陳春宇

（宿遷市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展,城市建設(shè)水平和建設(shè)能力也得到了長足進(jìn)步。隨著城市化進(jìn)程不斷加快,排澇難、水體水質(zhì)惡化等問題日益顯現(xiàn)[1]。宿遷建市以來,城區(qū)飛速發(fā)展,但在發(fā)展的同時忽略了防洪排澇體系的完善,部分河溝被填平,水系溝通不暢；少數(shù)排水工程規(guī)模偏小,自排能力不強(qiáng)；河湖水體縮減,調(diào)蓄能力下降[2]。這也導(dǎo)致了長期以來,一旦發(fā)生暴雨,宿遷城區(qū)部分區(qū)域雨水難以及時排除,常出現(xiàn)不同程度的積水現(xiàn)象。因此,宿遷城區(qū)試點區(qū)域通過海綿城市建設(shè),恢復(fù)試點區(qū)水生態(tài),增強(qiáng)雨水資源滯蓄能力和防洪排澇能力。

本文針對現(xiàn)代城市常見的內(nèi)澇問題,通過SWMM 模型模擬宿遷市海綿城市試點區(qū)的產(chǎn)匯流機(jī)制,利用建立的模型計算不同重現(xiàn)期暴雨下試點區(qū)管網(wǎng)暢通能力和內(nèi)澇防治能力,復(fù)核試點區(qū)防洪排澇能力,并根據(jù)結(jié)果提出相應(yīng)措施。

1 區(qū)域概況

宿遷市位于江蘇省西北部,總面積8555 km2,下轄宿城區(qū)、宿豫區(qū)、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五大縣區(qū)及洋河新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、湖濱新區(qū)、蘇宿工業(yè)園區(qū)四個功能區(qū)。宿遷境內(nèi)地貌類型分為丘陵、崗地與平原三類,地勢西北高、東南低,最高點位于嶂山林場附近的峰山頂,高程為71.20 m（國家85 高程,下同）；最低處位于關(guān)廟東南袁王蕩,高程為8.80 m。古黃河普遍高出兩側(cè)2 m～5 m,成為次一級分水嶺。宿遷市海綿城市試點區(qū)主要位于老城區(qū),東至京杭大運河、西至發(fā)展大道及黃河故道、南至北京路、北至京杭大運河,總面積13.12 km2。

宿遷地處暖濕帶南部邊緣,冬季受北方高原南下的寒流侵襲,以寒冷、少雨天氣為主；夏季受到來自海洋的東南季風(fēng)控制,天氣炎熱多雨；春秋兩季處于南北季風(fēng)交替更換期,形成四季分明,差異明顯,干、濕、冷、暖天氣多變的氣候特征。多年平均降雨量為915.4 mm,年際間差異較大,最大年降水量為1396.0 mm,最小年降水量為531.9 mm。年內(nèi)降雨主要集中在汛期,占全年降雨的68%,多年平均蒸發(fā)量972.0 mm。

2 防洪排澇模型建立與率定

2.1 匯水區(qū)劃分

2.1.1 產(chǎn)流區(qū)域匯水區(qū)劃分

由于城區(qū)下墊面情況和排水條件不同于天然流域,需根據(jù)產(chǎn)流區(qū)域不同的條件劃分成匯水區(qū)單元,以此模擬下墊面的不確定性。匯水區(qū)劃分需遵循以下原則：

（1）明確研究范圍和研究內(nèi)容。根據(jù)不同的研究尺度和研究目的,結(jié)合產(chǎn)流區(qū)域的實際條件,靈活確定匯水區(qū)劃分的單元大小。

（2）尊重研究區(qū)域真實的排水情況。劃分匯水區(qū)時要考慮水流的真實情況,在重力的作用下以最短的路徑向低洼處匯集。

（3）嚴(yán)格遵循“高水高排、低水低排”的規(guī)律,每個匯水區(qū)單元內(nèi)匯水條件要基本一致。

（4）嚴(yán)格依據(jù)城區(qū)真實情況調(diào)整理論匯水區(qū)。由于城區(qū)下墊面條件和匯水通道不同于自然流域,要統(tǒng)籌考慮高程數(shù)據(jù)、管網(wǎng)、道路等實際情況,提高城區(qū)產(chǎn)匯流模擬的精度。

本文采用DEM 空間分析與人工劃分相結(jié)合的方式,既遵循產(chǎn)流基本原理,又考慮城區(qū)排水管網(wǎng)的影響,合理地將研究區(qū)域劃分成不同的匯水區(qū)。

首先將DEM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCGIS 分析軟件,利用軟件的流向分析、流域劃分工具,將宿遷城區(qū)自然流域提取出來,得到878 個排水分區(qū)。再結(jié)合宿遷城區(qū)管網(wǎng)分布圖生成泰森多邊形,經(jīng)過人工修正,將排水分區(qū)又細(xì)分成2430 個匯水區(qū),劃分成果見圖1。

圖1 宿遷市海綿城市試點區(qū)匯水區(qū)劃分成果圖

2.1.2 受納水體劃分

根據(jù)試點區(qū)水系分布和管網(wǎng)情況,將排水分區(qū)按照去向進(jìn)行分類,其中排入古黃河排水分區(qū)共43 個,總面積為674825.38 m2,排入馬陵河的排水分區(qū)共114 個,總面積為1676441.15 m2,排入中運河的排水分區(qū)共17 個,總面積為175107.99 m2,入截流井的排水分區(qū)共144 個,總面積為1578754.72 m2,進(jìn)入污水廠的排水分區(qū)共34 個,總面積為448517.44 m2,散排入河的排水分區(qū)共526 個,總面積為7480205.53 m2,各類排水分區(qū)分布情況如見圖2 。

2.1.3 管網(wǎng)系統(tǒng)匯流模擬

管網(wǎng)系統(tǒng)包括檢查井、管道、截流井、調(diào)蓄池、泵站等工程設(shè)施,需將各種設(shè)施的高程、尺寸、規(guī)模等數(shù)據(jù)輸入SWMM 模型。建模時,將集水區(qū)成果與管網(wǎng)系統(tǒng)文件鏈接。模型中管網(wǎng)系統(tǒng)涉及的參數(shù)為管道的粗糙系數(shù),由于管道材質(zhì)為HDPE 和混凝土,因此粗糙系數(shù)設(shè)定為0.015。

2.2 匯水區(qū)產(chǎn)匯流參數(shù)

將匯水區(qū)結(jié)果導(dǎo)入SWMM,模型中匯水區(qū)參數(shù)有面積、平均坡度、匯流寬度、不透水率、不透水地表粗糙系數(shù)、透水地表粗糙系數(shù)、不透水地表洼蓄深度、透水地表洼蓄深度,并且需確定滲透參數(shù)和運算滲透的方法。其中匯流寬度、不透水地表粗糙系數(shù)、透水地表粗糙系數(shù)、不透水地表洼蓄深度、透水地表洼蓄深度需要經(jīng)過率定確定。本文采用Green-Ampt 法計算滲透,此方法涉及的參數(shù)為土壤的水力傳導(dǎo)系數(shù)和張力水頭。參數(shù)初值的確定參照表1。

表1 匯水區(qū)參數(shù)初值取定

3 模型率定

根據(jù)產(chǎn)匯流理論和試點區(qū)實際情況建立了SWMM 模型后,為提高模型準(zhǔn)確性、增強(qiáng)分析結(jié)果的可靠性,需進(jìn)行參數(shù)率定。根據(jù)SWMM 模型的靈敏度分析可知,本模型敏感參數(shù)有匯流寬度（Width）、不透水區(qū)曼寧系數(shù)（N-imperv）、不透水區(qū)洼地蓄水深度（Des-imperv）。

3.1 模型率定方法

綜合考慮數(shù)據(jù)的合理性,水文數(shù)據(jù)與降雨數(shù)據(jù)的匹配性,數(shù)據(jù)的完整性,以及率定后的代表性,預(yù)定流量監(jiān)測排口為鐘吾中學(xué)、馬陵中學(xué)、幸福學(xué)府、鐘吾路。將模型計算結(jié)果與預(yù)定排口的實測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、擬合,確定SWMM 模型的參數(shù)見表2。

表2 不同流量監(jiān)測排口對應(yīng)的匯水區(qū)特征值

3.2 模型率定結(jié)果

模型計算結(jié)果與實測流量數(shù)據(jù)結(jié)果見圖3。參數(shù)率定結(jié)果為：匯流寬度約為匯水區(qū)面積平方根的2 倍,不透水區(qū)曼寧系數(shù)約為0.035,透水區(qū)曼寧系數(shù)約為0.4,不透水區(qū)洼地蓄水深度約2 mm,透水區(qū)洼地蓄水深度約10 mm。

圖3 模型率定成果圖

4 試點區(qū)防洪排澇能力復(fù)核分析

4.1 管網(wǎng)暢通能力復(fù)核

4.1.1 復(fù)核計算方法

（1）設(shè)計暴雨計算

采用K-C 法統(tǒng)計雨型計算設(shè)計暴雨,K-C 法暴雨強(qiáng)度公式如下：

式中：i峰前、i峰后分別為雨峰前、雨峰后的暴雨強(qiáng)度,mm/min；t1、t2分別為峰前、峰后歷時,min；r 為雨峰位置系數(shù)；A、b、c、n 均為公式參數(shù)。

（2）模型計算

本文中管網(wǎng)暢通能力通過統(tǒng)計暴雨過程中管道充滿度來體現(xiàn)。本文計算1 年一遇、2 年一遇、3 年一遇、5 年一遇120 min 暴雨下,統(tǒng)計能夠容納雨水的分布和長度。

4.1.2 復(fù)核計算結(jié)果

宿遷地區(qū)歷時不超過180 min 的暴雨公式參數(shù)為：A=61.25、b=39.4、c=1.05、n=0.996、r=0.404,計算得到不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨見表3。

表3 試點區(qū)120 min 設(shè)計暴雨成果表

經(jīng)計算,試點區(qū)有42.18%的管網(wǎng)排水能力滿足5 年一遇的降雨,有44.50%的管道排水能力滿足3 年一遇,有47.83%的管網(wǎng)排水能力滿足2 年一遇的降雨,有53.98%的管網(wǎng)其排水能力滿足1 年一遇的降雨見表4。

表4 管網(wǎng)排水能力分析成果表

4.2 內(nèi)澇防治能力復(fù)核

試點區(qū)屬于宿遷主城區(qū),管網(wǎng)系統(tǒng)較為完善。但該區(qū)域地面高程偏低,在降雨期間,澇水難以自排進(jìn)入受納水體。某些河道在高水位時甚至?xí)a(chǎn)生倒灌,加劇澇水影響。

4.2.1 復(fù)核計算方法

（1）設(shè)計暴雨計算

通過K-C 法暴雨強(qiáng)度公式計算試點區(qū)20 年一遇、30 年一遇、50 年一遇、100 年一遇最大24 h 暴雨,作為為SWMM模型分析試點區(qū)內(nèi)澇防治能力的設(shè)計暴雨。

（2）模型計算

將匯水區(qū)GIS 高程數(shù)據(jù)（分辨率為25 m）輸入模型,使用PCSWMM 內(nèi)置工具生成二維網(wǎng)格,自動計算出不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨下試點區(qū)的淹沒情況。

4.2.2 復(fù)核計算結(jié)果

宿遷地區(qū)歷時1440 min 的K-C 法公式參數(shù)為：A=32.55、b=31.985、c=1.165、n=0.885、r=0.75,計算得到不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨見表5。

表5 試點區(qū)設(shè)計暴雨成果表

經(jīng)過模型計算分析,模擬內(nèi)澇結(jié)果見表6。根據(jù)計算結(jié)果分析,試點區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險點共有10 處,主要分布在古黃河沿岸、中運河南側(cè)及試點區(qū)南側(cè)。造成內(nèi)澇的原因大多是由于老城區(qū)地勢的局部低洼,使得徑流無法快速排出,造成局部地區(qū)積淹水,如中運河南岸積水點；另一部分原因是雨水就近排入附近湖泊,如雪楓公園內(nèi)湖泊及項王故里景區(qū)內(nèi)湖泊等；其余各風(fēng)險點與歷史積水點位置基本一致。

表6 試點區(qū)不同重現(xiàn)期模擬內(nèi)澇結(jié)果統(tǒng)計

5 試點區(qū)防洪排澇能力提升措施

經(jīng)分析計算可知,宿遷市海綿城市試點區(qū)范圍內(nèi)防洪排澇能力尚不滿足城市建設(shè)的要求,主要原因在于：

（1）試點區(qū)管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不足。經(jīng)模型計算分析,達(dá)到5 年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)占比達(dá)到42.18%,但仍有近半數(shù)的管網(wǎng)不足1 年一遇標(biāo)準(zhǔn),這也直接導(dǎo)致試點區(qū)范圍內(nèi)存在多個內(nèi)澇風(fēng)險點。

（2）外排出路不暢。根據(jù)采集的DEM 數(shù)據(jù)分析可知,試點區(qū)地勢較低,發(fā)生降雨時,有部分區(qū)域甚至低于河道水位,導(dǎo)致澇水自排不暢,只能通過排澇泵站強(qiáng)排。

針對上述兩方面原因,可采取以下措施提升試點區(qū)防洪排澇能力：

（1）雨水就近分散排入排澇河道。依據(jù)地形和管網(wǎng)分布,將城區(qū)劃分成若干排水區(qū),治理排澇河道、實行雨污分流,使雨水及時就近分散排放,不僅可以盡快減輕地面積水,還可以利用河道調(diào)蓄作用削低骨干河道洪峰,減少外排阻力。

（2）保障泵站抽排能力。目前,宿遷中心城區(qū)已有27 座排澇泵站,抽排能力達(dá)到84.59 m3/s。泵站管理單位和水利部門應(yīng)加強(qiáng)泵站運行管理,尤其是汛期運維,保障城區(qū)澇水出路。若抽排能力不足,需進(jìn)行論證研究,調(diào)整工程運行管理,必要時增設(shè)泵站。

（3）雨水管網(wǎng)提標(biāo)改造。本文通過模型分析得到試點區(qū)管網(wǎng)排水能力及分布,為雨水管網(wǎng)的提升完善奠定了一定的基礎(chǔ)。在必要時可針對內(nèi)澇風(fēng)險點進(jìn)行雨水管網(wǎng)提標(biāo)改造工程,保障澇水能及時排除。

6 結(jié)語

本文研究了宿遷市海綿城市試點區(qū)防洪排澇能力。通過GIS 軟件和DEM 數(shù)據(jù)完成了排水分區(qū)和匯水區(qū)的劃分,作為SWMM 模型的輸入條件。再通過率定分析確定了模型參數(shù)。利用模型計算了不同重現(xiàn)期暴雨下,試點區(qū)管網(wǎng)暢通能力和內(nèi)澇防治能力,發(fā)現(xiàn)了試點區(qū)防洪排澇能力的不足之處。提出雨水就近分散排入排澇河道、保障泵站抽排能力、雨水管網(wǎng)提標(biāo)改造三條措施,為宿遷市將來的海綿城市建設(shè)提供了方向,同時側(cè)面反映了防洪排澇能力在城市建設(shè)中的重要地位,引發(fā)各界對城市防洪排澇體系的重視和思考。