張司宇，王景蕓，李 瑞

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢鵬森環(huán)境科技有限公司，湖北 武漢 430068）

0 引言

近10年來(lái)，我國(guó)許多城市與地區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，根據(jù)專項(xiàng)調(diào)查顯示，超過(guò)60%的城市發(fā)生過(guò)內(nèi)澇［1］，內(nèi)澇已經(jīng)嚴(yán)重影響著人民生活與社會(huì)經(jīng)濟(jì)。內(nèi)澇災(zāi)害的出現(xiàn)，一方面是受全球變暖、極端天氣頻頻出現(xiàn)的影響；另一方面是許多地區(qū)的管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水能力不足。搭建合理的水力模型對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)城市排澇體系進(jìn)行模擬，能夠檢驗(yàn)規(guī)劃管網(wǎng)能力并為現(xiàn)狀管網(wǎng)的優(yōu)化改造提供根據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與內(nèi)澇分析

1.1 研究區(qū)域概況

金鞭港區(qū)域位于武漢市江夏區(qū)大橋新區(qū)南部，面積8 km2,東部毗鄰湯遜湖，整體上呈南北高、中間低的地勢(shì)，高程主要分布在18～34 m。

如圖1所示，金鞭港區(qū)域內(nèi)雨水主要由南北兩側(cè)道路下雨水管道收集后匯入金鞭港，金鞭港為主排水通道，將水排至湯遜湖，部分區(qū)域的雨水經(jīng)收集管網(wǎng)直接排入湯遜湖。

1.2 內(nèi)澇成因分析

湯遜湖水位一般為18～19 m，資料顯示，其歷史最高水位達(dá)到21.20 m，而根據(jù)《武漢市中心城區(qū)排水防澇專項(xiàng)規(guī)劃》記載，湯遜湖規(guī)劃控制水位僅為17.65 m，規(guī)劃控制最高水位僅為18.65 m。湖泊水位一旦超過(guò)最高控制水位，必然會(huì)引起上游管道頂托，導(dǎo)致上游地區(qū)出現(xiàn)漬水。如圖2所示，大橋村一區(qū)、大堰灣、李家灣、小蜜蜂食品廠門口等地區(qū)因局部地勢(shì)較低，雨水在管網(wǎng)超過(guò)負(fù)荷時(shí)往往不能及時(shí)排走，從而形成漬水。

圖1 金鞭港區(qū)位圖

圖2 內(nèi)澇成因分析

金鞭港地區(qū)之前的開(kāi)發(fā)模式以傳統(tǒng)的硬化路面為主，雨水難以下滲，只能流入市政管網(wǎng)，給市政管網(wǎng)增加了負(fù)荷。隨著規(guī)劃區(qū)開(kāi)發(fā)的逐漸推進(jìn)，地面硬化范圍逐漸加大，內(nèi)澇的程度也會(huì)逐漸增加。

2 雨水排水模型的建立

2.1 排水管網(wǎng)

現(xiàn)狀管網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自于武漢市排水管理服務(wù)中心，規(guī)劃管網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自《江夏區(qū)紙坊城區(qū)排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》。西部主雨水管附近為開(kāi)發(fā)程度較低的城中村，加上現(xiàn)狀管網(wǎng)中西部管網(wǎng)支管數(shù)量過(guò)少、地勢(shì)較高，雨水排不出去就會(huì)形成漬水。

將金鞭港區(qū)域排水系統(tǒng)概化，研究區(qū)域的排水系統(tǒng)經(jīng)概化后共有66個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包含56個(gè)檢查井、10個(gè)出水口，75段管道連接，規(guī)劃管網(wǎng)全長(zhǎng)約為27 363.4 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，經(jīng)arcgis將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為shp文件導(dǎo)入Infoworks ICM中作為管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)。

2.2 降雨事件

根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》推薦采用的短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式如下：

式中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度［L/（s·hm2）］；P—重現(xiàn)期（a）；t—降雨歷時(shí)（min）。

按照工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)工程實(shí)施完成后，能夠滿足20年一遇的暴雨排澇要求。根據(jù)武漢市暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合芝加哥雨型［2］計(jì)算，分別選取設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1，2，5，10，20年的降雨過(guò)程。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

金鞭港區(qū)域解析的下墊面有6類：屋面、水面、道路、鋪裝、綠地、裸地，其中綠地及裸地為透水表面，其他下墊面設(shè)置為不透水表面。對(duì)于不透水面采用固定徑流系數(shù)法的產(chǎn)流模型，透水面采用霍頓下滲模型，各類下墊面參數(shù)如表1所示。

表1 模型水文參數(shù)［3］

2.4 子集水區(qū)劃分

精確的集水區(qū)的劃分需要根據(jù)路網(wǎng)、建筑、地勢(shì)等因素進(jìn)行分析，金鞭港地區(qū)因?yàn)榇嬖诖罅吭诮üこ毯偷缆?，很難精確的劃分子集水區(qū)，筆者采用泰森多邊形法劃分子集水區(qū)，在泰森多邊形中的任何位置，距其關(guān)聯(lián)點(diǎn)的距離都比到任何其他點(diǎn)輸入要素的距離近［4］。將規(guī)劃區(qū)由金鞭港分為南北兩個(gè)匯水區(qū)，然后根據(jù)管網(wǎng)的布置使用泰森多邊形法將兩個(gè)集水區(qū)劃分劃成一系列的子匯水區(qū)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 規(guī)劃管道排水能力評(píng)估

根據(jù)搭建的Infoworks ICM模型，對(duì)金鞭港區(qū)域規(guī)劃排水管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行評(píng)估，分別選取重現(xiàn)期為1，2，5，10，20年的降雨作為條件運(yùn)行模型，用不同重現(xiàn)期下管道不超過(guò)最大負(fù)荷能滿足的最大重現(xiàn)期評(píng)估管網(wǎng)的能力。將模型模擬的結(jié)果提取成shp格式的文件導(dǎo)入arcgis中，將篩選分類為管網(wǎng)排水能力在降雨重現(xiàn)期小于1年一遇、1到2年一遇、大于2年一遇3類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

金鞭港區(qū)域的排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為P=2。模擬結(jié)果顯示只有少部分管網(wǎng)能夠滿足P=2的標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)劃后的管網(wǎng)達(dá)不到要求的比例高達(dá)91%。

3.2 規(guī)劃管網(wǎng)漬水評(píng)估

用20年一遇的暴雨對(duì)內(nèi)澇情況進(jìn)行模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)為3 h，其結(jié)果如圖4所示。其中大橋村還建房一期小區(qū)、小蜜蜂食品有限公司等小區(qū)門口漬水情況，多由于地塊內(nèi)部管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)低或自身地勢(shì)低洼原因造成，文化大道與金龍大街交匯路口出現(xiàn)的漬水現(xiàn)象，主要是因?yàn)楣芫W(wǎng)能力不足且規(guī)劃不合理導(dǎo)致。

圖3 管網(wǎng)能力評(píng)估

圖4 內(nèi)澇積水評(píng)估

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用Infoworks ICM模型，建立了武漢市江夏區(qū)金鞭港區(qū)域二維管網(wǎng)模型，對(duì)海綿城市管網(wǎng)改造的效果進(jìn)行模擬評(píng)估，能夠直觀、清晰地顯示規(guī)劃管網(wǎng)的能力以及特定降雨條件下發(fā)生漬水的區(qū)域。

模擬的結(jié)論及建議如下：（1）91%的管網(wǎng)能力不滿足P=2的規(guī)劃要求。（2）漬水區(qū)域主要出現(xiàn)在地勢(shì)低于湯遜河管控水位的區(qū)域，要解決此類漬水問(wèn)題，需要依托整個(gè)湯遜湖流域，加強(qiáng)流域水系調(diào)度。（3）部分區(qū)域管網(wǎng)布設(shè)不合理、管徑過(guò)小，建議增加主管網(wǎng)的管徑并且在臨近水體的位置增加排水口減輕管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力。