譚雨欣,吳端煒

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430000)

隨著全球氣候變暖趨勢的逐漸加劇,城市極端暴雨頻發(fā),加之地面硬化程度不斷提高,老舊排水管網設計標準偏低,城市內部徑流蓄排不平衡,內澇災害頻發(fā)[1-4]。其中沿海城市更具特殊性,除受臺風暴雨的影響外還會受到潮位頂托的影響,使其更易發(fā)生城市內澇[5-6]。近年來,基于數值模擬的各類水文、水力模擬軟件(如英國的InfoWorks ICM、丹麥的MIKE、美國的SWMM)在國內外得到廣泛研究和使用[7-10]。MIKE模擬軟件具有運算速度快、結果清晰直觀的特點,將其應用于城市內澇模擬可有效計算內澇點的積水深度和積水時間,并可以進一步分析城市內澇成因,從而進行針對性改造[11-14]。欒震宇等[15]采用MIKE系列軟件對湖南省新化縣的部分區(qū)域進行模擬,發(fā)現模型擬合效果較好,研究區(qū)域的積水原因主要是排水管網過流量不足。張旭兆等[16]基于MIKE URBAN對廣州市東濠涌片區(qū)進行了內澇模擬及成因分析,結果表明,河水頂托及湖泊調蓄對片區(qū)內澇的影響較小,管網排水能力不足影響較大。

本文以惠州市大亞灣澳頭圓盤作為研究對象,采用MIKE系列軟件建立了降雨徑流模型、一維管網水動力模型和二維地表漫流模型,并對研究區(qū)域進行降雨產匯流、管網排水及城市內澇模擬,最后根據內澇模擬結果從市政角度提出排澇改造方案,本研究對沿海城市的內澇風險評估及排澇措施的升級改造具有一定的參考和指導意義。

1 工程概況

工程位于廣東省惠州市大亞灣經濟技術開發(fā)區(qū)南海沿岸,北臨淡澳河、南至澳頭灣、西至沿海高速、東至進港路,澳頭圓盤位于中興中路、安惠大道、新澳大道和北澳大道交叉路口正中央,總面積2.05 km2。研究區(qū)域地形四周高、中間低,新澳大道六街路口處最低,僅1.88 m,是內澇頻發(fā)點。該區(qū)域位于感潮河網內,北側外江淡澳分洪河距入海口僅2.4 km,受潮汐影響較大,一般影響河道洪水下泄的高潮時段為6～8 h。內江媽廟河是淡澳河的一級支流,于澳頭圓盤北側依次流經媽廟派出所、濱海小區(qū)和澳頭街道,其上有龍尾山水庫和牛橋水庫,雨季時水庫水泄流至媽廟河,最終匯入淡澳河,區(qū)域位置見圖1。

圖1 區(qū)域位置

2 模型構建

2.1 構建步驟

內澇模擬包含模型概化、參數設置、運行模擬3部分,采用MIKE ZERO、MIKE URBAN、ArcGIS、MIKE FLOOD分別建立降雨時間序列、一維管網水動力模型、DEM數字高程模型和二維地表漫流模型,最后將降雨時間序列導入基礎模型以進行內澇模擬。

2.2 降雨時間序列

2.2.1短歷時降雨

短歷時降雨速度快、強度高,可用于管網排水能力的評估。采用芝加哥雨型直接生成5 min間隔的1、2、3、5年一遇2 h降雨,根據《大亞灣區(qū)城市內澇治理系統(tǒng)化實施方案(2021年)》,大亞灣雨峰系數取0.4,1、2、3、5年一遇2 h降雨的降雨總量分別為74.5、84.3、90.1、97.3 mm,降雨峰值分別為3.21、3.63、3.88、4.19 mm/min?；葜菔斜┯陱姸劝词?1)計算:

q=1877.373(1+0.438lgP)/(t+8.131)0.598

(1)

式中q——暴雨強度,L/(s·hm2);P——設計重現期,a;t——降雨歷時,min。

惠州市1～5年一遇2 h降雨過程線見圖2。

圖2 1～5年一遇2 h降雨過程線

2.2.2長歷時降雨

根據GB 50014—2021《室外排水設計標準》,澳頭老城區(qū)屬于小城市,內澇重現期標準為20～30 a,本次取20 a。設計長歷時降雨按照《廣東省暴雨參數等值線圖(2003年)》和《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊(1991年)》采用綜合單位線法進行計算,集雨分區(qū)為粵東沿海,設計暴雨定點定面關系為暴雨高區(qū),產流分區(qū)為粵東沿海、珠江三角洲,廣東省綜合單位線滯時m1-θ為A線,綜合單位線無因次單位線ui-xi為Ⅱ號線。媽廟河流域暴雨參數查測成果見表1,20年一遇24 h設計降雨過程線見圖3。

表1 媽廟河流域暴雨參數查測成果

圖3 20年一遇24 h設計降雨過程線

2.3 一維管網水動力模型

2.3.1排水管網及排水分區(qū)

根據澳頭地形及管網排水方向將澳頭老城區(qū)劃分為4個雨水分區(qū),本次內澇模擬區(qū)域位于媽廟河南排水分區(qū)。澳頭圓盤區(qū)內現狀排水體制為合流制,雨水經管道收集后由四周向中心分別排至新澳大道(2.5 m×1.5 m、1.2 m×1.5 m、1.2 m×1.2 m、2.0 m×1.2 m)、北澳大道(1.30 m×1.45 m、0.8 m×0.8 m)、中興中路(2.5 m×1.5 m、1.2 m×1.5 m)和安惠大道(1.1 m×1.2 m、4.0 m×1.7 m,d1000)的合流箱涵及管道,最終經中興中路主箱涵匯集后自排至媽廟河。

在MIKE URBAN中導入管網物探信息,剔除管徑小于d500的管道并進行拓撲連接檢查。以檢查井為節(jié)點,采用泰森多邊形法對匯水區(qū)進行劃分,并將匯水區(qū)與檢查井節(jié)點相互連接,現狀排水管網及匯水分區(qū)見圖4。

2.3.2邊界水位

圓盤區(qū)域的管網排口僅有2個,均位于媽廟河,受河水頂托和上游水庫泄流的影響較大,排口處20年一遇最高河道水位為3.15 m,最高水位高于圓盤最低點1.27 m,水位過程線見圖5。

圖5 排口處河道水位過程線

2.3.3參數設置

a)產流參數。采用T-A(時間-面積曲線法)進行產匯流計算,產流參數需設置各類用地類型的不透水率、初損、匯流速度和水力削減因子共4個參數。①不透水率:將城市下墊面按照用地性質分為居住用地、工業(yè)倉儲用地、商業(yè)用地、公共管理與服務用地、道路、綠地和水系,不透水率取值參考GB 50014—2021《室外排水設計標準》中的徑流系數,分別取70%、75%、80%、65%、80%、15%、0%,匯水區(qū)不透水率按照各類用地面積加權平均的方式近似計算。②初損:降雨初期的洼地填充和土壤濕潤損失,由于初損值很小,對管網評估及內澇模擬結果的影響也很小,為了簡化計算,本次模擬初損值取0。③匯流速度:用于計算匯水區(qū)最遠點的匯流時間,由于研究區(qū)域屬于平原地區(qū),地勢較為平坦,匯流速度統(tǒng)一設置為0.3 m/s。④水力削減因子:主要是由蒸發(fā)等原因造成的損失,本次模擬最長歷時24 h,蒸發(fā)的影響很小,故不考慮該因素的影響。

b)匯流參數。采用系統(tǒng)內置的3條T-A曲線進行計算,3條曲線分別代表不同的匯水區(qū)形狀(矩形、倒三角形、正三角形),并且描述了3種不同的徑流過程(隨匯流時間不變、增加、減少)。

c)管網參數。設置檢查井局損系數為0.25,直徑為0.7 m,管道粗糙系數為0.013,為使模型計算穩(wěn)定,設置模擬步長為1 s,模擬引擎為MIKE 1D。

2.4 二維地表漫流模型

在1∶1 000地形圖上提取圓盤區(qū)域高程點導入ArcGIS,通過反距離平方法構建數字高程模型(DEM模型),再由Raster轉為ASCLL碼,并通過MIKE ZERO轉化為矩形網格,網格大小為(4 m×4 m),圓盤區(qū)域數字高程模型見圖6。在MIKE21中創(chuàng)建水動力模型,導入圓盤區(qū)域矩形網格,設置干水深和濕水深分別為0.002、0.003 m,初始水位0 m,模擬步長為2 s。

圖6 圓盤區(qū)域數字高程模型

2.5 MIKE FLOOD耦合模型

采用MIKE FLOOD將一維管網水動力模型和二維地表漫流模型進行連接,MIKE FLOOD內部提供了6種不同的耦合方式,其中只有“人孔連接”是管網水動力模型與二維地形的連接方式。當雨水充滿管網后,多余的雨水通過人孔(檢查井)溢流至地面,進而進行積水深度的計算,因此本次采用人孔連接方式將管網和地形進行耦合。

3 結果與分析

3.1 現狀管網模擬與分析

3.1.1現狀管網排水能力分析

對澳頭圓盤區(qū)域進行降雨徑流模擬,結果表明:整個區(qū)域的綜合徑流系數約為0.7,20年一遇24 h降雨產生的洪峰流量為39 m3/s,折算成暴雨強度為272 L/(s·hm2),約等于市政管道5年一遇設計重現期標準。

現狀管網的排水能力見圖7,管網總長度為13.23 km,重現期在1年一遇以下、1～2年一遇、2～3年一遇、3～5年一遇、大于5年一遇的管道長度分別為11.42、0.18、0.10、0.28、1.25 km,其中重現期在1年一遇以下的管道占比在86%以上,3年一遇以下的占比在88.4%以上,說明澳頭圓盤的現狀管網排水能力遠達不到區(qū)域排水的要求。物探結果顯示,中興中路、安惠大道、新澳大道和北澳大道的合流主箱涵均存在逆坡、變徑、下沉等缺陷,進港路排水管道老舊、管徑偏小、斷管較多。對5條主市政道路合流管道進行過流量復核,結果發(fā)現,北澳大道、中興中路和進港路的現狀合流管道過流量均不能滿足5年一遇設計標準,北澳大道輸水余量為-4 027 L/s,中興中路為-36 277 L/s,進港路為-11 029 L/s,其中中興中路輸水余量嚴重不足,而圓盤所有的澇水最終都由中興中路合流箱涵排至媽廟河,故現狀管網排水標準過低是圓盤內澇的原因之一。

圖7 現狀管網排水能力分析

3.1.2現狀管網內澇模擬

現狀管網內澇模擬結果見圖8,內澇風險圖為澇水攤在二維平面上的積水深度。本次現狀模擬按最不利情況考慮,即降雨峰值與河道水位峰值相碰。結果表明:二維積水位置與一維結果相符,圓盤區(qū)域在20年一遇24 h降雨條件下,澇水主要分布在5條市政道路上并蔓延至周邊地塊,總積水面積為631 824 m2,積水深度在0.15 m以上的積水面積為465 630 m2,積水時間在24 h以上,最大積水深度1.95 m位于新澳大道六街路口處,此處為地勢最低點,其次位于進港路與中興中路交叉處,積水深度為1.63 m。將模型模擬結果與現存資料進行對比,2008年6月13日在臺風“風神”影響下澳頭老城區(qū)降雨量約245.6 mm,降雨頻率相當于20年一遇最大6 h降雨量,此時恰逢天文大潮,河口受潮位頂托,澳頭圓盤主干道積水深度在2 m以上,此次降雨與本次模擬條件相似,模擬結果較為吻合。

a)現狀管網最大節(jié)點溢出水深

b)現狀管網內澇風險

此外,媽廟河中興中路橋和新澳大道橋處均有泛洪,說明媽廟河兩岸高程也不能滿足20年一遇防洪標準,且現狀媽廟河排澇站排澇標準僅為10年一遇24 h暴雨產生的徑流量一天排干,暴雨時排澇站不能及時將河道中的水抽出,河道水位上漲迅速,導致中興中路箱涵排水受到頂托,最高水位比圓盤低點還高1.27 m,箱涵不僅不能排水,河道的澇水反而會倒灌至圓盤,加重圓盤內澇。因此現狀排澇體系標準低、箱涵排口排水不暢是圓盤內澇的主要原因。

3.2 改造方案模擬與分析

從水利角度分析,上游水庫泄流、河道調蓄容量不足、排澇站排澇標準過低共同導致了圓盤內澇。因媽廟河上游水庫泄洪對河道水位影響較大,近期考慮在水庫下游新建截洪涵將洪水全部截流至淡澳河,排澇體系中不再考慮水庫泄流的影響。又因媽廟河綜合整治工程近幾年才完工,且澳頭地區(qū)用地緊張,河道和排澇站不便再進行擴容、擴建,水利角度方案實施難度大;從市政角度分析,排口受到河道水位頂托、現狀管道設計標準過低共同導致了圓盤區(qū)域內澇,而要消除河道水位頂托的影響需要將整個圓盤地區(qū)獨立分區(qū)進行排澇,澇水直接提升抽排至淡澳河,以下進行市政方案的模擬。

根據現狀管網分析,需在北澳大道新增(2.0 m×2.0 m)的箱涵(輸水能力4 762 L/s),進港路新增(2.0 m×2.0 m)的箱涵(輸水能力11 186 L/s),中興中路新增2孔(4.0 m×2.5 m)的箱涵(輸水能力37 926 L/s),并根據已設計資料完善怡園路排水管網,最終在中興中路箱涵末端新建450 m3的蓄水池及32 m3/s的泵站,由泵站將圓盤澇水抽排至淡澳河。經復核,媽廟河流域扣除水庫及圓盤區(qū)域集雨面積后排澇標準剛好能滿足20年一遇。

3.2.1規(guī)劃管網排水能力

規(guī)劃排水管網及排水能力分析見圖9,排水管網總長度為17.69 km,重現期在1年一遇以下、1～2年一遇、2～3年一遇、3～5年一遇、大于5年一遇的管道長度分別5.86、0、0、1.24、10.59 km,其中重現期在1年一遇以下的管道占比為33%,3年一遇以上的占比為67%,說明進行管網改造能明顯降低重現期為1年一遇的管道比例,提高重現期為3年一遇以上的管道比例,管道排水能力獲得有效提升,圓盤區(qū)域澇水能順利進入中興中路蓄水池并經泵站排出。

a)規(guī)劃排水管網及匯水分區(qū)

b)規(guī)劃管網排水能力分析

3.2.2規(guī)劃管網內澇模擬

規(guī)劃管網內澇模擬結果見圖10,結果表明:內澇模擬的二維積水位置與一維結果相符,圓盤區(qū)域的總積水面積為84 016 m2,積水深度在0.15 m以上的面積為3 280 m2,積水時間為6 h,說明在20年一遇24 h降雨條件下,規(guī)劃管網的內澇風險大幅降低。但新澳大道及其支路怡園路(內澇點①)仍存在積水,積水深度在0.7 m以上。教育路(內澇點②)也存在小面積內澇,最大積水深度為0.18 m,內澇風險比怡園路略低。根據規(guī)劃工況模擬結果,中興中路新建管網在降雨峰值時仍為非滿流狀態(tài),說明怡園路及教育路的內澇并非由泵站規(guī)模不夠的原因造成,故對2個內澇點作針對性成因分析。

a)規(guī)劃管網最大節(jié)點溢出水深

b)規(guī)劃管網內澇風險

3.2.3內澇點成因分析及改造

對內澇點①和②作成因分析,怡園路及教育路內澇點改造前后排水管道縱斷面見圖11。分析內澇點①可知,怡園路的設計d1200排水管標高無法順接至新澳大道現狀合流管,且新澳大道現狀合流管管徑偏小(僅為d800),故內澇點①的內澇成因為“管道標高銜接不暢、大管接小管”;分析內澇點②可知,教育路的排水管能與下游管道順接,但經過流量復核,節(jié)點Y29951—Y29955的管道過流量不能滿足上游過流要求,故內澇點②的成因為“管道設計標準偏低”。

b)內澇點②排水管道縱斷面(改造前)

c)內澇點①排水管道縱斷面(改造后)

d)內澇點②排水管道縱斷面(改造后)

根據內澇成因對內澇點進行改造。針對內澇點①:將新澳大道與怡園路銜接處下游管徑由d800擴大至1.1 m×1.2 m,并調整管道標高和坡度,保證怡園路管道的順利銜接。針對內澇點②:將節(jié)點Y29951—Y29955的管徑由d1200擴大至d1800。結果表明,內澇點改造后怡園路和教育路的雨水均未溢出地面,且教育路下游管道為非滿流狀態(tài),排水過流量能夠滿足排水要求。經內澇模擬復核,改造后圓盤區(qū)域的總積水面積僅為5 248 m2,且積水深度均在0.15 m以下,積水時間為0 h,滿足GB 50014—2021《室外排水設計標準》對積水深度和積水時間的要求,改造方案能完全消除大亞灣澳頭圓盤區(qū)域的內澇。

4 結論

通過MIKE URBAN軟件模擬分析得知:澳頭圓盤的內澇是“管網排水能力不足、河道排澇標準低”雙重因素共同作用的結果。由于媽廟河本身調蓄容量低、排澇設施設計標準低、近期無擴建可能,僅在中興二路新建截洪涵不足以使媽廟河排澇標準達到20年一遇。通過以下措施可以有效緩解圓盤區(qū)域內澇。

a)新建32 m3/s的泵站將澳頭圓盤獨立分區(qū)進行排澇,可將圓盤區(qū)域澇水全部排至淡澳河,且媽廟河排澇標準可以滿足20年一遇。

b)在北澳大道新增(2.0 m×2.0 m)箱涵,進港路新增(2.2 m×2.0 m)的箱涵,中興中路新增2孔(4.0 m×2.5 m)的箱涵能夠保證圓盤地區(qū)67%的管道排水標準達到3年一遇以上,積水面積降為84 016 m2,積水深度在0.15 m以上的面積降為3 280 m2,積水時間控制在6 h內。

c)新建箱涵后,怡園路及教育路仍存在2個內澇點,內澇成因為“管道標高銜接不暢、大管接小管、管道設計標準偏低”。通過調整管道管徑、坡度和標高,能使本段管道順暢銜接至下游,內澇點消除,積水面積降為5 248 m2,積水深度均在0.15 m以下,滿足規(guī)范要求。

綜上所述,本方案需新建箱涵、蓄水池、泵站、出水壓力管并進行管網改造,新建泵站有可用地塊,泵站出水壓力管擬通過頂管或深隧方式通至淡澳河,工程建安費約23 610萬元,方案具有可行性。