南昌市青山湖排水區(qū)排澇規(guī)劃技術(shù)介紹 （本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第23期“城市雨水管理”欄目。作者為同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院吳雪軍；3.南昌航空大學(xué)數(shù)學(xué)

根據(jù)國務(wù)院辦公廳2013年3月發(fā)布的《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》（國辦發(fā)［2013］23號）以及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2013年6月印發(fā)的《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》（以下簡稱《大綱》）要求，南昌市于2013年10月—2014年5月完成了《南昌市城市雨水防澇綜合規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），《規(guī)劃》于2014年6月通過了專家評審。筆者以南昌市青山湖排水區(qū)為例，闡述了《規(guī)劃》的主要技術(shù)特點(diǎn)以及水力模型在《規(guī)劃》編制中相關(guān)技術(shù)方法的應(yīng)用。

1 區(qū)域現(xiàn)狀

1.1 區(qū)域介紹

南昌市地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，全市以平原為主，東南平坦，西北丘陵起伏，中心城區(qū)分昌南城和昌北城，總規(guī)劃面積為330km²。昌南城區(qū)規(guī)劃面積為210km²，地形平坦，地勢西南高（高程為24~28m）、東北偏低（高程約為20m）。青山湖排水區(qū)位于昌南城區(qū)中北部，面積為52km²，屬南昌市老城區(qū)，也是全市內(nèi)澇災(zāi)害較為頻發(fā)的區(qū)域。

1.2 排水管網(wǎng)

青山湖排水區(qū)現(xiàn)狀排水體制為截流式合流制，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有排水管237km，中途提升泵站4座，立交雨水泵站4座。

1.3 水系及排澇泵站

青山湖排水區(qū)現(xiàn)有水系主要為玉帶河水系和青山湖，河道總長為18.63km，青山湖位于水系末端，河湖總面積為3.56km²。雨季澇水通過城市排水管網(wǎng)匯入玉帶河和青山湖，經(jīng)青山湖調(diào)蓄后，由青山閘自排或青山湖排澇站提排入贛江。青山湖電排站的總裝機(jī)容量為8000kW，總設(shè)計(jì)排澇流量為77.6m³/s。

1.4 降雨條件

南昌市雨量充沛，多年平均降雨量為1645mm，年最大降雨量為2356mm（1954年），年最小降雨量為1046.2mm（1963年），最大日暴雨量為289mm（1973年），最大時(shí)降雨量為58.7mm。根據(jù)南昌市氣象站提供的降雨統(tǒng)計(jì)資料，20年一遇最大日降雨量為186mm，50年一遇最大日降雨量為248.6mm。

2 規(guī)劃思路

對青山湖排水區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行充分調(diào)查，建立區(qū)域地形和排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并構(gòu)建排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過模型模擬，評估現(xiàn)狀排水設(shè)施能力和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)程度，劃分積澇區(qū)域。然后，根據(jù)南昌市降雨、土壤、水資源、土地利用等因素，綜合考慮“蓄、滯、滲、凈、用、排”等多種措施組合，再經(jīng)水力模型模擬，確定青山湖排水區(qū)防澇系統(tǒng)最優(yōu)方案。

3 水力模型應(yīng)用

《規(guī)劃》利用MikeUrban、Mike 11和Mike 21水力模型軟件，分別建立城市管網(wǎng)模型、河道模型以及二維地表漫流模型，并利用MikeFlood軟件平臺將三者進(jìn)行耦合模擬。

3.1 城市排水管網(wǎng)模型

Mike Urban Cs包括降雨徑流模塊（Rainfall-Runoff）和水動力學(xué)模塊（Hydrodynamics）。

3.1.1 管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)字化模型的建立

將現(xiàn)有排水系統(tǒng)CAD資料進(jìn)行概化整理后，轉(zhuǎn)化成管網(wǎng)GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)文件，導(dǎo)入Urban水動力模塊中，建立Mouse管網(wǎng)模型，并對其核查、整理。同時(shí)將模型中泵站、閘、堰等構(gòu)筑物的屬性參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充完善。

3.1.2 降雨徑流模型的搭建

徑流模型主要用于地表徑流的計(jì)算，包括降雨條件的處理、集水區(qū)的劃分和參數(shù)的設(shè)置等。

① 降雨條件的處理

降雨條件的處理關(guān)鍵是選擇合理的降雨雨型，《大綱》中要求采用短歷時(shí)降雨和長歷時(shí)降雨兩種雨型。南昌市降雨統(tǒng)計(jì)資料顯示，短歷時(shí)強(qiáng)降雨中，單峰雨型占多數(shù)，雨峰一般在前部和中部，在后部的較少，且雨峰位置大多在0.3~0.4之間，基本符合芝加哥雨型的特點(diǎn)，選用芝加哥雨型較為合適�！兑�(guī)劃》中南昌市短歷時(shí)降雨雨型時(shí)間序列數(shù)據(jù)是利用芝加哥降雨過程線將現(xiàn)有的暴雨強(qiáng)度公式轉(zhuǎn)換成單峰降雨曲線得到的，雨峰系數(shù)取0.35，降雨歷時(shí)采用2h。南昌市3年一遇2h暴雨雨型如圖1所示，該雨型最大降雨強(qiáng)度為10.4mm/min，2h總降雨量約為70mm。

圖1 南昌市3年一遇2h暴雨雨型

前已述及，南昌市20年一遇和50年一遇最大日暴雨量分別為186和248.6mm。由于南昌之前沒有權(quán)威的長歷時(shí)雨型資料，而《規(guī)劃》編制時(shí)間緊迫，為了選擇合適的長歷時(shí)雨型，編制中根據(jù)南昌市已有記錄的2012年5月12日特大暴雨降雨雨型進(jìn)行比例放大處理。南昌市2012年5月12日每分鐘自動統(tǒng)計(jì)降雨資料顯示，該日降雨量為152.8mm，由于降雨異常集中，市區(qū)朝陽中路、京山老街、老福山、孺子路、南京西路等地和江鈴、解放西路等立交橋出現(xiàn)較嚴(yán)重積水，積水點(diǎn)46處，積水總面積約為12×10⁴m²，水深大多在0.2～1m，最深處超過2m。2012年5月12日的降雨雨型較具有代表性，《規(guī)劃》將該日數(shù)據(jù)進(jìn)行比例放大處理，作為設(shè)計(jì)雨型。

② 集水區(qū)的面積劃分與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)排水區(qū)DEM數(shù)字高程圖、檢查井和管道位置自動劃分集水區(qū)，修正不合理的集水區(qū)，連接各集水區(qū)和檢查井。

由于青山湖排水區(qū)內(nèi)高度城市化，選用Urban中的時(shí)間面積（T-A）法作為區(qū)域降雨徑流模型，T-A模型包括5個(gè)參數(shù)：集水時(shí)間、初損、水文衰減系數(shù)、不透水面積率、T-A曲線類型。根據(jù)實(shí)際情況，各集水區(qū)集水時(shí)間根據(jù)地表流速為0.3m/s自行計(jì)算，初損取1mm，水文衰減系數(shù)取0.9，不透水面積率自動提取屋面、道路等的面積，曲線類型選用面積隨時(shí)間增加的正三角形類型。

3.2 河道模型

Mike 11模型主要是建立河網(wǎng)、河道斷面、水工建筑物、邊界條件等數(shù)據(jù)文件。

3.2.1 河網(wǎng)文件

在青山湖排水區(qū)水系CAD地形圖中勾勒出水系位置泓線，通過ArcGIS軟件生成Shape文件，將其導(dǎo)入到Mike 11模型中生成河網(wǎng)文件。編輯定義各河道名稱、流向，并確定上下游連接關(guān)系。

3.2.2 河道斷面

輸入各河道斷面數(shù)據(jù)，包括河道形狀、河床標(biāo)高和河道糙率等，將各斷面對應(yīng)的里程位置作為水位計(jì)算點(diǎn)，在水位計(jì)算點(diǎn)之間插入里程樁號作為流量計(jì)算點(diǎn)，控制河道斷面間距不大于150m，在特殊位置（如有水工構(gòu)筑物、管道排出口等）前后加密斷面數(shù)據(jù)，以滿足計(jì)算精度。

3.2.3 水工構(gòu)筑物

排水區(qū)內(nèi)玉帶河水系中的西支和南支各有一道攔水固定堰，青山湖末端設(shè)有電排站，模型中水工構(gòu)筑物處應(yīng)為流量計(jì)算點(diǎn)，而不能作為水位計(jì)算點(diǎn)。固定堰選用寬頂堰公式，需輸入堰寬和堰高參數(shù)。電排站參數(shù)需輸入開停泵水位、時(shí)間、水泵流量等。

3.2.4 邊界條件

邊界條件主要包括降雨、流量、水位等。降雨條件前已述及。MikeUrban管網(wǎng)模型和Mike 11河道模型耦合后，各管網(wǎng)出水口流量時(shí)間序列文件自動作為邊界條件。電排站前池的初始水位為16.00m，外排贛江的水位選取頻率P分別為1%、2%、5%三種洪水位情況進(jìn)行模擬。

3.3 二維地表漫流模型

根據(jù)南昌市青山湖排水區(qū)1∶1000的地形圖構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）。為了獲得合理的積水模擬數(shù)據(jù)，需將現(xiàn)有建筑、水系范圍內(nèi)的地面標(biāo)高拔高處理。

3.4 模型耦合

降雨在地面、管網(wǎng)、河道中流動，單獨(dú)的模型無法完整地反映降雨的全過程流動情況，需要將三者動態(tài)地聯(lián)系起來，MikeFlood平臺共有6種連接形式，將Mike Urban、Mike 11和Mike21相互連接耦合起來，從而精確模擬地面二維坡面流、排水管網(wǎng)流、明渠流、各種水工構(gòu)筑物水流的相互影響情況。

3.5 模型檢驗(yàn)

青山湖排水區(qū)的排澇模型建好后，需要對其合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。把雨量站自動統(tǒng)計(jì)的2012年5月12日的暴雨雨型輸入模型，進(jìn)行耦合模擬，將模擬結(jié)果與2012年5月12日發(fā)生暴雨時(shí)的積水歷史記錄進(jìn)行對比。對比結(jié)果顯示，積水范圍、深度、時(shí)段等數(shù)據(jù)吻合得較好，青山湖排水區(qū)的京山老街、老福山、孺子路和南京西路以及江鈴立交、解放西路立交等都有積水，積水面積、深度與實(shí)際情況都基本一致。經(jīng)過檢驗(yàn)，建立的排澇模型合理，可以使用。

4 現(xiàn)狀排水能力評估

現(xiàn)狀排水能力分析一般采用短歷時(shí)降雨條件，《規(guī)劃》中分別采用了1年、2年、3年和5年四個(gè)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)降雨條件進(jìn)行模擬，模擬是在MikeFlood平臺中，將MikeUrban和Mike 21二者耦合，并考慮地面最大積水深度為3cm。模擬結(jié)果表明，青山湖排水區(qū)的管道總長為237km，其中，<1年一遇、1~2年一遇、2~3年一遇、3~5年一遇、≥5年一遇的管網(wǎng)長度分別為98.8、104.0、18.7、8.2、7.3km。排水區(qū)內(nèi)管道有41.7%不能滿足1年重現(xiàn)期，另外有2座立交雨水泵站不能滿足3年重現(xiàn)期。

5 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估

5.1 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

《大綱》中推薦按低、中、高三個(gè)級別評估風(fēng)險(xiǎn)等級，但未提出具體的等級判別標(biāo)準(zhǔn)。《規(guī)劃》結(jié)合南昌市實(shí)際情況，根據(jù)不同的積水深度和積水時(shí)間對人、車出行及人身安全造成的影響程度劃分出不同的風(fēng)險(xiǎn)等級，詳見表1，以此標(biāo)準(zhǔn)通過模擬獲得各個(gè)內(nèi)澇區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級平面圖，從而統(tǒng)計(jì)出易澇點(diǎn)的個(gè)數(shù)和不同風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)域的面積。

表1 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

5.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估

內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析一般采用長歷時(shí)降雨條件，《規(guī)劃》中采用了50年一遇24 h暴雨雨型進(jìn)行模擬，利用Mike Flood 平臺，將Mike Urban、Mike 11和Mike21三者耦合，結(jié)果見圖2。經(jīng)模擬和統(tǒng)計(jì)，南昌市青山湖排水區(qū)易澇點(diǎn)為53個(gè)，內(nèi)澇低、中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別為0.08、0.1、0.12km²�，F(xiàn)狀青山湖電排站的排澇能力基本滿足50年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 南昌市青山湖排水區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)

5.3 主要內(nèi)澇成因分析

① 管網(wǎng)排水能力不足：如青山湖以北的江紡路、青山北路附近片區(qū)，積水深度普遍大于0.3m。從江防路管道斷面圖可以看出，瞬時(shí)最大積水深度達(dá)到1.2m。積水原因主要是管網(wǎng)不完善，現(xiàn)有管道斷面偏小，青山北路溢流口排水能力小。規(guī)劃方案中通過采用完善管網(wǎng)、擴(kuò)大管道斷面、加長溢流堰等措施，經(jīng)模擬可以解決該片內(nèi)澇問題。

② 局部地勢低洼：主要積水點(diǎn)為陽明東路以北的住宅區(qū)、南京西路和賢士一路交口附近、北京西路省政府大院內(nèi)、文教路省圖書館附近、東側(cè)住宅區(qū)等。主要積水原因?yàn)榫植康貏荼戎車�偏低。通過提高地面標(biāo)高、低洼地增設(shè)調(diào)蓄池和新增排水管等措施，經(jīng)模擬可以解決此積水問題。

③ 立交泵站標(biāo)準(zhǔn)偏低：南京西路立交、北京西路立交和解放路立交由于建設(shè)較早、標(biāo)準(zhǔn)偏低，解放路立交最大積水深度達(dá)到4.5m。通過增大水泵裝機(jī)容量、擴(kuò)大出水管斷面等措施，經(jīng)模擬可以解決此積水問題。

6 系統(tǒng)規(guī)劃

6.1 規(guī)劃期限

規(guī)劃基準(zhǔn)年為2012年，規(guī)劃期限為2020年。近期建設(shè)規(guī)劃期限至2017年。

6.2 規(guī)劃目標(biāo)

根據(jù)《大綱》要求和南昌市實(shí)際情況，確定以下規(guī)劃目標(biāo)：①短歷時(shí)降雨低于雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，地面積水<3cm。②長歷時(shí)降雨低于城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，城市不出現(xiàn)積水深度>27cm、面積>200m²、積水時(shí)間>1h的內(nèi)澇災(zāi)害。③發(fā)生超過城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)的降雨時(shí)，超標(biāo)準(zhǔn)雨水通過排泄通道泄流，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)，提前做好內(nèi)澇預(yù)案工作，包括調(diào)蓄水位降低、低洼路段交通組織、人員疏散等等，確保城市運(yùn)轉(zhuǎn)基本正常，不造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

6.3 規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)

① 老城區(qū)改造后雨水綜合徑流系數(shù)控制在0.55。

② 有內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)雨水管渠重現(xiàn)期不滿足1年的，本次規(guī)劃改造達(dá)到大于或等于3年；其他區(qū)域內(nèi)重現(xiàn)期不滿足1年的，待以后城區(qū)道路改造、小區(qū)改造、低洼舊城改造以及架空線入地等其他管線改造時(shí)，逐步改造為3年重現(xiàn)期。已建下穿立交重現(xiàn)期采用10年，新建下穿立交重現(xiàn)期采用20年，隧道重現(xiàn)期采用20年。

③ 南昌市是省會城市，治澇標(biāo)準(zhǔn)確定為50年一遇暴雨不發(fā)生內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

6.4 規(guī)劃方案

通過對現(xiàn)有排水系統(tǒng)調(diào)查、模擬評估現(xiàn)有排水能力和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)情況，查找出問題和原因，采用控制雨水徑流、改造現(xiàn)有排水系統(tǒng)、新增管網(wǎng)和調(diào)蓄設(shè)施、整治河道等手段，經(jīng)水力模型模擬，尋求最優(yōu)規(guī)劃方案，達(dá)到排澇規(guī)劃目標(biāo)。

6.4.1 雨水徑流控制

① 徑流量控制

《規(guī)劃》中將滲透鋪裝地面、下凹式綠地、生態(tài)植草溝、雨水調(diào)蓄池、人工濕地等雨水滲、滯、蓄設(shè)施與自然洼地或水塘相結(jié)合，形成具有“城在湖中，湖在城中”的南昌城市特色的雨水滲蓄系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的控制指標(biāo)，通過以上措施使青山湖排水區(qū)的雨水綜合徑流系數(shù)由現(xiàn)有的0.63減小到0.55。

② 徑流污染控制

控制初期雨水是城市雨水徑流污染控制的一項(xiàng)主要舉措，《規(guī)劃》中沿玉帶河增設(shè)截流、調(diào)蓄箱涵31.8km，箱涵最大斷面B×H=9m×2.5 m，使區(qū)域初期雨水調(diào)蓄容積擴(kuò)大到25×10⁴m³，總體實(shí)際截流倍數(shù)由原來的2提高到5以上，通過河道模型（Mike11）水質(zhì)模擬，玉帶河、青山湖能達(dá)到Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

6.4.2 管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃

① 排水體制

青山湖排水區(qū)現(xiàn)狀主要以截流式合流制為主，《規(guī)劃》近期采用分流制和截流式合流制并存的排水體制，遠(yuǎn)期改造成分流制排水體制。

② 排水管渠及泵站

為解決青山湖排水區(qū)積水點(diǎn)較多、積水面積較大的問題，通過完善管網(wǎng)、改擴(kuò)建主要排水通道、改造溢流口、加大泵房裝機(jī)容量等，經(jīng)過模擬校核，需新增管網(wǎng)長度為125.4km，改建管網(wǎng)長度為69.5km，管渠斷面為管徑DN600到箱涵斷面B×H=9m×2.5m，擴(kuò)大南京西路、北京西路、壇子口、解放西路四處下穿立交雨水泵站裝機(jī)規(guī)模。改擴(kuò)建的主要排水通道有青山北路、永外正街、疊山路、北京西路、香江路、解放西路6條主下水道。

③ 防澇系統(tǒng)規(guī)劃

現(xiàn)狀青山湖排水區(qū)已形成了比較完善的澇水排泄系統(tǒng)，防澇設(shè)施主要有青山湖電排站、青山閘、青山湖調(diào)蓄區(qū)以及澇水匯集溝渠。澇水匯集溝渠主要為玉帶河（包括玉帶河總渠、西支、東支、南支和北支），澇水通過青山閘自排（贛江水位低時(shí)）或青山湖電排站電排（贛江水位高時(shí)）入江。區(qū)域內(nèi)雨水調(diào)蓄容積達(dá)300×10⁴m³，調(diào)蓄水面占排水區(qū)域面積的6%左右。經(jīng)過模擬，電排站排澇流量、調(diào)蓄容積以及河道斷面、控制水位均滿足規(guī)劃50年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)要求�？紤]現(xiàn)狀部分河段有淤積現(xiàn)象，《規(guī)劃》要求對淤積河段進(jìn)行清淤，充分發(fā)揮河道過水能力。

7 結(jié)論

① 通過對南昌市青山湖排水區(qū)的排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，查找出內(nèi)澇問題和原因，通過采取控制雨水徑流、改造現(xiàn)有排水系統(tǒng)、新增管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施等手段，經(jīng)反復(fù)模擬，尋求最優(yōu)規(guī)劃方案，達(dá)到了排澇規(guī)劃目標(biāo)。

② 利用水力模型輔助排水防澇規(guī)劃，是行業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，《規(guī)劃》在水力模型應(yīng)用方面介紹了一些主要技術(shù)內(nèi)容。另外，根據(jù)南昌市的實(shí)際特點(diǎn)，在降雨雨型、風(fēng)險(xiǎn)等級劃分、規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃目標(biāo)等方面提出了具體的數(shù)據(jù)指標(biāo)，并闡述了主要規(guī)劃方案，以期為類似項(xiàng)目提供有益參考。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第23期“城市雨水管理”欄目。作者為同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院吳雪軍；3.南昌航空大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院楊就意）

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