基于城市雨洪模型的市政排水與水利排澇標準銜接研究

黃國如,王 欣

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東 廣州 510640)

基于城市雨洪模型的市政排水與水利排澇標準銜接研究

黃國如1,2,王 欣1

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東 廣州 510640)

針對目前存在的市政排水與水利排澇兩個標準的銜接仍無規(guī)范統(tǒng)一方法的問題,以廣州市東濠涌流域為研究區(qū)域,采用城市綜合流域排水模型InfoWorks ICM建立東濠涌流域管道、河道及地面二維耦合模型,分析計算市政排水1年一遇與水利排澇5年一遇以及市政排水1年一遇與水利排澇10年一遇兩種情況下的標準銜接關(guān)系,為城市排水防澇規(guī)劃設計提供技術(shù)支撐。結(jié)果表明：1年一遇市政排水標準與10年一遇水利排澇標準的組合能夠滿足流域澇水順利排除的要求,但管道排水口底高程距河底高程的距離過短也會對管道的水位頂托產(chǎn)生一定影響,故建議城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃建設應至少保證排水口底高程高于河道底高程0.5 m以上。

市政排水;水利排澇;標準銜接;城市雨洪模型;廣州市

城市內(nèi)澇是指因強降水或持續(xù)性降水超出城市的排水能力而導致城市積水災害的現(xiàn)象[1]。對于近年來頻頻發(fā)生的城市內(nèi)澇災害,人們試圖通過提高城市管道設計標準以及重新制定暴雨強度公式等措施來解決。實際上,一個更為突出的問題是市政排水與水利排澇之間存在標準銜接問題[2]。市政排水是指利用市政管網(wǎng)匯集較小面積的雨水并最終排入干、支流河道,主管部門為城建部門;水利排澇則是在農(nóng)田排澇計算的基礎上發(fā)展而來,主要是排除由市政管渠及地面匯流等匯入河道產(chǎn)生的較大區(qū)域暴雨澇水,主管部門為水利部門[3]。目前,市政排水與水利排澇兩個標準的銜接仍無規(guī)范統(tǒng)一的方法,因而研究城市排水標準與排澇標準的銜接關(guān)系,找出一套解決排水標準與排澇標準銜接問題的合理方法,保證設計重現(xiàn)期內(nèi)的降雨能夠順利排出，是非常必要的[4]。發(fā)達國家的城市排水體系大多為“雙排水系統(tǒng)”,即有大、小兩套系統(tǒng)。美國和澳大利亞標準體系明確了小暴雨排水系統(tǒng)和大暴雨排水系統(tǒng)控制標準[5]。小排水系統(tǒng)一般針對城市常規(guī)降雨,通過雨水管道系統(tǒng)收集排放,設計暴雨重現(xiàn)期一般為2～10年一遇;大排水系統(tǒng)則主要針對城市的超常暴雨,由綠地、道路、調(diào)蓄水池及隧道等協(xié)同排除小排水系統(tǒng)無法傳輸?shù)膹搅?設計暴雨重現(xiàn)期一般為50～100年一遇。國外城市的防洪、排澇和管道標準其實是統(tǒng)一的,并不存在大、小排水系統(tǒng)標準無法銜接統(tǒng)一的情況。

國內(nèi)學者主要從暴雨選樣、設計暴雨重現(xiàn)期及設計排澇流量3方面研究市政排水與水利排澇間的標準銜接關(guān)系,然而現(xiàn)有的對比研究大多采用傳統(tǒng)方法進行分析計算[2-4, 6-8],未基于管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型進行兩級排澇標準間的銜接分析。有鑒于此,本文采用城市綜合流域排水模型(InfoWorks ICM)對廣州市東濠涌流域進行一維管網(wǎng)、一維河道及二維地表的耦合建模分析,更為真實地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用。

1 研究區(qū)域概況

東濠涌流域地處廣州最古老的中心城區(qū)越秀區(qū)境內(nèi),流域內(nèi)水系主要包括麓湖、東濠涌及新河浦涌。東濠涌發(fā)源于白云山長腰嶺之西,自北向南流經(jīng)鹿鳴崗、下塘村、越秀南路等地,沿途匯入六脈渠、孖魚崗涌、玉帶涌、新河浦涌來水,于江灣大酒店東邊的竺橫沙匯入珠江前航道,全流域面積12.40 km2。東濠涌上游為麓湖,麓湖控制集雨面積1.92 km2,東濠涌在麓湖以下的河長為4.08 km,其中上游段(麓湖至東風路段)為斷面規(guī)整的矩形暗渠箱,橫斷面寬5～8 m;下游段(截污閘至珠江前航道段)經(jīng)整治后為明渠河道,橫斷面寬11～31 m。新河浦涌連接東湖和東濠涌,沿程流經(jīng)東川路、東華路、東湖路,于廣東省省委附近匯入東湖,全長2.18 km,皆為明渠,橫斷面寬12～24 m。東濠涌流域水系如圖1所示。

圖1 東濠涌流域水系

2 InfoWorks ICM構(gòu)建

2.1 InfoWorks ICM簡介

InfoWorks ICM能完整地將城市排水管網(wǎng)、河道一維水力模型與城市/流域二維洪澇淹沒模型結(jié)合在一起,實現(xiàn)在單個模擬引擎內(nèi)組合這些模型引擎及功能。它可以完整地模擬城市雨水循環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合,更為真實地模擬城市排水系統(tǒng)與地表收納水體之間的交互作用。其主要模塊包括排水管網(wǎng)水力模型(水文模塊、管道水力模塊、污水量計算模塊等)、河道水力模型、二維城市/流域洪澇淹沒模型、實時控制模塊、水質(zhì)模塊、可持續(xù)構(gòu)筑物(SUDS)模塊等[3]。

InfoWorks ICM內(nèi)置可供選擇的匯流模型包括雙線性水庫(Wallingford)模型、大型貢獻面積徑流模型、SPRINT徑流模型、Desbordes徑流模型、SWMM徑流模型等,采用Preissmann Slot方法進行超負荷管道水流模擬,能夠模擬各種復雜的水力狀況;InfoWorks ICM可以模擬復雜的河網(wǎng)和滯洪區(qū),包括樹枝狀、分叉、回路河網(wǎng)以及受堤壩或防洪堤保護的滯洪區(qū),還可模擬復雜的水工結(jié)構(gòu),如泵、閘、堰等。二維城市洪澇淹沒模型作為一個精細的地面洪水演算模型,可根據(jù)地面高程模型反映道路、建筑物等對水流的引導和阻擋作用,反映地面上不同類型地塊，如道路、草地等，其糙率對流速的影響[9]。

2.2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其模型數(shù)據(jù)構(gòu)建

建模所需數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域內(nèi)的地形、排水管網(wǎng)、河道、道路及遙感影像等資料,為了得到精確完整的模型構(gòu)建數(shù)據(jù),對所獲資料進行如下處理。

a. 對CAD數(shù)據(jù)分別進行節(jié)點圖層、管線圖層、文字屬性及高程點等數(shù)據(jù)提取;

b. 將提取所得的節(jié)點、管線圖層數(shù)據(jù)及文字屬性數(shù)據(jù)分層導入GIS;

c. 采用GIS強大的空間分析功能匹配節(jié)點及管線的相關(guān)屬性;

d. 建立基于一定規(guī)則的節(jié)點、管線的拓撲關(guān)系,用SQL語句對節(jié)點管線的連接錯誤進行檢查糾錯;

e. 為了提高計算效率,本文僅對區(qū)域的排水干管進行計算分析,故需概化管道網(wǎng)絡,主要包括刪除雨水篦及其連接管線、刪除較小的支管;

f. 整理河道走向及斷面數(shù)據(jù);

g. 對高程點數(shù)據(jù)進行插值處理,查找高程突變,并進行糾錯;

將處理好的管道網(wǎng)絡數(shù)據(jù)導入InfoWorks ICM,并進行項目網(wǎng)絡檢查,最終得到東濠涌流域管網(wǎng)概化圖。概化后的管網(wǎng)主要包括2 997個節(jié)點、3 009個管道、38個出水口。

2.3 子匯水區(qū)劃分及參數(shù)設置

InfoWorks ICM采用分布式方法計算匯水區(qū)水量,即每個匯水區(qū)根據(jù)實際管網(wǎng)布置范圍劃分為一系列的子匯水區(qū),每個子匯水區(qū)再分為路面、屋面及其他等產(chǎn)流表面。計算引擎在產(chǎn)流表面的基礎上根據(jù)所采用的降雨徑流模型計算水量,然后每個子匯水區(qū)加和其所有產(chǎn)流表面產(chǎn)生的徑流,得到子匯水區(qū)總徑流量。每個匯水區(qū)及其內(nèi)部各產(chǎn)流表面的面積和相應參數(shù)設置對徑流量計算具有重要影響。采用InfoWorks ICM自動創(chuàng)建子匯水區(qū),再輔以手動調(diào)整,最終將整個區(qū)域劃分為2 897個子匯水區(qū),其中最小、最大子匯水區(qū)面積分別為0.001 hm2、7.019 hm2。

城市由不同類型的下墊面(可滲透/不可滲透)組成,每種表面對應的產(chǎn)匯流規(guī)律都不盡相同。參考InfoWorks ICM使用手冊及相關(guān)文獻[9],將東濠涌流域地形圖及遙感影像圖劃分為屋面、道路、其他3種,采用固定徑流比例模型(Fixed),參數(shù)為固定徑流系數(shù)。3種特定表面的產(chǎn)匯流參數(shù)見表1。

表1 地表產(chǎn)匯流參數(shù)

2.4 管道、河道與地面耦合

a. 管道與河道耦合。管網(wǎng)模型與河網(wǎng)模型主要通過管網(wǎng)出水口進行耦合,主要操作是將管道出水口拖拽至河道中心線,打斷生成新的河道斷面,并設定出水口節(jié)點類型為獨立節(jié)點(break),見圖2。東濠涌管網(wǎng)中共有38個出水口,其中,29個出水口直接排入河道,9個出水口排入流域內(nèi)較小的蓄水湖。

圖2 InfoWorks ICM管道與河道耦合示意圖

b. 管道與二維地面耦合。管道與二維地面耦合只需將2D區(qū)間內(nèi)所有節(jié)點的洪水類型設定為2D即可。

c. 河道與二維地面耦合。一維河道建立后,先創(chuàng)建河道邊界,河道邊界在2D網(wǎng)格化時起到空白區(qū)功能,使河道內(nèi)部不生成網(wǎng)格,網(wǎng)格沿著河道邊界生成。之后將2D區(qū)間和一維河道進行關(guān)聯(lián),建立溢流連接,即可使得一維河道與二維地面網(wǎng)格之間能夠產(chǎn)生水量交互計算。河道與二維地面耦合示意見圖3。

圖3 河道與二維地面的耦合示意圖

2.5 設計降雨過程

設計暴雨采用廣州市暴雨強度公式生成：

(1)

式中:q為暴雨強度,L/(s·hm2);P為暴雨重現(xiàn)期,a;t為匯流歷時,min。

考慮到河道有一定的滯蓄作用,降雨歷時選180 min,雨峰系數(shù)取為r=0.4,即暴雨強度峰值出現(xiàn)在降雨開始后72 min。采用芝加哥雨型,以3 min為一記錄間隔,推導出降雨歷時為3 h的廣州市暴雨強度過程線。

3 結(jié)果及分析

3.1 管道模擬

對東濠涌流域現(xiàn)狀管道,設定出水口為自由出流,利用InfoWorks ICM進行1年一遇和2年一遇設計降雨過程的管道過水能力模擬。管道的負荷狀態(tài)是指管道內(nèi)水流的充滿程度,InfoWorks ICM用超負荷狀態(tài)S來反映管道的負荷狀態(tài),其表示的含義見表2。統(tǒng)計研究區(qū)排水節(jié)點溢流及管道超負荷情況,結(jié)果見表3。

表2 超負荷狀態(tài)取值含義

由表3可知,現(xiàn)狀1年一遇和2年一遇最大節(jié)點溢流量分別為2 547.6 m3和2 889.5 m3,溢流時長分別為2.10 h和2.43 h,澇點個數(shù)分別為650和773,滿流率均超過50%,分別為62.6%和65.2%。總體來說,隨著降雨重現(xiàn)期增加,最大節(jié)點溢流量、澇點個數(shù)和最長溢流時間亦增加,在1年一遇和2年一遇低重現(xiàn)期暴雨條件下,東濠涌流域的排水管網(wǎng)存在較為嚴重的節(jié)點溢流和管道超負荷情況,可見東濠涌流域大片管網(wǎng)過流能力不足1年一遇設計暴雨標準。

表3 不同重現(xiàn)期暴雨條件下節(jié)點溢流和通道滿流情況統(tǒng)計

注:滿流率=滿流管道數(shù)量/排水管道總量×100%。

為了滿足本文關(guān)于市政排水與水利排澇標準銜接研究需要,對東濠涌流域不足1年一遇過流能力的管道進行改造,使之滿足1年一遇的過流能力需求。對改造后的管網(wǎng)重新進行1年一遇和2年一遇過流能力模擬,結(jié)果見表3。由表3可知,東濠涌流域現(xiàn)狀管網(wǎng)經(jīng)改造后,1年一遇和2年一遇最大節(jié)點溢流量分別為186.8 m3和390.8 m3,溢流時長分別為0.43 h和0.6 h,澇點個數(shù)分別為14和160,滿流率減少至50.4%和59.4%,基本滿足1年一遇設計降雨不淹,即認為改造后的管網(wǎng)基本滿足1年一遇過流要求。

3.2 河道模擬

東濠涌流域以東濠涌作為主排澇渠,澇水通過閘泵聯(lián)排的方式排入珠江。由于珠江為感潮河段,水位受潮汐影響,加上閘泵聯(lián)排的運行方式未知,導致建模驗證市政排水與水利排澇銜接關(guān)系的影響因素過多；因此假定東濠涌河道出口僅采用泵排方式,用河網(wǎng)水動力模型分別計算東濠涌流域現(xiàn)狀河道在水利排澇5年一遇、10年一遇設計暴雨下河道出口的泵排流量。

分別采用綜合單位線法及推理公式法推求東濠涌流域5年一遇及10年一遇設計洪水過程線,經(jīng)分析對比后,采用綜合單位線法所得流量過程線作為東濠涌河網(wǎng)水動力模型的上游邊界條件,以河道出口的泵站抽排流量過程作為下游邊界條件,設定預排水深至0.5 m,當計算河道最高水面線低于沿程河堤高程時,即認為設定的泵排流量滿足設計重現(xiàn)期要求。

經(jīng)模型分析計算,當東濠涌河道出口泵排流量為55 m3/s時,計算所得最高水面線滿足5年一遇水利排澇設計要求;當東濠涌河道出口泵排流量為72 m3/s時,計算所得最高水面線滿足10年一遇水利排澇設計要求。

3.3 管道、河道與地面耦合模擬

3.3.1 市政1年一遇與水利5年一遇

對構(gòu)建完成的管道、河道及二維地面模型,以市政排水1年一遇設計降雨過程作為降雨輸入,河道出口設置滿足水利5年一遇排澇要求的55m3/s的泵站抽排流量,設定當河道出口處水位高于5.5m時泵站開啟,模擬得到地面積水情況和管道超負荷狀態(tài),結(jié)果分別見表4和表5。

表4 地面積水情況統(tǒng)計

表5 管道超負荷狀態(tài)統(tǒng)計(設計重現(xiàn)期為1年)

由表4可見,雖然市政排水1年一遇與水利排澇5年一遇組合已滿足1年一遇過流能力,但由于河道水位頂托,管道下游不少節(jié)點仍會出現(xiàn)一定程度溢流,其中淹沒水深達到0.1～0.3 m的淹沒點數(shù)最多,有294個,淹沒面積為4.50 hm2;大于1m的淹沒點數(shù)最少,有8個,淹沒面積為0.08 hm2。

由表5可知,管網(wǎng)系統(tǒng)半載以下運行的管道比例為11.5%,半載至八成滿運行的為14.4%,八成滿至滿載運行的為7.6%,滿載運行的為66.5%,其中由于下游管道頂托造成滿載運行的為52.7%,由于管道自身過流能力不足造成滿載運行的為13.8%,造成管道滿流的原因主要是河道水位頂托導致管道雨水無法順利排出,經(jīng)模擬計算可以得出5年一遇水利排澇標準無法滿足市政管網(wǎng)1年一遇排水要求。

3.3.2 市政1年一遇與水利10年一遇

對構(gòu)建完成的管道、河道及二維地面模型,以市政排水1年一遇設計降雨過程作為降雨輸入,河道出口設置滿足水利10年一遇排澇要求的72 m3/s的泵站抽排流量,設定當河道出口處水位高于5.5 m時泵站開啟,模擬得到地面積水情況,結(jié)果見表4。由表4可知,在管網(wǎng)滿足1年一遇過流能力的情況下,與滿足10年一遇過流能力的河道連接,雖然仍有部分區(qū)域出現(xiàn)積水狀況,但相比于市政1年一遇和水利5年一遇標準的組合，淹沒點數(shù)和淹沒面積明顯減少,整個流域的澇水基本能夠正常排放,即認為10年一遇水利排澇標準滿足市政排水1年一遇要求。

3.3.3 出水口高程對管道與河道的銜接關(guān)系影響

統(tǒng)計分析各管道出水口底高程距河底高程的距離,發(fā)現(xiàn)兩種標準組合情況中發(fā)生溢流的管道出水口底高程距河底高程的距離都低于0.3 m,其中在1年一遇市政排水與10年一遇水利排澇的標準組合情況下仍出現(xiàn)溢流的管道,其管道出水口底高程等于河底高程。可見,除卻兩種標準間的不適應會帶來流域的排水不暢以外,管道出水口底高程距河底高程的距離也會導致管網(wǎng)排水不暢。這主要是因為,在整個排澇過程中,河道內(nèi)水深多高于0.5 m,若管道出水口高程設置在距河底高程較近處,會導致該管道長時間處于河道水位頂托狀態(tài)使排水不暢,因而,建議新規(guī)劃的管網(wǎng)應保證管道出水口底高程高于河道底高程至少0.5 m,以保證管道澇水能順利排至河道。

4 結(jié) 論

利用InfoWorks ICM構(gòu)建了東濠涌流域管道、河道及地面二維的耦合模型,分析市政排水與水利排澇標準兩者之間的銜接關(guān)系。經(jīng)模擬計算得出5年一遇水利排澇標準無法滿足市政管網(wǎng)1年一遇排水要求,而市政排水1年一遇與水利排澇10年一遇的標準組合能夠協(xié)同排除城市流域澇水。市政排水與水利排澇是否能夠協(xié)同排除流域澇水不僅與兩標準的組合情況有關(guān),還與市政排水管道出水口底高程距河底高程的距離有關(guān),若管道出水口距河底高程的距離過短,會導致管道長時間處于水位頂托狀態(tài),造成排水不暢。建議在城市排水管網(wǎng)規(guī)劃中,應保證管道出水口底高程高于河底高程至少0.5 m,以確保管道澇水能順利排至河道。

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Study on standard syntaxis of urban drainage between pipe and river based on urban storm flood models

HUANG Guoru1, 2, WANG Xin1

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China; 2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

There has been no unified method for the syntaxis of design standards of urban drainage and waterlogging drainage up to now. In order to study the standard syntaxis for two scenarios (municipal drainage of a one-year frequency storm flood with waterlogging drainage of a five-year frequency storm flood, and municipal drainage of a one-year frequency storm flood with waterlogging drainage of a ten-year frequency storm flood) in the Donghaochong Catchment, a two-dimensional urban storm flood model which couples underground drainage pipes, rivers, and surface ground was established using Infoworks ICM, providing technical support for the planning and design of urban drainage waterlogging. The results show that waterlogging will not occur in the Donghaochong Catchment with the combined standards for municipal drainage of a one-year frequency storm flood and waterlogging drainage of a ten-year frequency storm flood. However, the distance from the pipe outlet bottom to the river bottom also impacts the water level in the pipes. Therefore, it is suggested that the elevation of the pipe outlet bottom should be 0.5 meters higher than the river bottom elevation in the design of urban drainage networks.

municipal drainage; waterlogging drainage; standard syntaxis; urban storm flood model; Guangzhou City

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.001

廣東省科技計劃項目(2016A020223003)；廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2016-32)

黃國如(1969—),男,教授,博士生導師,主要從事水文水資源研究。E-mail:huanggr@scut.edu.cn

TU991

A

1004-6933(2017)02-0001-05

2016-09-13 編輯：徐 娟)