼蓄的損失量減少，造成綜合徑流系數(shù)的增加，同時(shí)水流在城市不透水地表和管道系統(tǒng)中匯流時(shí)間較短，流速會(huì)變大，使洪水過(guò)程線峰現(xiàn)時(shí)間提前且洪峰流量變大。這樣勢(shì)必增加管道和下游河道的排澇負(fù)荷，這也是造成城市內(nèi)澇的主要原因。

2.2 檢查井溢流分析

龍巖市新城區(qū)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本都達(dá)到了2年一遇，但老城區(qū)早期設(shè)計(jì)的雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)低，大多數(shù)都低于1年一遇，局部地區(qū)甚至?xí)霈F(xiàn)一年2遇、一年3遇的情況。管網(wǎng)系統(tǒng)的改造未跟上城市建設(shè)的步伐，舊城區(qū)排水系統(tǒng)排水能力不足。根據(jù)龍巖市管道設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，用SWMM模型分別模擬降雨重現(xiàn)期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇時(shí)，檢查井的溢流情況。具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同降雨重現(xiàn)期檢查井溢流模擬結(jié)果Tab.3 The simulation results of manhole overflow in different return period

模型計(jì)算結(jié)果表明，在降雨重現(xiàn)期T=0.5 a、1 a、2 a，降雨歷時(shí)為120 min時(shí)，研究區(qū)范圍內(nèi)有多處檢查井出現(xiàn)了不同程度的溢流情況。當(dāng)T=0.5 a時(shí)，部分檢查井溢流持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 h，已經(jīng)造成了城市內(nèi)澇。當(dāng)T=1 a、T=2 a時(shí)，部分檢查井溢流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而最大溢流持續(xù)時(shí)間達(dá)到了1.74 h，地面積水現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.3 管道超載情況分析

在超過(guò)雨水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨情況下，雨水管道系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)超載甚至發(fā)生洪流現(xiàn)象，致使上游檢查井積水，出現(xiàn)溢流，形成城市內(nèi)澇。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果管道超載情況分析，可以找出長(zhǎng)時(shí)間呈滿流狀態(tài)的管道，進(jìn)而尋找發(fā)生滿流的原因。分別對(duì)雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5年一遇、1年一遇、2年一遇3種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)校核模擬，檢查雨水管道排水系統(tǒng)在模擬時(shí)間為4 h(含退水時(shí)間2h)情況下的滿流時(shí)間以及管道超載時(shí)間。

從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)T=0.5 a時(shí)，出現(xiàn)滿流狀況的管段共有54段，最大滿流時(shí)間為1.14 h，最大超載時(shí)間為0.85 h。當(dāng)T=1 a、2 a時(shí)，出現(xiàn)滿流狀態(tài)的管道分別為74段、107段，最大滿流時(shí)間為1.31 h、1.41 h，最大超載時(shí)間為1.07 h 、1.25 h。顯然，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，管道排水能力明顯下降。

3 雨水管網(wǎng)優(yōu)化改造

3.1 管網(wǎng)排水能力不足原因分析

結(jié)合研究區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)管網(wǎng)排水能力不足的原因有以下幾點(diǎn)：

(1)城市初期建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)的雨水管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)較低。同時(shí)一些新建區(qū)的雨、污水就近排進(jìn)舊城區(qū)的排水管網(wǎng)，加大了舊城區(qū)排水管網(wǎng)負(fù)荷，造成管道排水能力不足，造成內(nèi)澇受淹。

(2)管道鋪設(shè)不合理。部分上游管道的直徑大于下游管道。在遭遇高重現(xiàn)期的降水時(shí)，由于下游管道直徑偏小，排水能力受限，致使上游管道排水不暢，產(chǎn)生管道超載或漫溢。

(3)河水倒灌的影響。雨水通過(guò)管道就近排入河道，若管道出口底高程低于水位，受河道水位頂托，管道排水能力降低，管道內(nèi)水流流速減小，導(dǎo)致城市低洼地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間積水成災(zāi)。

(4)下游管網(wǎng)未完全修建。由于路網(wǎng)建設(shè)先后不一，部分雨水排放系統(tǒng)下游排放口未能同期建成，雨水出水口系統(tǒng)不完善。

(5)部分地區(qū)地勢(shì)低洼。個(gè)別低洼地區(qū)現(xiàn)狀沒(méi)有管道，或者是現(xiàn)狀低洼區(qū)排洪溝尺寸較小，一降雨就產(chǎn)生積水。一些有管道的低洼地區(qū)，因可能承受周邊地區(qū)的匯水而加大了排水壓力，超過(guò)了管道的排水能力，因而產(chǎn)生地面積水。

3.2 管網(wǎng)改造效果分析

針對(duì)研究區(qū)管網(wǎng)存在的問(wèn)題，模擬增大管徑和改變檢查井底高程同時(shí)進(jìn)行的管網(wǎng)改造效果。結(jié)合研究區(qū)的地形地貌，對(duì)檢查井溢水量較大、管道超載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、內(nèi)澇較為嚴(yán)重地區(qū)，以管徑不小于300 mm為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

表4、5分別列出了檢查井高程改造以及排水系統(tǒng)管道改造數(shù)據(jù)。

表4 研究區(qū)檢查井高程改造方案 m

運(yùn)用SWMM模型重新模擬管道優(yōu)化方案實(shí)施后，降雨重現(xiàn)期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇情況下，檢查井溢流情況具體見(jiàn)表6。

模擬結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在T=2 a的降雨重現(xiàn)期下，雖仍然存在部分檢查井有溢流現(xiàn)象，但總溢流量比優(yōu)化之前減少了76.1%；溢流檢查井個(gè)數(shù)也比之前減少了57.7%。

由于研究區(qū)在長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下，遭遇20年一遇、30年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，內(nèi)澇較為嚴(yán)重，城市積水面積、積水深度、積水時(shí)間比較長(zhǎng)，為了模擬管網(wǎng)優(yōu)化方案對(duì)城市積水面積、積水深度、積水時(shí)間的影響，利用SWMM模型重新模擬20年一遇、30

表5 研究區(qū)排水系統(tǒng)管道改造方案 m

表6 管網(wǎng)優(yōu)化方案實(shí)施后，不同降雨重現(xiàn)期檢查井溢流情況分析Tab.6 The simulation results of manhole overflow in different return period(after the construction of drainage pipe scheme)

年一遇兩種不同降雨重現(xiàn)期下龍巖市中心城區(qū)的排水能力。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合子匯水分區(qū)地形狀況，確定節(jié)點(diǎn)溢流范圍，通過(guò)溢流水量得到平均淹沒(méi)水深，運(yùn)用Surfer繪圖軟件繪制內(nèi)澇積水深度與積水時(shí)間分布圖，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 20年一遇長(zhǎng)歷時(shí)暴雨內(nèi)澇積水深度與積水時(shí)間分布圖(管網(wǎng)規(guī)劃方案實(shí)施后)Fig.3 Water depth and water retention time distribution at 5% frequency stromwater (after the construction of drainage pipe scheme)

圖4 30年一遇暴雨內(nèi)澇積水深度與積水時(shí)間分布圖(管網(wǎng)規(guī)劃方案實(shí)施后)Fig.4 Water depth and water retention time distribution at 3.33% frequency stromwater(after the construction of drainage pipe scheme)

模擬結(jié)果顯示，管網(wǎng)優(yōu)化后，將有效緩解城市內(nèi)澇，能有效減少積水面積、地面積水深度和積水時(shí)間，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)澇防治的目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于城市內(nèi)澇問(wèn)題越來(lái)越制約著城市的可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建適用于城市地區(qū)的集防洪、排澇、排水為一體的城市雨洪模型意義重大。以 SWMM模型為基礎(chǔ)，因地制宜設(shè)置模型參數(shù)，結(jié)合實(shí)際資料加以率定改進(jìn)，模擬計(jì)算分析城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水防澇能力，也驗(yàn)證了模型在城市排澇與排水計(jì)算中的通用性。

(2)構(gòu)建SWMM模型，分析地表徑流、檢查井溢流、管道超載情況，確定雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合研究區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，歸納排水能力不足的主要原因。依托模型定量確定的積水面積、積水時(shí)間、積水點(diǎn)數(shù)量等信息；提出管網(wǎng)優(yōu)化方案對(duì)研究區(qū)城市排水防澇規(guī)劃、調(diào)度以及城市防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要意義。

(3)針對(duì)研究區(qū)內(nèi)澇情形，除了采取管網(wǎng)優(yōu)化措施之外，還需要基于海綿城市建設(shè)理念，結(jié)合GSI、BMPS等新型雨水基礎(chǔ)設(shè)施與小型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施來(lái)進(jìn)一步提升排水能力。建議城市發(fā)展建設(shè)中，積極推行“海綿城市”建設(shè)理念，保證城市開(kāi)發(fā)過(guò)程中水文效應(yīng)變化適度。

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