城市排水模型的應(yīng)用

■ 黃 俊

文章以甘肅慶陽西峰區(qū)的老城區(qū)為研究對象構(gòu)建排水系統(tǒng)水力模型，對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的排水能力以及內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估，并針對現(xiàn)有的內(nèi)澇積水點(diǎn)提出解決方案，最終實(shí)現(xiàn)該城市老城區(qū)2年一遇小雨不積水，30年一遇大雨不內(nèi)澇的規(guī)劃要求。

一、研究方法

本研究以甘肅慶陽西峰區(qū)的老城區(qū)為研究對象，利用排水模型軟件，基于排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，綜合城市下墊面、地形地貌、本地暴雨特征、蒸發(fā)量、河湖水位等信息，構(gòu)建老城區(qū)排水系統(tǒng)水力模型。并利用模型對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行評估，識別澇水風(fēng)險區(qū)域，診斷系統(tǒng)的局限性及洪澇成因，并根據(jù)設(shè)計目標(biāo)改造現(xiàn)有的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，對排澇骨干工程的不同設(shè)計方案進(jìn)行評估，選擇最優(yōu)設(shè)計方案，制定相應(yīng)管理措施，減少本流域的洪澇風(fēng)險。

二、研究區(qū)域排水概況

慶陽市老城區(qū)的排水體制以合流制為主。主要包含三個排水分區(qū)，現(xiàn)狀排水管道合計約為64.49km，管徑為d300～2000×2000mm。其中，合流制雨水管道36.88km，分流制雨水管道約為27.61km，但由于城市干道下的排水管道為合流管渠，這些分流排水管道沒有對應(yīng)的排出口，只能混接入合流管渠中，起不到分流制排水的作用。整個老城區(qū)排水經(jīng)由東側(cè)的火巷溝排出。另外，從老城區(qū)的地勢而言，慶陽市老城區(qū)地勢呈現(xiàn)南北高、中間低的趨勢，具有一定的起伏性，南北方向上局部“高脊”將地形分為幾個“鍋底”，是造成老城區(qū)內(nèi)澇的重要原因之一。

圖1 慶陽市老城區(qū)現(xiàn)狀排水管渠平面圖

三、排水模型構(gòu)建

本研究采用InfoWorks ICM軟件來建立水力模型。首先在軟件中導(dǎo)入老城區(qū)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，包含檢查井的坐標(biāo)、地面高程、管道的管徑、上下游底高程等，然后補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù)，檢查并梳理管道的連接性和走向，修正錯誤的數(shù)據(jù)信息等，最終建立老城區(qū)的排水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后再根據(jù)地形，道路和建筑物分布來劃分匯水分區(qū)，并提取下墊面屬性信息，設(shè)定相對應(yīng)的徑匯流模型及參數(shù)，最終形成老城區(qū)排水管網(wǎng)模型。

模型率定與驗(yàn)證則采用歷史積水點(diǎn)對照的方法。選取歷史上有記錄積水情況的較大的三場降雨來開展模擬，得到老城區(qū)發(fā)生積水位置和深度，然后對比歷史上記錄的積水?dāng)?shù)據(jù)信息，來調(diào)整模型中所設(shè)定的匯水面積、徑流系數(shù)、產(chǎn)流系數(shù)、管道粗糙系數(shù)、管道沉積物深度等參數(shù)，最終確保模擬結(jié)果同實(shí)際積水?dāng)?shù)據(jù)的誤差滿足要求。

四、現(xiàn)狀評估

（一）現(xiàn)狀排水能力評估

基于慶陽市最新的暴雨強(qiáng)度公式，選取1、2、3和5年一遇設(shè)計降雨來開展排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀排水能力評估，以確定老城區(qū)排水管網(wǎng)在排放能力上的表現(xiàn)，并統(tǒng)計達(dá)標(biāo)率。模擬結(jié)果如下表所示?？梢钥闯?，由于老城區(qū)排水設(shè)施建設(shè)年代久遠(yuǎn)，整個現(xiàn)狀排水管渠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)整體更為偏低，2年一遇標(biāo)準(zhǔn)以下管線占比達(dá)94.44%，1年一遇標(biāo)準(zhǔn)以下管線占比達(dá)86.57%，可見現(xiàn)有排水管網(wǎng)排放能力的不足是內(nèi)澇積水的重要原因。

表1 老城區(qū)排水管道排水能力評估表

圖3 老城區(qū)排水管道排水能力分布圖

（二）現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險評估

基于30年一遇24h設(shè)計降雨來模擬老城區(qū)的積水情況，然后結(jié)合最大積水深度和積水時間兩個因素，來劃分老城區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險等級。具體的風(fēng)險等級劃分原則如下表所示：

表2 老城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)模擬結(jié)果，老城區(qū)在發(fā)生30年一遇24h降雨時，局部地區(qū)積水量大且積水較深。在集中內(nèi)澇隱患點(diǎn)范圍內(nèi)，高風(fēng)險積水區(qū)域面積2.42ha，中風(fēng)險積水區(qū)域面積8.49ha，低風(fēng)險積水區(qū)域面積2.84ha。

總體來說，老城區(qū)范圍內(nèi)澇呈現(xiàn)積水點(diǎn)多，積水深度大，積水范圍廣等特點(diǎn)，城區(qū)承擔(dān)的內(nèi)澇風(fēng)險較大，排澇任務(wù)較重；對于老城區(qū)內(nèi)澇的防治和規(guī)劃設(shè)計，需從地勢分析、老舊管道改造、低沖擊設(shè)施建設(shè)、應(yīng)急排澇等多方面著手，建立安全可靠的防澇體系。

五、排水系統(tǒng)改造

圖4 老城區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險分布圖

基于現(xiàn)場踏勘，歷史積水情況，以及現(xiàn)狀評估的結(jié)果，提出將老城區(qū)原1個集中的排水分區(qū)改造為6個排水分區(qū)，實(shí)現(xiàn)高水高排，分散和減緩其現(xiàn)狀中主要雨水箱涵（現(xiàn)狀無改造條件）的過流壓力，減緩末端排水頂托，提高排水效率。改造后的排水分區(qū)示意圖如下所示：

圖5 改造后排水分區(qū)平面圖

六、改造評估

（一）改造后排水能力評估

將新建雨水主干管，內(nèi)澇點(diǎn)局部整治措施等排水設(shè)施導(dǎo)入水力模型，基于1、2、3和5年一遇設(shè)計降雨下的模擬結(jié)果，排水管網(wǎng)改造后的排水能力改善效果如下：

從上表可以看出，改造后的管網(wǎng)排水能力整體相比現(xiàn)狀管網(wǎng)有明顯提升，滿足2年一遇的管道長度由5.56%提升至84.58%，為老城區(qū)排澇提供有力保障。

表3 工程實(shí)施前后老城區(qū)排水管道排水能力評估結(jié)果對比表（占管道總長的百分比）

（二）改造后內(nèi)澇風(fēng)險評估

經(jīng)模擬結(jié)果統(tǒng)計，基于上述改造措施，在老城區(qū)集中內(nèi)澇隱患點(diǎn)范圍內(nèi)已無高風(fēng)險積水區(qū)域，中風(fēng)險積水區(qū)域面積減少至0.65ha，低風(fēng)險積水區(qū)域面積減少至0.39ha。內(nèi)澇風(fēng)險得到了很大的改善。

表4 老城區(qū)改造前后內(nèi)澇風(fēng)險等級統(tǒng)計對比表

七、結(jié)論

改造后老城區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期整體相比于現(xiàn)狀管網(wǎng)有明顯提升，主干管整體滿足3～5年一遇及以上建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，2年一遇達(dá)標(biāo)率由現(xiàn)狀5.56%提升至實(shí)施后的84.58%，為城區(qū)排澇提供有力保障。當(dāng)發(fā)生30年一遇降雨時，改造方案對老城區(qū)內(nèi)澇積水現(xiàn)象具有較明顯的整改提升效果，積水面積由現(xiàn)狀的13.75ha減少至1.04ha，減少占比92.44%。

但是本研究中的排水管網(wǎng)模型依然存有優(yōu)化的提升空間，例如排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依然存在數(shù)據(jù)缺失和失真的情況（當(dāng)前模型通過工程師的經(jīng)驗(yàn)去假定），在將來的工作中要不斷維護(hù)模型數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場調(diào)研、業(yè)主溝通，甚至實(shí)地測量等不斷的對模型進(jìn)行校正。另外，模型校核還主要依賴于利用歷史積水點(diǎn)的信息，這種模型校核的精度還比較低，建議以后不斷增加實(shí)測設(shè)置，包括管道流量、地面積水深度和時間等，以不斷校核模型；通過不斷校核，模型的可信度不斷提高，來保證模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用。