成都市中心城區(qū)排澇能力提升規(guī)劃介紹
成都市中心城區(qū)排澇能力提升規(guī)劃介紹
楊森1，朱鋼2，陸柯2，易小楠2
(1.宜水環(huán)境科技<上海>有限公司，上海200040；2.成都市市政工程設(shè)計研究院，四川成都610015)
摘要：介紹了成都市中心城區(qū)排澇能力提升規(guī)劃宏觀思路，利用河網(wǎng)模型、二維地表漫流模型和片區(qū)精細化一維二維耦合模型，從宏觀層面分析了流域整體排水防澇系統(tǒng)格局特征和主城區(qū)的內(nèi)澇分布，同時從各排水片區(qū)的微觀層面評估了內(nèi)澇風險，并診斷了內(nèi)澇主因。在此基礎(chǔ)上制定的規(guī)劃工程與非工程措施因地制宜，針對性強。
1 項目背景和工作思路
成都市境內(nèi)河網(wǎng)密布，80余條河流穿城而過，多為寬淺河道。市區(qū)雨水系統(tǒng)絕大多數(shù)通過重力流排放入河，排河口有2 000多個，排水分區(qū)有600多個，由河道與地形分割而成。主城區(qū)骨干河道如清水河、府河、南河、沙河達到了100～200年一遇防洪標準，上游多數(shù)支河防洪能力為20～50年一遇。河網(wǎng)是主城區(qū)排水系統(tǒng)的主要排水廊道。當流域性暴雨或長歷時降雨導(dǎo)致河道水位較高時，管網(wǎng)系統(tǒng)有可能受河道高水位影響而排放不暢；在局部暴雨或短歷時暴雨下，河道水位上漲相對于本地集中暴雨對排水系統(tǒng)的影響滯后，雨水管網(wǎng)可能不會受到河道水位的影響或受影響甚微，此時管網(wǎng)系統(tǒng)的排澇能力成為關(guān)鍵。主城區(qū)的排水格局決定其洪澇風險必須考慮以下3種情形：①局部或短歷時強降雨下，管網(wǎng)系統(tǒng)排澇能力有限引起的局部積水。積水點的位置和水深與暴雨強度、歷時以及管網(wǎng)系統(tǒng)的排澇能力有關(guān)。②由于流域性長歷時降雨，導(dǎo)致城區(qū)河道水位較高，城區(qū)排水系統(tǒng)受河道水位影響。受影響的范圍和程度與降雨頻率、河道防洪標準以及石堤堰等分洪工程調(diào)度有關(guān)。③本地大暴雨與流域性大洪水組合。
因此，對成都市排澇問題的研究不能將河道防洪和管網(wǎng)排水按業(yè)務(wù)管理切割，必須從宏觀層面理清方向，了解流域整體排水防澇系統(tǒng)格局特征和不同區(qū)域的風險程度，再逐一研究各排水片區(qū)管渠系統(tǒng)的排澇問題。項目實施的技術(shù)思路如圖1所示。
2 流域河網(wǎng)模型應(yīng)用
2.1 河網(wǎng)模型的必要性
研究城區(qū)排水必須了解河網(wǎng)格局和在不同氣候條件下的動態(tài)特征，這就需要構(gòu)建研究區(qū)域水文模型和河網(wǎng)水動力模型，模擬設(shè)計洪水情形下河道的水力要素隨時間、空間的演變規(guī)律，為各排水片區(qū)利用精細化模型研究局部問題，提供清晰的邊界條件和技術(shù)依據(jù)。
另一方面，成都市轄區(qū)上下游河網(wǎng)地區(qū)的建設(shè)用地特征和重要性有差異，其防洪標準不同。實際上周邊城區(qū)為主城區(qū)分流和截流了部分洪水資源，分擔了部分洪水風險，并為城區(qū)河道提供了非雨季基流。上游石堤堰分洪樞紐工程可能會使下游部分河道由于水流特征的變化而導(dǎo)致行洪能力退化。城市的發(fā)展和一些河道的整治，將會對流域產(chǎn)匯流、水資源分配、排水系統(tǒng)帶來影響。這些河道工程將在提高局部地區(qū)防洪排澇能力的同時，造成城區(qū)上下游、東西向之間河網(wǎng)水流特征和防洪能力的重新調(diào)整，這一系列的相互影響是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。在河道工程規(guī)劃管理中必須綜合考慮水資源、水生態(tài)和防洪排澇。這一過程的預(yù)測是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理決策優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，必然需要河網(wǎng)模型作為技術(shù)支撐。
2.2 河網(wǎng)模型
本規(guī)劃中河網(wǎng)模型的范圍將以三環(huán)內(nèi)水系為研究核心，但考慮到水系的相互動態(tài)影響和可獲得的邊界資料情況，模型范圍外延到骨干水系的重要水文控制站或水利工程處。河網(wǎng)模型總概化面積約為344 km2，內(nèi)部河網(wǎng)概化充分考慮了河網(wǎng)分布和2013年布置的外環(huán)以內(nèi)377個測量斷面資料。概化后河網(wǎng)模型包括547個虛擬節(jié)點、596個河段和272個匯水區(qū)。在對研究區(qū)域內(nèi)的水系進行概化和集水區(qū)劃分后，利用XPSWMM仿真模擬軟件進行河網(wǎng)水系的水文、水動力耦合計算。
采用2013年7月9日—10日的流域性長歷時暴雨檢驗?zāi)Ｐ停Σ煌O(shè)計頻率下模擬洪水與2002年防洪規(guī)劃成果進行了比較。結(jié)果表明，在望江樓水文站，流量峰值及其出現(xiàn)時間的模擬值與實測值非常接近（見表1）；同時，流域性50、100和200年一遇設(shè)計洪水計算結(jié)果（峰值流量分別為932、1 140、1 311 m3/s）與防洪規(guī)劃成果（設(shè)計流量分別為1 010、1 160、1 310 m3/s）接近。由此可認為河網(wǎng)模型的概化、河道主要特征的體現(xiàn)和計算結(jié)果合理。
利用檢驗后的模型對多種設(shè)計水文條件組合進行模擬，結(jié)果表明：一系列河道和水利工程提高了中心城區(qū)河道抵抗流域性大洪水的能力；主城區(qū)河道的防洪能力達到100～200年一遇，周邊地區(qū)防洪能力多數(shù)為20～50年一遇，部分地區(qū)不足20年一遇（見圖2）。
市區(qū)周邊不同區(qū)域河道防洪能力差異很大，對管網(wǎng)的影響也會不同。在城市不斷發(fā)展、舊城改造、河道整治工程逐漸實施過程中，河道排水能力將逐漸增加并相互影響，將會增加中心城區(qū)洪水季節(jié)河道流量。因此，防洪和排澇是否首先考慮“排”需要慎重，“排”的同時會影響下游洪峰，導(dǎo)致非雨季河道流量偏少，影響河道基流、生態(tài)和水質(zhì)。成都平原豐富的天然水系賦予了成都獨特的城市水生態(tài)和沿河文化，不可逆的河道工程需要從流域水資源綜合管理和保持原始河流水文生態(tài)特征角度加以考慮。
3 內(nèi)澇風險評估
在確定了河網(wǎng)的排水能力和設(shè)計水位后，由于局部暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇風險分析分為中心城區(qū)宏觀分析和局部內(nèi)澇精細化分析兩個階段。
3.1 中心城區(qū)宏觀分析
內(nèi)澇風險識別成果是主城區(qū)建設(shè)、用地規(guī)劃、水務(wù)工程和應(yīng)急管理的重要決策依據(jù)之一。為識別中心城區(qū)在極端局部大暴雨下可能發(fā)生的積水風險，本項目采用二維地表漫流水力學(xué)模型模擬了中心城區(qū)100年一遇6 h設(shè)計暴雨下的積水情形（如圖3所示），并結(jié)合歷史內(nèi)澇積水調(diào)查，確定中心城區(qū)主要的22個易淹區(qū)和51個易澇點。
3.2 局部積水區(qū)域精細化分析
進一步對中心城區(qū)確定的易澇點所在的各排水片區(qū)建立精細化模型，包括：①片區(qū)匯水范圍內(nèi)的雨水管渠、檢查井、連接暗井和出水口的網(wǎng)絡(luò)拓撲概化，及其屬性數(shù)據(jù)的查遺補缺和核實。②綜合考慮了地面高程、地塊接入市政管網(wǎng)的管道接口、建筑和道路背景、影像圖以及可以獲取的地塊內(nèi)雨水管道等因素劃分的詳細集水區(qū)。③依據(jù)下穿通道泵站的運行記錄或運行原則，以及水泵的特性曲線或設(shè)計流量進行泵站概化。例如，人民公園片區(qū)模型概化圖如圖4所示。
利用2011年7月3日特大暴雨時主城區(qū)發(fā)生的內(nèi)澇積水情形進行各片區(qū)精細模型的合理性檢驗。經(jīng)檢驗后的各片區(qū)模型用于管網(wǎng)的排水能力分析和不同設(shè)計降雨頻率下（10、20、50和100年一遇）的內(nèi)澇風險分析，包括積水范圍(如圖５所示)、水深、影響對象和風險程度。
掌握各片區(qū)內(nèi)澇風險是制定綜合應(yīng)對措施的基礎(chǔ)。工程措施作為綜合措施中的重要選項之一，往往投資較大，規(guī)劃工程措施的制定應(yīng)要考慮工程效益的最大化。因此，工程措施在理清引起各片區(qū)內(nèi)澇的主導(dǎo)因素之后方可“對癥下藥”。在內(nèi)澇成因分析中，需要考慮以下兩種下邊界條件：①下邊界條件為自由出流，排水片區(qū)不受河道水位頂托影響。此種情形下，各片區(qū)的排澇能力最大。在遭遇設(shè)計頻率降雨條件下，如50年一遇6 h設(shè)計暴雨，片區(qū)若有內(nèi)澇產(chǎn)生，是排水系統(tǒng)自身的排澇能力局限所致，這是系統(tǒng)內(nèi)因。②排水片區(qū)受河道洪水位和局部暴雨的共同影響。此種情形下，排水系統(tǒng)遭遇本地強降雨和流域性強降雨引起的外洪疊加影響。外洪對片區(qū)排澇的影響程度取決于片區(qū)排水管道系統(tǒng)的豎向高程、河道洪水位和本地暴雨特征，需進行邊界水位的敏感性分析。各片區(qū)下河口處的河道洪水位來自于河網(wǎng)模型的計算成果。由于河道洪水位與片區(qū)局部暴雨的頻率組合眾多，在項目中僅考慮了50年一遇河道洪水位與片區(qū)同時遭遇50年一遇6 h設(shè)計暴雨的情形。
通過模擬分析，中心城區(qū)各片區(qū)內(nèi)澇的影響因素總結(jié)如下：①內(nèi)因，包括局部地勢低洼、骨干管渠排澇能力不足、局部管網(wǎng)排澇能力不足、下游骨干管網(wǎng)回水影響；②外因，主要是河道外洪水位頂托。在本項目中判斷排水片區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇的主導(dǎo)因素是內(nèi)因還是外因，又或者是內(nèi)、外因共同作用，方法如下：滿足CA≤30%和(CB≥85%或HB≥85%)的排水片區(qū)的內(nèi)澇主導(dǎo)因素為內(nèi)因，滿足CA＞50%和(CB＜50%或HB＜50%)的排水片區(qū)的內(nèi)澇主導(dǎo)因素為外因，其余情況為內(nèi)因和外因共同影響。其中，CA、CB和HB的定義如下：①排水片區(qū)遭遇50年一遇6 h設(shè)計暴雨時，50年一遇外洪水位影響下的淹沒水深和淹沒范圍面積分別用DL和AL表示，自由出流下的淹沒水深和淹沒范圍面積分別用DF和AF表示。②淹沒范圍變化率CA=(AL-AF)/AF。③淹沒范圍重疊區(qū)域下的淹沒水深變化FD=DL-DF（按模型二維網(wǎng)格統(tǒng)計）；FD≤0.1 m的面積記為AFD；AFD與AF的比例記作CB，即CB=AFD/AF。④淹沒范圍重疊區(qū)域下的淹沒水深變化率SD=(DL-DF)/DF（按模型二維網(wǎng)格統(tǒng)計）；SD≤0.3的面積記為ASD；ASD與AF的比例記作HB，即HB=ASD/AF。
提升防澇能力綜合措施的制定在內(nèi)澇主因掌握透徹之后變得更有針對性。規(guī)劃確定了中心城外環(huán)生態(tài)區(qū)建設(shè)兼具蓄洪和滯洪功能的大型湖泊和濕地，以及下游排洪河道的達標整治，提升中心城區(qū)的防洪排澇能力；各排水片區(qū)內(nèi)部通過有限的工程治理（管網(wǎng)改擴建，局部下穿通道泵站強排升級以及進出口道路標高優(yōu)化攔阻客水）、超標泄流路徑規(guī)劃、應(yīng)急管理措施（監(jiān)測、預(yù)警，應(yīng)急排水和應(yīng)急指揮）和地塊開發(fā)時的LID措施，提升片區(qū)的排澇能力。
4 結(jié)論
防洪排澇需要轉(zhuǎn)變思路，從風險管理和平衡角度，識別潛存風險，診斷洪澇主導(dǎo)因素，因地制宜制定綜合措施，回避高風險。在成都中心城區(qū)排澇能力提升規(guī)劃中使用的扎實基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、以風險評估為向?qū)У囊?guī)劃理念和仿真模擬技術(shù)手段，三個方面結(jié)合得出的規(guī)劃成果，為掌握宏觀、多部門技術(shù)合作和精細化排水管理進行了有益的探索。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第3期“城市雨水管理”欄目）
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