周 璟,王 歡

(1.長江三峽(海南)綠色發(fā)展投資有限公司,海南 海口 570125;2.上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200434)

公園水系是城市景觀水系的重要組成部分。為了滿足城市居民的休閑需求,在有條件的城市和區(qū)域,城市公園中往往建設有景觀水體,包括以湖泊、河流為主的水系和以噴泉、瀑布為主的水景[1]。景觀水體大多為靜止或流動性較差的封閉緩流水體,相對獨立的水體便于管理與控制,但也可能會帶來排水除澇不暢、水動力低下的問題[2]。

一般情況下,積水是強降雨條件下地面徑流通過管網(wǎng)來不及排出導致的,而積水反復發(fā)生甚至形成內(nèi)澇是多因素的綜合作用。水文氣象、排水設施、河湖水系、調(diào)度管理都是影響排水除澇的因素[3]。其中,排水設施和河湖水系是可以通過工程性措施來改造、優(yōu)化的。隨著數(shù)學模型的推廣應用,采用模型診斷分析問題并采取治理措施的做法越發(fā)普遍且日趨成熟[4-7],但改造措施中對河湖水系優(yōu)化給予的重視仍然較少。本文針對上海動物園內(nèi)澇成因,制訂公園景觀水系整治和排水設施改造方案,并基于模型模擬評估結(jié)果,提出最佳的工程治理措施。

1 研究區(qū)域概況

上海動物園位于上海市區(qū)西南,主園區(qū)面積69.46 hm2,水面積約6.0 hm2,占園區(qū)面積的8.6%。動物園水系為典型的景觀水系(圖1),西北角河道上設有雨水排水泵站一座(設計流量1 m3/s),為園區(qū)水系與外部水系連通的唯一途徑;各水體之間不通過河道直接連通,而是由涵管相連。園內(nèi)東部地勢略高于西部,雨水排水方向為東南排至西北,雨天時,雨水排水泵站開啟后能夠很快地將泵站附近的雨水排出,但遠離泵站的雨水排出速度較慢,河道水位高漲,地面積水,極大地影響了珍稀動物的生活場館和游客的游覽體驗。

根據(jù)相關資料,動物園雨水管徑為200～1 200 mm,雨水通過管網(wǎng)就近排入河道,最終由與園區(qū)西北角河道上的雨水排水泵站抽排至外部水系。整個園區(qū)為一個獨立的排水分區(qū),并且雨水管道已按排水標準達標建設。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況,在降雨初期,雨水管道能迅速地排出地面雨水,之后隨著水體水位的上漲,地面雨水才難以排出,形成積水。初步判斷導致動物園內(nèi)澇的原因與園區(qū)水系排水不暢和排水泵站規(guī)模不足有關。

圖1 上海動物園水系示意

2 研究方法

采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的MIKE21模型軟件,構(gòu)建上海動物園現(xiàn)狀主要水系(包括水體間連通涵管)的水動力模型,模擬并研究現(xiàn)狀排澇工況下水系的水文特征值(水位、流速和流量)變化,分析園區(qū)排水除澇問題的原因。根據(jù)問題原因設計改善方案,經(jīng)方案比選后確定工程方案。

2.1 模型計算范圍及網(wǎng)格劃分

根據(jù)上海動物園現(xiàn)狀水系的分布特點、聯(lián)通情況,確定模型計算范圍為現(xiàn)狀相互連通的主要水系,見圖2。

圖2 模型計算范圍示意

采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格對計算范圍內(nèi)的水系進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格最大邊長4 m,劃分后共14 053個節(jié)點,21 662個網(wǎng)格,劃分結(jié)果見圖3;根據(jù)實測地形資料,對水下地形進行插值,結(jié)果見圖4。

圖3 模型計算網(wǎng)格

圖4 水下地形

2.2 模型邊界條件處理

a)閉邊界。閉邊界指陸地邊界(河岸邊界),設定為非滑移邊界,即:u=0,v=0。

b)開邊界。開邊界設置在排水泵站處,開邊界流量根據(jù)各個方案下排水泵站的規(guī)模情況進行設置。

c)干濕邊界。為保證模型計算的穩(wěn)定性,引入干濕邊界,采用hwet=0.1 m、hflood=0.05 m、hdry=0.005 m。

d)模型參數(shù)設置。①渦黏系數(shù),根據(jù)Smagorinsky公式確定式(1):

(1)

式中U、V——x、y方向垂線平均流速;Δ——網(wǎng)格間距;Cs——計算參數(shù),0.25～1.00,模型中取0.28。

②底床摩擦力。采用糙率系數(shù)描述底床摩擦力,模型中糙率系數(shù)參照一定經(jīng)驗,取值范圍為0.025～0.05,設為0.031。

2.3 計算工況

動物園水系的排水運行工況多發(fā)生在夏季多雨期,考慮西北角雨水排水泵站半開、全開2種實際運行時最常見的情況,設置2種計算工況(表1)。根據(jù)上海動物園雨水系統(tǒng)和水系設計資料,動物園控制水位為:高水位2.6 m,低水位2.3 m,預降最低水位2.2 m。2種現(xiàn)狀工況的初始水位均設置為高水位。

表1 現(xiàn)狀水系水動力模擬研究計算工況

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)排水時水位下降速率,將現(xiàn)狀水系分為排澇低風險、中低風險、中高風險、高風險4種等級,見圖5。泵站全開連續(xù)排水4 h(即工況二運行4 h),水位低于預降最低水位2.2 m的區(qū)域為低風險,水位在2.2～2.3 m的區(qū)域為中低風險,水位在2.3～2.4 m的區(qū)域為中高風險,水位在2.4 m以上的為高風險。圖5可知,天鵝湖、東南部水體水位一直維持在2.4 m以上,反映了這些區(qū)域的排澇風險較高,與區(qū)域雨天易積水的實際情況相符。

圖5 現(xiàn)狀水系排澇風險

在現(xiàn)狀水系的每處水體各取1個特征點,對各特征點從高水位到低水位排水所需的時長進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見表2。由表可知,現(xiàn)狀水系在排水情況下,不同區(qū)域水體排水速率差異較大,泵站連續(xù)排水會出現(xiàn)西北側(cè)水體水位已經(jīng)下降,而東南側(cè)水體水位仍然居高不下的情況,給園區(qū)帶來內(nèi)澇風險。

表2 工況一、二特征點高水位(2.6 m)至低水位(2.3 m)時間統(tǒng)計結(jié)果 單位:h

3 問題識別

結(jié)合模型成果和相關資料分析,上海動物園存在內(nèi)澇風險的主要原因如下。①排水路徑不通暢。園區(qū)水系由涵管連接,涵管過水斷面小于河道過水斷面;同時,涵管的管底標高參差不齊,排水時不少涵管存在逆坡現(xiàn)象,不利于水流排出。②排水泵站規(guī)模不足,布局不合理。園區(qū)排水除澇標準為20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)24 h排出,要達到此標準,排澇泵站總流量需達到1.58 m3/s,目前動物園西北角排水泵站設計規(guī)模為1 m3/s,總排水規(guī)模不足。

值得注意的是,單純增加排水規(guī)模不能消除園區(qū)排澇風險。在工況一(0.5 m3/s向外排水)的情況下,孔雀園北水體排水時長比海獸館北水體長15 h。工況二將排水流量增加至1 m3/s,僅對與泵站直接相連的水體有更大的抽排作用,對整體水系的排水速率提升作用不大。由于與泵站直接相連的水體水位下降過快,為了控制泵站前池水位,不得不采取間歇排水方式,這使得排水時間進一步延長,孔雀園北水體與海獸館北水體排水時長差擴大至17.5 h。園區(qū)單向排水的布局導致東南側(cè)水系的排水路徑較長,不能及時排水,從而影響地面積水的及時排出,存在內(nèi)澇風險。

4 治理措施

4.1 方案設計

針對城市內(nèi)澇,一般可采取擴建排水管網(wǎng)、增加強排流量和雨水調(diào)蓄等措施來減少內(nèi)澇、提高排水除澇標準[8-11]。李志威[12]、張俊等[13]表示,合理的水系網(wǎng)絡格局有利于調(diào)蓄洪水和排出雨澇;嚴婉玲[14]、張旭兆等[15]對案例采用MIKE模型定量分析,得出改善水系格局、縮短排澇路徑對于保障排澇安全、降低內(nèi)澇風險具有積極作用的結(jié)論。結(jié)合園區(qū)內(nèi)澇的主要原因,從疏通排水路徑、增大排水規(guī)模、改善排水格局三大角度出發(fā),設計工程方案。

a)疏通排水路徑。疏通排水路徑是提升排水能力的核心與基礎,可采取的措施有涵管改河與涵管擴建。涵管改河時應充分考慮水系間開挖明渠的可行性,對于有條件開挖的地方,取消原有連接涵管,開挖明渠連接相鄰水體;對于不宜開挖河道的地方,采取涵管擴建的措施,提升涵管過流能力。

b)增大排水規(guī)模。增大排水規(guī)模的措施有新建排水泵站、現(xiàn)有排水泵站升級改造,結(jié)合排水格局改善的需求,本文采取新建排水泵站措施,新建泵站規(guī)模為0.58 m3/s,加上現(xiàn)狀排水泵站(1 m3/s)可達到1.58 m3/s的總排水規(guī)模,能夠滿足淀北片20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)的排澇設計標準。

c)改善排水格局。改善排水格局的措施為新增排水口門。目前園區(qū)通過西北角的排水泵站單點排水,不利于東南側(cè)水體的及時排水。結(jié)合動物園規(guī)劃和實際情況,有條件新開排水口門的位置有兩個,一是位于園區(qū)東南兩爬館水體與新涇港連接處,二是位于園區(qū)東側(cè)孔雀園北附近廢棄雨水排口處。

對以上工程措施進行有機組合,形成4個工程方案,見表3。

表3 工程方案

a)方案一

b)方案二

c)方案三

d)方案四

4.2 方案比選

運用模型分別模擬不同方案下動物園水系的排水狀況,通過統(tǒng)計排水速率、排水時間等指標,比選各個方案的工程效果,并在考慮工程投資的前提下確定推薦方案。

各方案特征點從高水位降至低水位的時間統(tǒng)計見表4。由計算結(jié)果可知:①方案實施后,排水速率大大提高,園區(qū)水系從高水位降至低水位的平均時間均有大幅度縮短,由現(xiàn)狀的10 h左右降至4～5 h;②基于涵管改河的方案一、方案二,各區(qū)域水體的水位下降速率基本一致,連續(xù)排水4.5 h左右可實現(xiàn)園區(qū)水位的整體下降。在排水速率整體提高的同時,大幅消除了不同區(qū)域的排水時差,有利于園區(qū)的排水及水位控制;③基于涵管擴建的方案三、方案四,高水位至低水位的平均排水時間與方案一、二基本相當,但受制于涵管的過流能力,不同區(qū)域水系仍然表現(xiàn)出較大的排水時差,方案三下最大排水時差達12.84 h,方案四為6.4 h,連續(xù)排水會導致靠近泵站的水體水位過低,而遠離泵站的水體水位居高不下;④對比涵管改河方案(方案一、二)和涵管擴建方案(方案三、四),由于涵管擴建方案仍然不能消除各區(qū)域水體的排水時差,因此涵管改河方案更優(yōu);⑤對比基于涵管改河的方案一和方案二,兩者從高水位將至低水位的平均排水時間基本一致(方案一為4.42 h,方案二為4.49 h),不同水域之間最大排水時差也基本一致(方案一為2.9 h,方案二為3 h),但是對于園區(qū)水面面積最大,且具有重要調(diào)蓄作用的天鵝湖來說,方案二天鵝湖的水位下降速率更快,方案二天鵝湖(特征點5)從高水位降至低水位的時間比方案一縮短約1 h;⑥從工程投資來看,涵管改河后新開挖河道采用以生態(tài)斜坡為主的護岸型式,且園區(qū)河道規(guī)模較小(河道斷面面積小于等于20 m2),而擴建涵管需使用的涵管直徑大于等于1 000 mm,所以單位長度的擴建涵管的工程投資略高于新開河道。將15條涵管全部擴建的工程投資將會高于新開河道9處、擴建涵管6段的投資。根據(jù)類似工程經(jīng)驗,增設2個排水泵站(各0.29 m3/s)工程投資高于增設1個排水泵站(0.58 m3/s),但由于2個排水泵站中的東側(cè)孔雀園泵站可利用舊泵站修建,所以增設2個排水泵站(各0.29 m3/s)和增設1個排水泵站(0.58 m3/s)工程投資基本相等。由此可知,4個方案的工程投資的大小排列如下:方案一≈方案二<方案三≈方案四。

表4 各方案下特征點高水位(2.6 m)降至低水位(2.3 m)時間 單位:h

綜上分析,方案二(涵管改河9處、涵管擴建6段、增設2個0.29 m3/s的排水泵站)的工程效果最好、工程投資較低,因此,推薦采用方案二。

5 結(jié)語

本文以上海動物園為例,通過資料分析和現(xiàn)場踏勘初步分析園區(qū)內(nèi)澇的原因與排澇水系和排水泵站有關,通過數(shù)學模型確定排水路徑過長是導致遠端水體排澇難的重要因素。針對上海動物園內(nèi)澇成因,采取疏通排水路徑、增大排水規(guī)模、改善排水格局三方面的治理措施,形成公園景觀水系整治和排水設施改造方案。通過排水速率、排水時間比較不同整治方案的改善效果,計算不同區(qū)域的最大排水時差,最大排水時差越小說明治理措施縮短排水路徑、提高排水效率的效果越好。利用以上方式比選、確定內(nèi)澇治理工程方案,在控制工程投資的前提下獲得最佳的治理效果。