文/劉曉寧 石家莊市富昌城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)服務(wù)有限責(zé)任公司 河北石家莊 050000
排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃直接關(guān)系到城市的生活質(zhì)量和公共安全。規(guī)劃良好的排水系統(tǒng)可以有效減少雨水積水和內(nèi)澇問題,降低洪水風(fēng)險(xiǎn),保護(hù)城市居民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。特別是在氣候變化引發(fā)極端降雨事件增多的背景下,規(guī)劃合理的排水系統(tǒng)顯得尤為重要,能夠應(yīng)對未來的氣候挑戰(zhàn),減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率和影響程度。排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估也關(guān)系到城市的可持續(xù)發(fā)展??茖W(xué)合理的規(guī)劃可以提高資源利用效率,降低排水系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)營成本,并減少對水資源的浪費(fèi)。此外,規(guī)劃中還應(yīng)考慮環(huán)境保護(hù)和生態(tài)可持續(xù)性,例如采用雨水收集、濕地保護(hù)和自然解決方案,以改善水質(zhì)、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng),提高城市的環(huán)境質(zhì)量。排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃還關(guān)乎城市的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。合理的排水系統(tǒng)可以保障城市的交通運(yùn)輸、供水供電等基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長[1]。
圖1 海綿城市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃示例
數(shù)據(jù)收集在SWMM 模型構(gòu)建中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。首先,需要采集各類與排水系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù),包括降雨數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤類型、管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。其中,降雨數(shù)據(jù)是模型的基礎(chǔ),需要準(zhǔn)確的降雨觀測數(shù)據(jù),以便進(jìn)行洪水模擬。地形數(shù)據(jù)的采集與處理也是不可或缺的一部分,數(shù)字高程模型(DEM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用能夠提供高分辨率的地形信息,有助于準(zhǔn)確模擬水流路徑和水淹情況。此外,土壤類型數(shù)據(jù)也需要收集,以評估土壤的滲透能力,進(jìn)而影響雨水的滲漏和徑流情況。
SWMM 模型的構(gòu)建包括將排水系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型的過程。這一步驟需要根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)建立管道網(wǎng)絡(luò)、匯水區(qū)域、雨水污水分流系統(tǒng)等元素的模型。在模型構(gòu)建中,需要考慮排水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道參數(shù)、泵站配置等因素。模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接影響到后續(xù)的模擬結(jié)果和系統(tǒng)評估,因此,模型構(gòu)建需要認(rèn)真考慮各種復(fù)雜情況,并進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置。
模型率定是確保SWMM 模型能夠與實(shí)際情況相符的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過程包括對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以使模型模擬結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)相一致。率定過程通?;跉v史洪水事件的數(shù)據(jù),通過對比觀測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果,逐步優(yōu)化模型參數(shù)。這需要運(yùn)用各種優(yōu)化算法和統(tǒng)計(jì)方法,以使模型在不同條件下都具有較好的預(yù)測性能。模型率定的成功與否決定了模型的可靠性,對于排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估的準(zhǔn)確性和有效性至關(guān)重要。
(1)數(shù)字高程模型(DEM)的應(yīng)用:數(shù)字高程模型是一種用于描述地表地形的數(shù)字化表示方式,它以離散的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成地形的數(shù)學(xué)模型。在排水系統(tǒng)規(guī)劃中,DEM 的應(yīng)用具有重要作用。首先,DEM 數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星遙感、激光雷達(dá)等技術(shù)獲取,提供了地表高程信息的高分辨率表達(dá),這對于精確模擬地表的坡度和高程變化非常關(guān)鍵。排水系統(tǒng)的水流路徑和水流速度受地形影響較大,因此,DEM 數(shù)據(jù)可以用來識別潛在的洪水危險(xiǎn)區(qū)域和確定水流的流向。此外,DEM 數(shù)據(jù)還可以用于生成流域分析所需的流域邊界和流域分割,為洪水模擬和水資源管理提供了重要的輸入數(shù)據(jù)[2]。
(2)地理信息系統(tǒng)(GIS)的角色:地理信息系統(tǒng)是一種用于存儲、管理、分析和展示地理信息的技術(shù)系統(tǒng)。在排水系統(tǒng)規(guī)劃中,GIS 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。首先,GIS 可以用于整合各種地理數(shù)據(jù),包括DEM 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等,將這些數(shù)據(jù)疊加在一起,生成全面的地理信息圖層。這使得工程師和決策者能夠更好地理解地理環(huán)境和地表特征,為規(guī)劃和評估提供有力支持。其次,GIS 還可以用于模擬和分析排水系統(tǒng)的性能。通過GIS 軟件,可以建立排水系統(tǒng)的數(shù)字模型,并模擬不同情景下的水流行為,幫助評估系統(tǒng)的性能和魯棒性。此外,GIS 還可以用于可視化排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況,以便決策者更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,及時(shí)采取措施應(yīng)對可能的問題。
3.2.1 降雨數(shù)據(jù)源
降雨數(shù)據(jù)源是排水系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ),它決定了模型的輸入?yún)?shù)。在排水系統(tǒng)規(guī)劃中,需要選擇合適的降雨數(shù)據(jù)源來模擬不同降雨事件對系統(tǒng)的影響。通常,降雨數(shù)據(jù)可以分為實(shí)測數(shù)據(jù)和合成數(shù)據(jù)兩種類型。實(shí)測數(shù)據(jù)是通過氣象站、降雨觀測設(shè)備等實(shí)際觀測手段獲取的降雨數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有較高的真實(shí)性和可靠性,因?yàn)樗鼈冎苯觼碜袁F(xiàn)場觀測。但實(shí)測數(shù)據(jù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率可能有限,因此,在大范圍排水系統(tǒng)規(guī)劃中,可能需要插值和空間分布調(diào)整來獲得更精細(xì)的降雨數(shù)據(jù)。合成數(shù)據(jù)則是通過統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)方法生成的模擬降雨數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以基于歷史降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,也可以根據(jù)概率分布函數(shù)生成不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的合成降雨事件。合成數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于可以生成大量不同情景下的降雨數(shù)據(jù),用于模擬各種可能性,有助于評估排水系統(tǒng)的魯棒性。然而,合成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于所選擇的模型和參數(shù),因此需要謹(jǐn)慎選擇和校驗(yàn)。
3.2.2 降雨模擬方法
分布式模型:這種模型將流域劃分為多個(gè)子流域,并在每個(gè)子流域內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立的降雨-徑流模擬。這種方法考慮了地形和土地利用的空間變化,適用于大范圍的排水系統(tǒng)規(guī)劃。代表性的模型包括SWMM(暴雨洪水管理模型)和HEC-HMS(美國軍事工程中心降雨徑流模型)。
集中式模型:這種模型將整個(gè)流域視為一個(gè)整體,模擬降雨事件對整個(gè)流域的影響。它通常采用線性或非線性的方法來估計(jì)徑流產(chǎn)生和匯流過程。集中式模型適用于小型流域或簡化模擬情景,如單一排水管道系統(tǒng)。
物理模型:物理模型基于物理方程和流體力學(xué)原理來模擬降雨和徑流過程。這種模型通常需要大量的參數(shù)和高精度的數(shù)據(jù),適用于對系統(tǒng)性能要求非常高的情況,如大壩設(shè)計(jì)或復(fù)雜的排水系統(tǒng)規(guī)劃。
管道健康狀況評估在排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估中具有至關(guān)重要的地位。這一步驟的主要目標(biāo)是確定排水管道的當(dāng)前狀態(tài)以及可能存在的問題和風(fēng)險(xiǎn),以確保管道的可靠性和持久性。管道健康狀況評估通常包括以下關(guān)鍵步驟:需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和檢查。這包括收集與排水管道相關(guān)的數(shù)據(jù),如管道材料、年限、維護(hù)記錄、管道直徑、坡度等信息。這些數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場檢查、檔案記錄和地理信息系統(tǒng)(GIS)來獲取。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對評估結(jié)果至關(guān)重要。進(jìn)行可視檢查和評估。這包括實(shí)地檢查管道的外部狀況,以確定是否存在腐蝕、裂縫、破損等問題。高科技工具如攝像頭和無人機(jī)也可以用于內(nèi)部檢查,以評估管道內(nèi)部是否存在沉積物、堵塞或其他問題。進(jìn)行水流和壓力測試。通過在管道中引入水流或應(yīng)用壓力測試來評估管道的性能。這可以檢測管道是否有滲漏或結(jié)構(gòu)問題,并評估其流量和壓力特性。這對于確定管道的運(yùn)行能力和潛在問題至關(guān)重要。進(jìn)行水質(zhì)檢測。分析排水管道中的水質(zhì),檢測是否存在污染物或廢水泄漏,以評估對環(huán)境的影響和水質(zhì)狀況。水質(zhì)檢測有助于保護(hù)水體質(zhì)量和公共健康。管道健康狀況評估的結(jié)果將為后續(xù)的管道維護(hù)和改進(jìn)策略提供重要依據(jù),確保排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和長期可持續(xù)性[3]。
泵站是排水系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,它們的運(yùn)行效率對整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。泵站運(yùn)行效率評估旨在確定泵站的工作狀態(tài)、能效和性能,并提出改進(jìn)建議,需要對泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。這包括泵站的啟停記錄、電能消耗、排水流量等數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù),可以了解泵站的運(yùn)行狀況以及是否存在異常情況。進(jìn)行泵站的性能評估。這包括評估泵站的泵效率、功率消耗、流量控制等性能指標(biāo)。泵站的性能評估可以幫助確定是否存在能效低下或不合理的問題,并提出改進(jìn)建議,如更換高效泵或調(diào)整運(yùn)行策略。進(jìn)一步,考慮泵站的可維護(hù)性。評估泵站的維護(hù)記錄和維護(hù)計(jì)劃,以確保泵站的定期維護(hù)和保養(yǎng)。合理的維護(hù)措施可以延長泵站的使用壽命并減少故障率??紤]泵站的智能化和自動化。引入先進(jìn)的控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù),可以提高泵站的運(yùn)行效率和響應(yīng)能力,減少能源浪費(fèi)和人力成本。泵站運(yùn)行效率評估的目標(biāo)是確保排水系統(tǒng)中的泵站能夠以高效、可靠的方式運(yùn)行,降低運(yùn)營成本,并減少對能源和資源的浪費(fèi)。
當(dāng)考慮排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估時(shí),合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)是不可或缺的一部分。首先,合理規(guī)劃設(shè)計(jì)涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵方面,包括系統(tǒng)的規(guī)模、性能要求和目標(biāo)。在城市或地區(qū)排水系統(tǒng)的規(guī)劃中,必須明確未來的氣候變化、城市擴(kuò)展和人口增長等因素,以確保系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來的挑戰(zhàn)。其次,合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)行全面的綜合考慮。這涉及到綜合考慮各種可能的排水方案和技術(shù),如雨水管理、污水處理、溢流設(shè)施等。通過充分考慮多個(gè)因素,可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能,減少資源浪費(fèi),并確保系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。此外,現(xiàn)代工程工具和技術(shù)如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和建模軟件的使用也能夠在規(guī)劃設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。它們允許工程師進(jìn)行系統(tǒng)的三維建模和仿真,以優(yōu)化管道布局、流速分配和水流路徑。最后,合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮可持續(xù)性和環(huán)保因素。這包括采用綠色基礎(chǔ)設(shè)施和低影響開發(fā)技術(shù),以減少排水對環(huán)境的負(fù)面影響,同時(shí)考慮水資源的保護(hù)和再利用。
創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法在排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估中扮演著關(guān)鍵的角色。首先,創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可以改善排水系統(tǒng)的性能和效率。通過采用自然解決方案,如生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和雨水收集,可以降低洪水風(fēng)險(xiǎn),改善水質(zhì),并提供額外的生態(tài)服務(wù)。其次,智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)的引入可以提高排水系統(tǒng)的響應(yīng)能力?,F(xiàn)代傳感技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使得實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能,有助于減少系統(tǒng)故障和提高運(yùn)行效率。此外,考慮可持續(xù)性技術(shù)也是創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的一部分,例如利用可再生能源、高效泵站和節(jié)水技術(shù),可以減少排水系統(tǒng)的能源消耗和對環(huán)境的影響。最后,創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法還強(qiáng)調(diào)了與社區(qū)和利益相關(guān)者的合作。與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和利益相關(guān)者緊密合作,了解他們的需求和關(guān)切,將社會可持續(xù)性和社會公平性納入排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,有助于確保系統(tǒng)的可接受性和長期成功。
5.3.1 提升排水能力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
首先,提升排水能力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)涉及增加排水系統(tǒng)的處理容量,以適應(yīng)日益頻發(fā)的極端降雨事件。隨著氣候變化和城市化的加劇,降雨事件變得更加不可預(yù)測和強(qiáng)烈,因此,排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須相應(yīng)提高。這包括考慮更大的設(shè)計(jì)雨量、更高的排水流量和更大的儲水能力。通過提升排水能力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),可以降低洪水風(fēng)險(xiǎn),減少城市內(nèi)澇事件,保護(hù)財(cái)產(chǎn)和人民的安全。改進(jìn)排水系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì),以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。這包括優(yōu)化管道布局、提高排水系統(tǒng)的通行能力、改進(jìn)水流路徑和降低排水泵站的能源消耗。工程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新可以確保系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行,并減少對環(huán)境的不良影響。強(qiáng)調(diào)多功能性。排水系統(tǒng)不僅應(yīng)該具備排水功能,還應(yīng)該兼顧生態(tài)保護(hù)和社會服務(wù)。因此,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)鼓勵(lì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施、雨水收集和雨污分流等多功能性措施,以提高系統(tǒng)的可持續(xù)性。
5.3.2 提升排澇水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)
首先,提升排澇水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)涉及確保排放到水體的排澇水質(zhì)量達(dá)到環(huán)保要求。這包括對排水進(jìn)行有效的處理,以去除污染物和有害物質(zhì),以保護(hù)接受水體的水質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)設(shè)定合適的水質(zhì)指標(biāo)和排放限值,以確保排水質(zhì)量不會對水環(huán)境造成負(fù)面影響。推動采用綠色技術(shù)和自然解決方案。提升排澇水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)鼓勵(lì)采用生態(tài)濕地、雨水花園和植被覆蓋等自然解決方案,以提高排澇水的自凈能力和水質(zhì)改善效果。這些方法可以減少對傳統(tǒng)污水處理廠的依賴,降低維護(hù)成本,同時(shí)提升水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)調(diào)監(jiān)測和報(bào)告。排澇水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括監(jiān)測和報(bào)告要求,以確保排澇水質(zhì)符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測結(jié)果應(yīng)定期報(bào)告給相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)和公眾,以確保透明度和責(zé)任。通過提升設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排澇水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),可以提高排水系統(tǒng)的性能和環(huán)保性,確保排水系統(tǒng)在面對不斷變化的城市排水需求和環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)表現(xiàn)出色。這對于城市洪水管理和水資源保護(hù)至關(guān)重要。
排水管道材質(zhì)與質(zhì)量的控制與優(yōu)化對于排水防澇系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。首先,管道材質(zhì)的選擇是系統(tǒng)的關(guān)鍵決策之一。不同環(huán)境和應(yīng)用場景需要不同材質(zhì)的管道,如鋼鐵、聚乙烯、混凝土等。這些材質(zhì)的選擇應(yīng)考慮其抗腐蝕性、耐久性、成本效益等因素。例如,在高腐蝕性土壤中,不銹鋼管道可能是一個(gè)理想的選擇,而在一般城市環(huán)境中,聚乙烯管道可能更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。管道質(zhì)量的管理是確保系統(tǒng)長期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。從管道的制造、運(yùn)輸、安裝到維護(hù),每個(gè)環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格控制和監(jiān)測。材料的質(zhì)量應(yīng)符合國際或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確保管道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。管道的安裝和連接也需要高標(biāo)準(zhǔn)的工藝,以防止?jié)B漏和結(jié)構(gòu)損壞。定期的巡檢和維護(hù)活動是必要的,以確保管道的暢通和無故障運(yùn)行。
雨污分流改造是環(huán)境保護(hù)和城市水資源管理的關(guān)鍵舉措之一。分流改造的目標(biāo)是減少雨水與污水的混合,以改善污水處理效率和降低環(huán)境污染。這需要對現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行評估,確定混合點(diǎn)和混合比例,并制定相應(yīng)的改造方案。通過分離雨水和污水流,可降低污水處理廠的負(fù)荷,提高其處理效率。分流改造方案應(yīng)綜合考慮環(huán)境和社會因素。這包括采用雨水收集和自然解決方案,如濕地和雨水花園,以提高雨水的自凈能力和水質(zhì)改善效果。分流改造還應(yīng)考慮城市景觀和社會可持續(xù)性,以提高城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和居民的生活品質(zhì)。進(jìn)一步,嚴(yán)格控制污水排放是分流改造的重要目標(biāo)之一。確保排放到水體的污水達(dá)到環(huán)保要求,這涉及到污水處理廠的升級和維護(hù),以提高其處理效率和水質(zhì)凈化能力。監(jiān)測和報(bào)告是必要的,以確保排放的污水質(zhì)量符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),并提供透明度和公眾信任。控制并優(yōu)化排水管道材質(zhì)與質(zhì)量以及開展雨污分流改造是保障城市排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、環(huán)保性和可持續(xù)性的關(guān)鍵舉措。這些措施有助于減少水體污染、提高水質(zhì)、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),并提升城市的生活質(zhì)量。因此,在排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估中,應(yīng)給予充分重視和實(shí)施。
排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施評估是城市基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分,它不僅直接關(guān)系到城市居民的生活質(zhì)量和安全,還涉及到城市的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。在本文中,我們詳細(xì)討論了排水系統(tǒng)規(guī)劃的重要性、SWMM 模型構(gòu)建、地形和降雨分析、排水系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的評估、解決對策分析、以及管道材質(zhì)與質(zhì)量控制、雨污分流改造和污水排放的相關(guān)內(nèi)容。這些步驟和措施是確保排水系統(tǒng)在面對氣候變化、城市發(fā)展和環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)能夠高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。通過不斷改進(jìn)和完善排水防澇系統(tǒng),我們可以為城市的可持續(xù)發(fā)展和水資源保護(hù)做出積極貢獻(xiàn),創(chuàng)造更加宜居和可持續(xù)的城市環(huán)境。