水力模型在城市漬水原因分析及方案評估中的應(yīng)用

張文博,杜立剛

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430021)

0 引言

武漢市某高新區(qū)作為國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),集中了大批高新技術(shù)企業(yè)。但由于歷史原因,該地區(qū)部分區(qū)域豎向規(guī)劃不合理,地勢低洼,排水系統(tǒng)存在問題,造成汛期漬水的情況時有發(fā)生,城市運(yùn)行和居民安全受到嚴(yán)重影響。2021年6月27日,該地區(qū)出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨天氣,導(dǎo)致城區(qū)再次發(fā)生漬水,其中主干道G4局部最大漬水深度超過0.5 m,造成交通癱瘓達(dá)數(shù)小時之久。基于此,本文將G4所在的整個匯水區(qū)作為研究對象,借助水力模型軟件分析當(dāng)日漬水原因并嘗試提出解決方案。在眾多的水力模型軟件中,由于InfoWorks ICM不僅能較為真實(shí)地模擬管網(wǎng)系統(tǒng)與受納水體之間的相互作用,還能較好地耦合管網(wǎng)河道一維水力模型及城市地表二維洪澇淹沒模型,從而盡可能完整地模擬從降雨形成徑流到管網(wǎng)收集傳輸,最后再排入自然水體的整個過程[1-3],故本文采用InfoWorks ICM軟件來搭建研究區(qū)域的一維、二維耦合水力模型。

1 研究區(qū)概況

本次研究對象為主干道G4所在的整個匯水區(qū)——H匯水區(qū),總面積約30 km2,防澇標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。該匯水區(qū)按主干排水管涵可劃分為4個子系統(tǒng),包括G4、G1、GD、BH干管子系統(tǒng),4個子系統(tǒng)末端出口均為紅旗渠。當(dāng)紅旗渠水位不高時,4個子系統(tǒng)的雨水均由末端閘門控制自排進(jìn)入紅旗渠,然后通過紅旗渠排入TX湖(與外江連通);而當(dāng)紅旗渠水位上漲過高對上游形成頂托時,為保障某重要地塊排澇安全,GD干管子系統(tǒng)末端閘門關(guān)閉,系統(tǒng)內(nèi)雨水轉(zhuǎn)而先排入秀湖后再由秀湖泵站抽排至紅旗渠,其余子系統(tǒng)仍由閘門控制直接自排進(jìn)入紅旗渠。此外,由于H匯水區(qū)內(nèi)存在雨污混流的情況,因此為保護(hù)湖泊水環(huán)境,晴天和小雨時,G4和G1干管子系統(tǒng)主箱涵末端的閘門(截污閘)處于關(guān)閉狀態(tài),以截流旱季污水和初期雨水進(jìn)行處理,待雨勢變大時再開閘排澇。

2 模型構(gòu)建

將收集得到的H匯水區(qū)內(nèi)的勘測管線、港渠斷面、閘泵設(shè)施等數(shù)據(jù)在GIS中處理后導(dǎo)入模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概化,并根據(jù)不同類型下墊面確定適用的產(chǎn)匯流模型,最后結(jié)合區(qū)域地形數(shù)據(jù)進(jìn)行2D區(qū)間網(wǎng)格化以搭建H匯水區(qū)的一維、二維耦合水力模型。此外,相關(guān)邊界條件的設(shè)置主要包括降雨數(shù)據(jù)和紅旗渠末端出口的TX湖水位2個參數(shù),其中,降雨數(shù)據(jù)采用當(dāng)日實(shí)測降雨,TX湖水位采用其規(guī)劃最高控制水位。

3 運(yùn)行工況設(shè)置

分析該地區(qū)當(dāng)日漬水原因,初步推測可能存在3個方面的問題:一是區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低;二是系統(tǒng)出口紅旗渠過流能力不足;三是箱涵末端閘門管控不合理。基于此,分別制定了3種運(yùn)行工況以驗(yàn)證上述猜想。

3.1 工況一

為驗(yàn)證是否由于管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低造成地區(qū)漬水,將整個H匯水區(qū)與下游出流通道紅旗渠斷開且不設(shè)閘門,使H匯水區(qū)內(nèi)4個子系統(tǒng)的末端保持自由出流的狀態(tài),排除紅旗渠過流能力和末端閘門管控的影響,進(jìn)而模擬驗(yàn)證是否由于區(qū)域管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低造成了此次漬水。

3.2 工況二

保持H匯水區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)和出流通道紅旗渠之間的連通關(guān)系,考慮紅旗渠可能對管網(wǎng)系統(tǒng)造成的頂托,同時管網(wǎng)系統(tǒng)末端不設(shè)閘門,排除閘門管控的影響,以此來模擬驗(yàn)證是否由于紅旗渠過流能力不足造成了主干道G4的漬水。

3.3 工況三

在工況二的基礎(chǔ)上,在管網(wǎng)系統(tǒng)末端設(shè)置截污閘,同時考慮紅旗渠頂托和閘門管控的影響,且閘門開啟與當(dāng)日實(shí)際情況保持一致,即15點(diǎn)左右(雨峰過后)開啟,從而模擬驗(yàn)證是否由于閘門管控不合理造成了本次淹水。

4 結(jié)果與分析

4.1 漬水原因分析

從工況一模擬結(jié)果可以看出,整個H匯水區(qū)沒有出現(xiàn)成片的漬水高風(fēng)險區(qū)(漬水深度超過0.7 m的區(qū)域),且主干道GD和G4幾乎無明顯漬水風(fēng)險,表明在匯水區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)末端保持自由出流的暢通條件下,當(dāng)日的實(shí)際降雨不會導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的漬水,因此認(rèn)為造成此次漬水的原因并非該區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低(見圖1)。

圖1 工況一模擬結(jié)果

工況二模擬結(jié)果表明,主干道GD發(fā)生了較為明顯的漬水(局部最大深度在0.4～0.7 m),但G4仍未出現(xiàn)漬水風(fēng)險,同時在降雨過程中,紅旗渠上游的最高水位上漲至20.5 m,對管網(wǎng)頂托嚴(yán)重(見圖2)。通過分析認(rèn)為,紅旗渠確實(shí)存在過流能力不足的問題,由于紅旗渠無法同時滿足來自GD和G4的雨水排放,致使其水位快速上升對上游管網(wǎng)形成頂托,從而導(dǎo)致地勢較低、排水條件更為不利的GD發(fā)生較為明顯的漬水(由于未達(dá)到起泵條件,此時秀湖泵站尚未開啟)。然而,由于G4仍未出現(xiàn)漬水,因此紅旗渠過流能力不足同樣不是此次漬水問題的根源。

圖2 工況二模擬結(jié)果

工況三模擬結(jié)果顯示,主干道G4軟件學(xué)院門口發(fā)生了嚴(yán)重漬水,G1道口及周邊區(qū)域輕微漬水,與當(dāng)日實(shí)際情況基本相符(見圖3)。結(jié)合工況一和工況二的模擬結(jié)果綜合分析可知,在G1和G4主箱涵末端閘門保持關(guān)閉直至雨峰過后開啟的條件下,紅旗渠前期主要排放GD子系統(tǒng)的雨水,因而該條件下GD未發(fā)生明顯漬水,而G4由于兩個主箱涵末端閘門未及時開啟,導(dǎo)致出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的漬水。因此,認(rèn)為本次漬水的主要原因?yàn)槟┒碎l門管控不合理。

圖3 工況三模擬結(jié)果

4.2 改造方案研究

4.2.1 方案制定

通過上述分析可知,2021年6月27日主干道G4發(fā)生的局部嚴(yán)重漬水,一方面是由于其主干箱涵末端閘門開啟不及時所導(dǎo)致的;另一方面,作為整個H匯水區(qū)出流通道的紅旗渠雖然未直接導(dǎo)致本次漬水,但也確實(shí)存在過流能力不足的問題,致使地勢較低的GD干管子系統(tǒng)始終伴隨著較大的內(nèi)澇風(fēng)險。因此,為一勞永逸地解決H匯水區(qū)的易漬水問題,本文考慮從工程建設(shè)和管理提升兩個方面研究提出解決方案。

工程建設(shè)方面,由于紅旗渠起端與TX湖之間原本有一段溢流堰,標(biāo)高為18.5 m,若紅旗渠水位過高則可直接溢流進(jìn)入TX湖,以確保紅旗渠不會對上游形成頂托進(jìn)而造成漬水。但由于施工原因,該溢流堰被臨時用作施工便道并被抬高至20.5 m,致使在雨量較大時紅旗渠水位迅速上漲,進(jìn)而導(dǎo)致上游出現(xiàn)內(nèi)澇風(fēng)險。鑒于此,本文從節(jié)省投資的角度出發(fā),提出將施工便道高程降至原本的18.5 m,恢復(fù)其溢流功能。而在管理提升方面,研究提出建設(shè)H匯水區(qū)智慧水務(wù)信息平臺,以精確及時地感知區(qū)域漬水情況,快速有效地調(diào)度閘門泵站等水務(wù)設(shè)施,大幅提升排水防澇應(yīng)急管理效率,降低區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險。

4.2.2 效果評估

效果評估的工況為溢流堰恢復(fù)且完成了智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè),紅旗渠內(nèi)澇水可正常溢流至TX湖、G4和G1干管子系統(tǒng)主箱涵末端閘門能夠及時開啟,降雨條件分別為2021年6月27日實(shí)測降雨、50年一遇3小時設(shè)計暴雨、50年一遇一日設(shè)計暴雨。通過模擬發(fā)現(xiàn),工程實(shí)施后,GD、G4及G1等主干道的漬水風(fēng)險顯著下降,整個H匯水區(qū)內(nèi)也僅有個別局部低洼點(diǎn)內(nèi)澇風(fēng)險較高,因此可以認(rèn)為該方案成效顯著。

5 結(jié)論

(1)采用InfoWorks ICM軟件搭建了整個H匯水區(qū)的一維、二維耦合水力模型,同時針對2021年6月27日局部漬水問題的原因初步提出了3種猜想,分別是區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、系統(tǒng)出口紅旗渠過流能力不足、箱涵末端閘門管控不合理。

(2)為驗(yàn)證上述猜想,分別設(shè)置了3種運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。結(jié)果表明:①H匯水區(qū)的排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)滿足2021年6月27日降雨條件下的排澇需求;②系統(tǒng)出流通道紅旗渠確實(shí)存在過流能力不足的問題,但并非導(dǎo)致當(dāng)日主干道G4發(fā)生局部漬水的原因;③2021年6月27日主干道G4發(fā)生局部嚴(yán)重漬水的主要原因是其兩個主箱涵末端閘門開啟不及時。

(3)通過恢復(fù)紅旗渠起端與TX湖之間的溢流堰可以確保超過紅旗渠過流能力的澇水直接溢流進(jìn)入TX湖,不對上游造成頂托;此外,結(jié)合區(qū)域智慧水務(wù)信息系統(tǒng)建設(shè)可有效提升防澇應(yīng)急管理效率,顯著降低區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險。