寧波市海綿城市試點區(qū)域內(nèi)澇研究

宋 娟，張 焱，王新龍，孫飛飛

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192)

近年來隨著城市開發(fā)進(jìn)程的不斷推進(jìn)、洪澇水滯蓄空間縮減以及極端氣候的頻發(fā)，城市防洪減災(zāi)形勢日益嚴(yán)峻，洪澇災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)?！秾幉ㄊ谐鞘锌傮w規(guī)劃2006—2020》(2015年修訂)提出，2020年中心城建設(shè)用地規(guī)模在原規(guī)劃311.9km2的基礎(chǔ)上增加至420km2。經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)張使得城市防洪排澇壓力進(jìn)一步增大，海綿城市建設(shè)已成為緩解新形勢下城市內(nèi)澇壓力的重要舉措。

為支撐寧波市海綿城市建設(shè)的相關(guān)工作，有必要研究試點區(qū)域現(xiàn)狀內(nèi)澇積水點分布情況。目前，國內(nèi)多使用SWMM、InforWorks等軟件建立研究區(qū)域范圍內(nèi)的雨洪模型，模擬分析不同重現(xiàn)期條件下的內(nèi)澇積水情況，模型一般使用常水位、警戒水位等河道特征水位做為管網(wǎng)下邊界。本文認(rèn)為僅獨立建立研究區(qū)域雨洪模型，并使用固定水位邊界的做法與實際情況不完全相符，因此，本研究建立流域河網(wǎng)水動力模型，為試點區(qū)域雨洪模型提供水位邊界，模擬分析試點區(qū)域現(xiàn)狀內(nèi)澇積水點分布情況。

1 研究區(qū)域

寧波市海綿城市試點區(qū)域位于江北區(qū)，包括慈城古縣城、慈城新區(qū)、前洋立交東北側(cè)地塊、姚江新區(qū)啟動區(qū)、姚江新區(qū)、謝家地塊、天水家園以北地塊、灣頭地塊等8片地塊，面積總計30.95km2。其中，慈城古縣城為古城區(qū)，慈城新區(qū)、灣頭地塊為正在開發(fā)的地塊，前洋立交東北側(cè)地塊、姚江新區(qū)啟動區(qū)、姚江新區(qū)基本為農(nóng)田和村莊，謝家地塊和天水家園以北地塊為已開發(fā)地塊。

寧波市海綿城市試點區(qū)域地處甬江流域東排區(qū)，面積共計4182km2，甬江流域東排區(qū)范圍與試點區(qū)域范圍示意圖如圖1所示。甬江流域位于浙江省東部，長江三角洲南翼。姚江、奉化江為甬江兩大源流，在寧波三江口匯合后稱為甬江。流域內(nèi)河網(wǎng)密集，地勢較低，易遭受臺風(fēng)性暴雨、梅雨性暴雨、突發(fā)性暴雨和風(fēng)暴潮侵襲。

圖1 甬江流域東排區(qū)范圍與試點區(qū)域范圍

2 模型構(gòu)建

2.1 寧波市內(nèi)澇形成機理分析

寧波市城市雨水排放主要有重力流排放和泵站強排兩類：重力流排放是指雨水通過市政管網(wǎng)系統(tǒng)先就近排入城市內(nèi)河，內(nèi)河再通過沿江碶閘排入外江；泵站強排是雨水通過市政管網(wǎng)系統(tǒng)收集，再由強排泵站直排外江。

由于試點區(qū)域河網(wǎng)密布，澇水主要還是采用重力流排放為主。而重力流排放的排水效率受內(nèi)河水位影響較大。由于水系連通性，試點區(qū)域的內(nèi)河水位取決于其所處的整個江北鎮(zhèn)海平原河網(wǎng)水系的水位。

江北鎮(zhèn)海河網(wǎng)所處甬江流域水系復(fù)雜，沿江閘泵眾多，其洪澇水的形成不僅來自區(qū)域本身降雨，同時還有周邊山區(qū)匯水、邊界閘堰分水、外江漫堤洪水，此外河道排水受外江洪水與外海潮水雙重頂托，因此獨立區(qū)塊的河道水位難以通過局部模型實現(xiàn)，需要建立完善的流域河網(wǎng)水動力模型。因此，為滿足試點區(qū)域內(nèi)澇分析的要求，本次研究擬建立甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型、試點區(qū)域一維河網(wǎng)水動力模型、試點區(qū)域管網(wǎng)水動力模型、試點區(qū)域二維地表漫流水動力模型，并進(jìn)行相應(yīng)的耦合分析。

2.2 模型體系

根據(jù)以上需求，建立試點區(qū)域一維河網(wǎng)水動力模型、試點區(qū)域管網(wǎng)水動力模型、試點區(qū)域二維地表漫流水動力模型，以上三種耦合后，形成傳統(tǒng)的獨立片區(qū)雨洪模型。此外，考慮到寧波河網(wǎng)水系的連通性，還需建立以甬江流域作為計算范圍的甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型，為試點區(qū)域一維河網(wǎng)水動力模型提供外邊界。

其中，甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型對河道、節(jié)點、斷面、閘門、泵站、平原調(diào)蓄空間等進(jìn)行概化處理，并以山區(qū)入流作為上邊界、外海潮位作為下邊界。以甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型為例，模型共概化2308條河段，2032個節(jié)點，14877個斷面，352座閘門(含泵站)，960片平原調(diào)蓄空間，模型概化圖如圖2所示。

圖2 甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型概化圖

3 模擬分析

3.1 模擬情景設(shè)置

為充分分析內(nèi)澇積水情況，本文設(shè)置以下幾種暴雨情景：1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇。其中，1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇暴雨采用短歷時設(shè)計雨型，暴雨強度根據(jù)寧波市三江片暴雨強度公式(見公式1)計算，采用寧波市模式雨型進(jìn)行120min暴雨分配，短歷時設(shè)計暴雨成果見表1。

(1)

式中，q—降雨強度，L/(s·ha)；t—降雨歷時，min；P—設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a。

10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇暴雨使用《寧波市江北區(qū)防洪排澇規(guī)劃》(2013)設(shè)計暴雨成果，按流域典型暴雨“63雨型”進(jìn)行時空分配，長歷時設(shè)計暴雨成果見表2。

表1 寧波市三江片120min歷時設(shè)計暴雨計算成果

表2 長歷時設(shè)計暴雨計算成果表

長歷時暴雨情景下，使用甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型計算成果作為試點區(qū)域雨洪模型水位邊界，短歷時暴雨情景下，使用江北內(nèi)河水位站警戒水位、保證水位作為試點區(qū)域雨洪模型水位邊界。

3.2 內(nèi)澇積水點分布及分析

本文依據(jù)住建部《試點城市內(nèi)澇積水點分布圖繪制說明》，確立內(nèi)澇積水點統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)：深度超過15cm的時間超過2h區(qū)域可以認(rèn)為是內(nèi)澇積水區(qū)域，內(nèi)澇積水區(qū)域面積大于500m2視為內(nèi)澇積水點。根據(jù)模型體系計算成果，寧波市海綿城市試點區(qū)域現(xiàn)狀內(nèi)澇積水點分布見表3。

(1)慈城古鎮(zhèn)共有三處較大面積內(nèi)澇點，且受淹頻率較高，主要積水原因為古鎮(zhèn)合流制排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低于1年一遇且設(shè)施陳舊；地勢低洼。建議結(jié)合古縣城改造，完善排水系統(tǒng)；進(jìn)行局部出入口改造，并加強內(nèi)河水位管理，發(fā)揮護(hù)城河作用。

(2)慈城新區(qū)已建成部分融入了澳大利亞水敏感城市設(shè)計理念，建設(shè)年代較近，排水系統(tǒng)，因此除排水系統(tǒng)正在建設(shè)中的維拉小鎮(zhèn)二期，片區(qū)基本不存在內(nèi)澇積水點。

(3)謝家地塊和天水家園以北地塊均存在較多內(nèi)澇積水點，其主要原因為地勢低洼和排水口河道水位頂托。建議源頭進(jìn)行海綿化改造，減少產(chǎn)水量，同時在排水管網(wǎng)末端設(shè)置排水泵站。

(4)灣頭地塊10年一遇開始出現(xiàn)大面積積水，主要原因是部門姚江堤岸未完成建設(shè)，因此建議源頭進(jìn)行海綿化改造，減少產(chǎn)水量，并同時完成姚江封閉。

表3 寧波市海綿城市試點區(qū)域現(xiàn)狀內(nèi)澇積水點分布情況表

(5)前洋立交東北側(cè)地塊、姚江新區(qū)啟動區(qū)、姚江新區(qū)等片區(qū)下墊面主要為農(nóng)田、村莊，因此出現(xiàn)大面積積水，但未詳細(xì)列入表3。

4 結(jié)語

本文建立了以甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型為基礎(chǔ)的模型體系，根據(jù)模型分析結(jié)果，除慈城古鎮(zhèn)外，寧波市海綿城市試點區(qū)域內(nèi)澇積水主要原因為排水口河道水位頂托和姚江堤防未封閉。由此可得出推論，由于獨立建立研究區(qū)域雨洪模型，并使用常水位、警戒水位等固定水位邊界的做法不能準(zhǔn)確模擬排水口河道水位頂托和姚江漫堤的情況，因此以甬江流域一維河網(wǎng)水動力模型為基礎(chǔ)計算研究區(qū)域雨洪模型邊界是有必要的。