李雄飛，田 甜，程香菊,2，尹小玲，宋 琢

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641； 2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510641； 3.廣州市市政工程機械施工有限公司，廣東 廣州 510010)

近年來我國大力發(fā)展城市地下綜合管廊，管廊的建設(shè)對改善城市交通狀況、提升城市總體形象、創(chuàng)造城市和諧生態(tài)環(huán)境及提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力均起到了積極推動作用[1-2]。針對多地爆發(fā)的洪澇災(zāi)害，習(xí)近平總書記、李克強總理多次對加快城市地下綜合管廊建設(shè)、補齊城市防洪排澇能力不足短板作出重要指示[3]。2016年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于提高城市排水防澇能力推進城市地下綜合管廊建設(shè)的通知》，2021年4月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強城市內(nèi)澇治理的實施意見》，均對城市排水防澇體系的完善提出了要求。因此將地下綜合管廊和排水防澇設(shè)施相結(jié)合以緩解城市洪澇災(zāi)害是十分必要和可行的[4]。

目前國內(nèi)外地下綜合管廊與排水防澇設(shè)施的結(jié)合主要采取雨水管渠入廊的工程措施。Canto-Perello等[5-6]對多種入廊管線存在的風險與危害進行了深入分析，指出排水系統(tǒng)的設(shè)計要考慮城市暴雨時的排水容量，地形、管廊內(nèi)的雨污水管道、地塊的利用價值都是影響管廊與高速路兼容性的因素。劉羽[7]建議雨水管采用單艙形式布置，在污水管直徑較小且周邊空間受限情況下可以采用雨污水管道共艙形式。曾慶紅[8]提出了地下綜合管廊與海綿城市相結(jié)合的污水零排放新型城市體系規(guī)劃建設(shè)方案，研究結(jié)果表明，大的城市管廊系統(tǒng)可截留雨水總量達百萬立方米。張國鐘[9]以福州東部新區(qū)福泉高速A標段三艙綜合管廊設(shè)計為例，分析了綜合管廊斷面布置、管道準入原則、雨水管廊設(shè)計方法和要點。邱壯等[10]結(jié)合已有工程案例，從雨水艙滯蓄雨水的角度出發(fā)，對雨水艙的斷面和入廊雨水的水質(zhì)、調(diào)蓄、回用等進行了研究。向帆等[11]以成都市某綜合管廊工程為例，分析了雨污水管道入廊后的排水可行性。張瑞峰[12]采用了理想中心點多目標決策理論，建立了排水管道入廊適宜性評價體系，明確了排水管道入廊方案的主要優(yōu)化方向。張韻等[13]認為可將海綿城市和綜合管廊進行有機融合，利用管廊本體設(shè)置雨水艙。從文獻資料可以看出，由于雨水排水管線一般按重力流排水系統(tǒng)設(shè)計，且管廊埋深和斷面尺寸較大導(dǎo)致工程投資較多，為了使雨水管渠有效減緩內(nèi)澇并節(jié)約投資成本，必須根據(jù)當?shù)氐臍庀蟆⑺牡刃畔?，對雨水管渠的尺寸進行優(yōu)化，分析綜合管廊雨水艙緩解當?shù)貎?nèi)澇的效果，為設(shè)計和施工部門提供定量數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文以廣州市楊梅河地下綜合管廊為例，采用暴雨洪水管理模型[14-15](storm water management model, SWMM)構(gòu)建不同工況水文模型，模擬不同設(shè)計降雨條件下楊梅河出口流量和典型內(nèi)澇點溢流量，以揭示綜合管廊雨水艙對研究區(qū)域防洪排澇的作用。

1 研究區(qū)概況

楊梅河研究區(qū)域位于廣州市天河區(qū)，面積15.83 km2，北至天麓湖公園南端，南至車陂路，西至凌塘村，東至風信路，屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，平均年降水量1 725 mm，雨量充沛，降雨多集中于4—9月，占全年降水量的81%。目前區(qū)域內(nèi)沒有水閘和泵站等排澇設(shè)施，排澇主要由市政管網(wǎng)和楊梅河承擔。該區(qū)域內(nèi)有4處易澇點(圖1)，分別為位于楊梅河上游的柯目塱南路口和高唐石科技園以及位于楊梅河下游的新塘實驗幼兒園和老虎佛村[16]。為了緩解區(qū)域內(nèi)澇以及分擔楊梅河下游洪水，計劃實施天河智慧城地下綜合管廊工程，在楊梅河下游(橫六路處)新增雨水單艙，接入高唐路綜合管廊(管廊橫斷面由三艙變四艙)，至高唐路綜合管廊末端，再轉(zhuǎn)變?yōu)橛晁畣闻?，最后匯入楊梅河。工程包括4個部分(圖1)：①G1段為雨水單艙，長度為 620 m；②G2段為高唐路段綜合管廊，長度為670 m，共有4艙，分別為電力艙、綜合艙、天然氣艙和雨水艙；③G3段長度為160 m，布設(shè)直徑為3 m的2根圓管；④G4段為雨水單艙，長度為750 m。

圖1 楊梅河區(qū)域概況和綜合管廊位置

2 研究方法

本文首先收集研究區(qū)地形地貌、管網(wǎng)、降雨等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于SWMM模型，構(gòu)建兩種不同工況水文模型，并對模型進行率定和驗證；通過改變雨水艙斷面尺寸、設(shè)置情景工況進行模擬預(yù)測，分析不同斷面雨水艙緩解區(qū)域內(nèi)澇的效果，獲得較優(yōu)斷面的雨水艙；再通過對比分析楊梅河出口流量和易澇點溢流量，探究綜合管廊雨水艙緩解區(qū)域內(nèi)澇的效果。

2.1 SWMM模型構(gòu)建

2.1.1研究區(qū)概化

研究區(qū)概化如圖2所示。根據(jù)高唐路綜合管廊及楊梅河實際情況劃定研究區(qū)范圍后，由區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀管網(wǎng)的CAD圖直接提取概化管網(wǎng)。概化后，市政管網(wǎng)目前包括節(jié)點132個、管道131條，管道斷面形狀為矩形或圓形，市政管網(wǎng)均排水至楊梅河。在模型中將楊梅河概化為明渠，概化后節(jié)點152個、河段數(shù)171條，斷面形狀為矩形、梯形或復(fù)合斷面。綜合管廊雨水艙概化后節(jié)點28個、管段數(shù)30條，斷面形狀為矩形或圓形。研究區(qū)排放口僅1個，為楊梅河出口。

圖2 研究區(qū)概化結(jié)果和實測降雨條件下溢流點分布模擬結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)包括未開發(fā)的森林用地和已開發(fā)的城市用地，因此子匯水區(qū)的劃分采用兩種方式：未開發(fā)區(qū)域采用ArcGIS中的水文分析工具劃分，已開發(fā)區(qū)域根據(jù)衛(wèi)星圖中的建筑物、交通道路分布和管網(wǎng)走向進行人工劃分。整個研究區(qū)共劃分出302個子匯水區(qū)，平均面積為0.052 km2，最大的子匯水區(qū)面積為0.4 km2。

2.1.2模型參數(shù)輸入

子匯水區(qū)的確定性參數(shù)，如面積、特征寬度、平均坡度、不透水率等通過ArcGIS獲取[17-18]；子匯水區(qū)的不確定性參數(shù)根據(jù)文獻[19]并參考鄰近地區(qū)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲取，具體取值如下：透水和不透水地表曼寧系數(shù)分別為0.6、0.013，透水和不透水地表洼蓄深度分別為6.5 mm、2.1 mm，不透水區(qū)無洼蓄的不透水面積占比為30%，最大、最小入滲率分別為 115.511 mm/h、1.725 mm/h，衰減系數(shù)為6.1 h-1，管道及雨水艙糙率為0.012，楊梅河的邊坡和底部糙率分別為0.03和0.015。管網(wǎng)水系的井底高程、管道起點和終點與井底的高程差、管道尺寸以及楊梅河斷面尺寸等，通過CAD管網(wǎng)資料確定。

2.1.3設(shè)計降雨推求

廣州市暴雨雨型70%是單峰型，均勻降雨很少，單峰降雨集中，容易造成洪澇危害[20]。目前常用的單峰雨型包括芝加哥雨型、Huff雨型、三角雨型等，其中芝加哥雨型模擬效果較好，一般能滿足精度要求，且比較容易確定雨強過程，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，因此本文采用該雨型作為設(shè)計雨型[21]。楊梅河長6.7 km，考慮到河道有一定的滯蓄作用[22]，降雨歷時取3 h，雨峰系數(shù)r取0.4[23]，采用廣州市中心城區(qū)區(qū)間暴雨強度公式，得到降雨重現(xiàn)期(P)為 2 a、5 a、10 a和20 a時楊梅河區(qū)域的設(shè)計降雨過程線，如圖3所示。

圖3 不同降雨重現(xiàn)期設(shè)計降雨過程線

2.2 SWMM模型驗證

采用廣州蘿崗國家氣象觀測站收集的2019年6月24日5:45—18:20的實測降雨資料對模型的適用性進行初步驗證。利用模型對實測降雨條件下的現(xiàn)狀排水系統(tǒng)溢流進行模擬分析，得到12:15—12:30實測峰值降水量下的模擬溢流點分布(圖2)，溢流點主要分布在柯目塱南路口、高唐石科技園、新塘實驗幼兒園和老虎佛村等4處。由于缺乏排水系統(tǒng)流量和水位的實測數(shù)據(jù)，參考楊梅河區(qū)域內(nèi)澇調(diào)研資料[16，24]發(fā)現(xiàn)，模擬的溢流集中在實際的4處易澇點，表明模型模擬結(jié)果與實際情況相符，可用于研究區(qū)在不同降雨重現(xiàn)期下的防洪排澇效果評估。

3 雨水艙斷面優(yōu)化分析

基于上述已率定和驗證的現(xiàn)狀排水系統(tǒng)水文模型(簡稱XZ)，根據(jù)圖1綜合管廊工程的設(shè)計方案，增加雨水艙，構(gòu)建現(xiàn)狀排水系統(tǒng)和雨水艙相結(jié)合的水文模型(簡稱GL)，在4個降雨重現(xiàn)期(2 a、5 a、10 a 和20 a)下，改變雨水艙斷面尺寸，評估不同斷面雨水艙緩解區(qū)域內(nèi)澇的效果，從而獲得較優(yōu)斷面的雨水艙?？紤]到綜合管廊結(jié)構(gòu)因素，保持雨水艙斷面高度3.3 m不變，寬度設(shè)計為2～6 m，并以 0.4 m為間距改變。

3.1 研究區(qū)總溢流量分析

圖4給出不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)總溢流量與雨水艙斷面寬度的關(guān)系。由圖4可知，隨著雨水艙斷面寬度增大，研究區(qū)總溢流量逐步減小。斷面寬度以0.4 m間距從2 m增至4 m時，在重現(xiàn)期分別為2 a、5 a、10 a和20 a降雨條件下，總溢流量通過不同斷面削減的平均削減率分別為13.8%、11.0%、9.8%和8.7%；斷面寬度以0.4 m間距從4 m增至 6 m 時，總溢流量變化趨于平緩，在重現(xiàn)期分別為 2 a、5 a、10 a和20 a降雨條件下，總溢流量通過不同斷面削減的平均削減率分別為4.3%、3.0%、2.6%和2.1%。以上分析表明斷面寬度擴大至4 m時，雨水艙對研究區(qū)內(nèi)澇的緩解效果基本已達上限。

圖4 不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)總溢流量與雨水艙斷面寬度的關(guān)系

3.2 典型易澇區(qū)溢流量分析

圖5給出不同降雨重現(xiàn)期下典型易澇點新塘實驗幼兒園和老虎佛村溢流量與雨水艙斷面寬度的關(guān)系。由圖5可知，隨著雨水艙斷面寬度增大，兩處易澇點的溢流量均逐步減小。雨水艙斷面寬度以 0.4 m 間距從2 m增至6 m時，在重現(xiàn)期分別為2 a、5 a、10 a和20 a降雨條件下，新塘實驗幼兒園周邊溢流量通過不同斷面削減的平均削減率為26%～40%，老虎佛村溢流量平均削減率分別為3.7%、3.0%、2.4%和2.5%。由于新塘實驗幼兒園位置離管廊較近，其溢流量下降趨勢更明顯，雨水艙斷面寬度的改變對幼兒園周邊溢流量的影響更大。

綜上所述，隨著雨水艙斷面寬度增大，研究區(qū)總溢流量及兩處典型內(nèi)澇點的溢流量均逐步減小。當斷面寬度增大至4 m后，總溢流量變化趨于平緩，此時雨水艙對研究區(qū)內(nèi)澇的緩解效果基本已達上限；斷面寬度變化對老虎佛村內(nèi)澇影響不大，對新塘實驗幼兒園周邊內(nèi)澇影響顯著。考慮到工程投資及用地范圍的限制，雨水艙較優(yōu)斷面設(shè)計為寬4 m、高3.3 m。

(a) 新塘實驗幼兒園

(b) 老虎佛村

4 防洪排澇效果分析

4.1 楊梅河出口流量分析

選取研究區(qū)排放口即楊梅河出口進行流量過程分析，可較好地反映綜合管廊雨水艙的防洪排澇效果。圖6是重現(xiàn)期分別為2 a、5 a、10 a和20 a降雨條件下楊梅河出口降雨和徑流過程。由圖6可知，模型GL的峰值流量大于模型XZ，這是由于雨水艙作為分洪通道，可使楊梅河上游來水以及下游兩岸的地表徑流更順暢地排至楊梅河出口，導(dǎo)致研究區(qū)溢流量減少以及出口峰值流量增加。在重現(xiàn)期分別2 a、5 a、10 a和20 a降雨條件下，與模型XZ相比，模型GL的峰值流量依次增加41.0%、39.8%、28.8%和25.2%，表明峰值流量變化率逐步減小。從P=10 a向P=20 a過渡時，峰值流量變化不明顯，且楊梅河未出現(xiàn)過流超載的情況，說明管網(wǎng)以及雨水艙的過流承載力有限；在P=20 a時，系統(tǒng)排水能力達到上限，楊梅河出口達到最大出流能力。由圖6還可看出降雨停止后，相比模型GL，模型XZ的流量更大，主要原因是此時管網(wǎng)排水能力恢復(fù)，部分地表溢流逐漸流向管網(wǎng)并排至楊梅河出口。

(a) P=2 a

(b) P=5 a

(c) P=10 a

(d) P=20 a

表1 不同降雨重現(xiàn)期下典型內(nèi)澇點溢流量及其削減率

4.2 溢流量削減效果分析

選取圖1中4處易澇點作為典型內(nèi)澇點進行分析，統(tǒng)計不同工況下典型內(nèi)澇點的溢流量，并分析模型GL與模型XZ相比溢流量減少的程度，如表1所示。從表1可知，在P=2 a、5 a、10 a和20 a時，綜合管廊雨水艙使新塘實驗幼兒園周邊的溢流量依次削減了90.5%、85.9%、85.8%和83.7%，均值為86.5%，使老虎佛村的溢流量依次削減了43.0%、42.8%、42.0%和40.9%，均值為42.2%，表明綜合管廊雨水艙可緩解楊梅河下游內(nèi)澇，且對新塘實驗幼兒園周邊溢流量的削減效果更佳?？履繅i南路口和高唐石科技園溢流量平均削減率分別為1.8%和0.5%，表明綜合管廊雨水艙對上游兩處內(nèi)澇點的溢流基本不起作用。隨著降雨重現(xiàn)期增加，各內(nèi)澇點溢流量削減率逐漸減小，表明雨水艙在低降雨重現(xiàn)期下對溢流量的削減效果更佳。雨水艙承擔楊梅河洪水分流的任務(wù)，新塘實驗幼兒園和老虎佛村均位于分流節(jié)點的下游，其中新塘實驗幼兒園處的管網(wǎng)節(jié)點距離分流節(jié)點約0.7 km，僅接收周圍的地表徑流，而老虎佛村距離分流節(jié)點約1.6 km，且與之相關(guān)的管網(wǎng)數(shù)量較多，因此老虎佛村的溢流受雨水艙影響相對較小?？履繅i南路口和高唐石科技園位于分流節(jié)點上游3.2 km處，周邊管道直徑偏小且管道維護力度不足[16]，兩處的溢流受周邊管網(wǎng)影響較大，基本不受雨水艙的影響。

5 結(jié) 論

a.構(gòu)建了楊梅河區(qū)域現(xiàn)狀排水系統(tǒng)和現(xiàn)狀排水系統(tǒng)結(jié)合雨水艙兩種工況的SWMM模型，在實測降雨條件下，對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的模擬結(jié)果與實際情況相符，說明模型可用于研究區(qū)不同降雨重現(xiàn)期下、不同工況的防洪排澇效果評估。

b.保持雨水艙斷面高度3.3 m不變，當斷面寬度增大至4 m后，研究區(qū)總溢流量變化趨于平緩，此時雨水艙對研究區(qū)內(nèi)澇的緩解效果基本已達上限。受工程投資及用地范圍的限制，雨水艙較優(yōu)斷面設(shè)計為寬4 m、高3.3 m。

c.綜合管廊雨水艙增大了楊梅河出口峰值流量，在P=20 a降雨條件下，楊梅河出口達到最大出流能力；綜合管廊雨水艙可緩解楊梅河下游內(nèi)澇，下游典型內(nèi)澇點新塘實驗幼兒園和老虎佛村溢流量平均削減率分別約86.5%和42.2%，表明雨水艙對新塘實驗幼兒園易澇點溢流量的削減效果更佳；雨水艙對上游典型內(nèi)澇點溢流量的削減基本不起作用。