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年對全國351個城市進行的專項調(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)計不合理等[1-3]，其中城市內(nèi)河與排水管網(wǎng)運行之間缺乏相容性也是造成城市內(nèi)澇的一個重要原因．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]，僅考慮了河道對城市管網(wǎng)的影響，忽略了排水管網(wǎng)對河道水位的影響．

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)計重現(xiàn)期下對排水系統(tǒng)進行模擬，評估系統(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，場地坡度主要為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)北部為薊運河故道和惠風(fēng)溪．薊運河故道上游有一土壩，無來水；為提高超標洪(潮)水頂托、且遭遇暴雨時生態(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排入薊運河故道和惠風(fēng)溪，最后由排澇泵站排入薊運河．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軟件進行排水系統(tǒng)的模擬．將城市排水管網(wǎng)進行概化，得到319個節(jié)點、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、管道、泵站和河道的屬性信息(節(jié)點坐標、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行子匯水區(qū)劃分并根據(jù)實際情況進行手動調(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行模擬．在計算產(chǎn)流量時，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全部產(chǎn)流，透水部分采用Horton模型計算，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)．通過文獻調(diào)研和模型手冊[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

對于同一個設(shè)計重現(xiàn)期的暴雨，不同歷時的雨型在集水區(qū)內(nèi)某個點導(dǎo)致的洪峰流量不同，在集水區(qū)上游由短歷時高強度的暴雨產(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，由較長歷時的暴雨產(chǎn)生最大洪峰流量．因此，進行排水管網(wǎng)排水模擬分析時往往要模擬多種歷時暴雨．

中新生態(tài)城起步區(qū)排水管網(wǎng)的設(shè)計重現(xiàn)期為3年一遇，排水防澇標準為20年一遇．考慮不同歷時，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)暴雨強度公式和雨型，降雨時間序列如圖3所示．

2.4 參數(shù)率定

由于缺乏實測數(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)計規(guī)范以及起步區(qū)土地利用類型，計算得到起步區(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

為評估排水系統(tǒng)的能力，重現(xiàn)期P=3時模擬6 h(8：00-14：00)，重現(xiàn)期P=20時模擬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)計流量對比分析，統(tǒng)計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，隨著降雨歷時的增加，管道發(fā)生過流的比例有所下降；其中，降雨歷時從2 h到3 h，過流比例下降較明顯，達到8%．進一步分析管道的排水能力，將管道過流的時間分段統(tǒng)計，得到圖4．從圖中可以看出，不同降雨歷時，管段過流時間有所不同，降雨歷時1 h，過流時間在30～60 min的管道所占比例最大；歷時2 h，過流時間在0～30 min的管道所占比例最大，60～120 min段次之；歷時3 h，各過流時間段的管道所占比例相差不大．

圖4 過流管段不同過流時間分類統(tǒng)計圖

3.2 薊運河故道水位

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

圖5 薊運河故道水位變化曲線

3.3 內(nèi)澇

當降雨超過排水系統(tǒng)的能力時，地面開始積水．室外排水設(shè)計規(guī)范中規(guī)定車行道積水不得超過0.15 m，對積水時間沒有規(guī)定，本研究以積水超過0.15 m、積水時間超過30 min作為內(nèi)澇防治的設(shè)計標準．在10：30左右，地面開始積水，隨著時間的推移，積水范圍和深度增加，在12：00左右達到最大值，此后積水逐漸消退，在20：00左右不再變化．在整個模擬過程中，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

圖7 不同積水時間面積統(tǒng)計

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，過流管道得比例達到70%～80%，管網(wǎng)排水的能力不足；2)20年一遇降雨時，薊運河故道的水位超過親水平臺高程，影響其安全；3)超過內(nèi)澇設(shè)計標準的面積為77.81 hm2，最大積水深度1.45 m，最長淹沒時間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)計標準，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，對薊運河水位進行錯峰調(diào)節(jié)；4)對長時間積水的區(qū)域進行地形處理或增設(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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