王 杰

（寧波天成水利水電設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波315199）

在水利排澇計(jì)算中，最常用排澇模數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，該方法在河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，下墊面錯(cuò)綜復(fù)雜的城市片區(qū)中，精準(zhǔn)度稍顯欠缺。現(xiàn)行室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范中亦明確，當(dāng)匯水面積超過2 km2，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量［1］。本文采用美國環(huán)境保護(hù)局軟件EPASWMM對(duì)南昌市安義縣城南片區(qū)建立水動(dòng)力模型，做“動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬”，得到規(guī)劃河網(wǎng)每個(gè)位置的水深、流速以及淹沒時(shí)間等信息。

1 工程概況

根據(jù)《安義縣城總規(guī)劃（2010～2030）》（以下稱規(guī)劃），以北潦河及北潦渠（灌溉渠）為界，城南片區(qū)可形成一個(gè)封閉、獨(dú)立的防洪體系，結(jié)合現(xiàn)狀排澇設(shè)施，將城南區(qū)劃分為兩個(gè)區(qū)塊。區(qū)塊一匯水面積為4.33 km2，規(guī)劃地面高程為30.00 m～31.00 m，此區(qū)塊目前無排澇站；區(qū)塊二以現(xiàn)有余楊閘為排水口，其匯水面積為2.62 km2，規(guī)劃地面高程為29.00 m。

圖1 排澇區(qū)塊劃分

2 模型建立

本文采用美國環(huán)境保護(hù)局軟件EPASWMM進(jìn)行計(jì)算。該軟件是一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬計(jì)算機(jī)程序，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期（連續(xù)）模擬［2］。軟件流量演算采用動(dòng)力波法，下滲計(jì)算采用Green-Ampt模型。

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

城市排澇計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨需采用短歷時(shí)暴雨雨型，安義縣缺乏相關(guān)資料，故針對(duì)安義縣的降雨特點(diǎn)，利用芝加哥降雨過程線模型將當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)典型降雨過程。芝加哥雨型可由暴雨強(qiáng)度公式推導(dǎo)，獲得方便，可靠性較高。

此次規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨采用南昌市暴雨公式推求的120 min芝加哥法雨型20年一遇設(shè)計(jì)暴雨。采用南昌市暴雨強(qiáng)度公式：

式中：P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，取20年；t為降雨歷時(shí)，min，取120 min。

經(jīng)轉(zhuǎn)化，取雨峰相對(duì)位置r=0.4，可得安義縣20年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程線見圖2。

圖2 20年一遇設(shè)計(jì)暴雨過程線

2.2 河網(wǎng)設(shè)置

根據(jù)規(guī)劃，城南區(qū)緊靠北潦河，西高東低，魁星路和安塘路自西向東貫穿整個(gè)城南區(qū)。

區(qū)塊一以潦河大橋規(guī)劃排澇站為排水口，其匯水面積為4.33 km2，區(qū)塊二以現(xiàn)有余楊閘為排水口，其匯水面積為2.62 km2。排水口的排水能力與北潦河的洪水位息息相關(guān)。

區(qū)塊一排水口位于潦河大橋處，相應(yīng)20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為32.07 m，其現(xiàn)狀地面高程為30.10 m，洪水來臨時(shí)，該排水口無法自排，需設(shè)置水泵。區(qū)塊二排水口所在的余揚(yáng)村，相應(yīng)20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為31.71 m，其現(xiàn)狀地面高程為28.10 m，洪水來臨時(shí)，該排水口亦無法自排，需設(shè)置水泵。模型中，每個(gè)出水口設(shè)置一個(gè)泵站，每個(gè)泵站配套一個(gè)調(diào)蓄池。

河道按縱坡0.0001布置，河道內(nèi)坡1∶0.4，外坡1∶0.1，擋墻采用M7.5漿砌塊石結(jié)構(gòu)，護(hù)底為20 cm厚干砌塊石，壓頂為50 cm寬20 cm厚C20砼。兩個(gè)方案河網(wǎng)設(shè)置一樣，渠道長度一樣，最大深度都為2 m，因排水口設(shè)置的不同使得渠道寬度不一樣。

河網(wǎng)交叉處為鉸點(diǎn)，本次模型建立共有42個(gè)鉸點(diǎn)，本次規(guī)劃采用明渠排澇，故節(jié)點(diǎn)深度和渠道深度一致，為2 m。河網(wǎng)概化見圖3。

圖3 河網(wǎng)概化示意圖

2.3 子匯水區(qū)劃分

河網(wǎng)布置完成后，排洪渠道將城南區(qū)劃分成一個(gè)個(gè)小分塊，結(jié)合地形和匯水特點(diǎn)，將2個(gè)匯水區(qū)劃分成18個(gè)子匯水區(qū)，每一個(gè)子匯水區(qū)只有一個(gè)出水鉸點(diǎn)。

2.4 下墊面

分流制城市排澇規(guī)劃流量由雨水量、圩堤滲漏水量和蒸發(fā)量確定。潦河流域一次洪水過程一般為3天～7天，峰型與降水歷時(shí)、強(qiáng)度有關(guān)，上游河段洪水峰型一般較尖瘦，漲落快，洪峰持續(xù)時(shí)間短，單峰居多，中下游河段，峰型稍胖，多呈現(xiàn)為復(fù)峰［3］，一次洪水總量主要集中在3天之內(nèi)。因此圩堤滲漏水量所占比重很小，本次排澇流量計(jì)算不作考慮。城市排澇著重研究短歷時(shí)暴雨，河道雨水蒸發(fā)量較小，本次排澇計(jì)算不考慮該項(xiàng)損失，如此計(jì)算結(jié)果是偏安全的。

本次排澇計(jì)算根據(jù)控制性規(guī)劃中土地利用狀況來確定下墊面：（1）規(guī)劃的道路和房屋建設(shè)用地，視為不透水區(qū)域；（2）規(guī)劃的街頭綠地、防護(hù)綠地、林地、公園、園林生產(chǎn)用地、和園地，視為透水區(qū)域；（3）規(guī)劃的備用地，偏安全考慮，視為不透水區(qū)域。

透水區(qū)域下滲模型采用Green-Ampt模型，根據(jù)安義以往工程經(jīng)驗(yàn)，其土壤屬于砂質(zhì)粘壤土，其吸入水頭取220 mm，飽和導(dǎo)水率取1.524 mm/h，初始干燥土壤的容積分?jǐn)?shù)取0.154。

3 模型計(jì)算成果

SWMM軟件模擬降雨/徑流過程，采用動(dòng)力波模型進(jìn)行流量演算，模擬時(shí)間72 h，時(shí)間步長為5 s。

3.1 子匯水面積徑流成果

經(jīng)計(jì)算，各子匯水區(qū)徑流系數(shù)見表1。

表1 子匯水區(qū)統(tǒng)計(jì)表

城南區(qū)排澇規(guī)劃計(jì)算的加權(quán)平均徑流系數(shù)為0.874，稍微超出參考表數(shù)值，主要是因?yàn)閆17和Z18在原規(guī)劃中為備用地，而模型計(jì)算中將其認(rèn)為是建筑用地（不透水），使得城南區(qū)建筑面積所占比重較大，從而導(dǎo)致徑流系數(shù)稍微偏大，現(xiàn)階段河網(wǎng)規(guī)劃如此考慮偏安全，可認(rèn)為下墊面確定是合理的。

3.2 管渠計(jì)算成果

模擬計(jì)算，可得到管渠的最大流量以及發(fā)生時(shí)間、最大流速等數(shù)據(jù)，以GQ8為例，結(jié)果見表2。

表2 管渠計(jì)算成果表

3.3 鉸點(diǎn)計(jì)算成果

計(jì)算后，可得到各鉸點(diǎn)的平均深度、最大深度以及發(fā)生時(shí)間等數(shù)據(jù)，以鉸點(diǎn)J6為例，結(jié)果見表3。

表3 鉸點(diǎn)計(jì)算成果表

從模擬結(jié)果來看，該節(jié)點(diǎn)處未發(fā)生洪流，且最大深度為1.5 m，渠道超高0.3 m，與建模數(shù)據(jù)基本吻合。

3.4 水泵計(jì)算成果

區(qū)塊一排水口位于潦河大橋，該處需新建排澇站，區(qū)塊二排水口即現(xiàn)有余楊閘，余楊閘現(xiàn)狀為自排閘，底高程為25.60 m，暴雨時(shí)自排能力較弱，需配套泵站。在GQ23和GQ25中各設(shè)置一座攔水堰，堰高0.4 m，以提高區(qū)塊一河道中水位，在GQ27和GQ30中各設(shè)置一座攔水堰，堰高1.5 m，以確保區(qū)塊一的澇水通過潦河大橋排澇站排出。

模型計(jì)算中，每個(gè)水池配套一個(gè)調(diào)蓄水池，蓄水池面積900 m2，深度2.5 m，水泵開啟深度定為1.8 m，關(guān)閉深度定為1.5 m，經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)排澇站水泵計(jì)算數(shù)據(jù)匯總見表4。

表4 水泵計(jì)算成果表

3.5 模型計(jì)算連續(xù)性誤差統(tǒng)計(jì)

模型計(jì)算不可避免會(huì)產(chǎn)生一些誤差。這些誤差代表了整個(gè)排水系統(tǒng)的初始蓄水+總進(jìn)流量和最終蓄水+總出流量之間的百分比偏差。如果誤差超過了合理水平，比如10%，則分析結(jié)果的合理性是不準(zhǔn)確的［4］。過分連續(xù)性誤差的最常見原因是計(jì)算時(shí)間步長太長，或者管渠太短。此次計(jì)算徑流量連續(xù)性誤差統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 徑流量連續(xù)性誤差統(tǒng)計(jì)表

表6 流量演算連續(xù)性誤差統(tǒng)計(jì)表

該模型計(jì)算連續(xù)性誤差均不超過1%，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是合理的。

4 結(jié)語

1）通過SWMM軟件對(duì)排澇區(qū)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬，可以明確知道河網(wǎng)內(nèi)每一條河道在不同時(shí)段的水深、流速、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，如有鉸點(diǎn)淹沒，可以得到淹沒時(shí)間，并可根據(jù)調(diào)整排澇工程的規(guī)模、尺寸、形式和排澇模式進(jìn)行調(diào)整，模擬結(jié)果直觀可視，能夠滿足排澇計(jì)算的要求。

2）經(jīng)計(jì)算連續(xù)性誤差，結(jié)合實(shí)際洪水，可調(diào)整模型精度，計(jì)算結(jié)果較為合理和準(zhǔn)確，具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。