南昌市青山湖片區防澇安全下邊界設計水位的優化

李保建，詹 健

（1.江西省電力設計院，江西南昌 330096；2.南昌大學建筑工程學院，江西南昌 330031）

近年來，極端天氣時有發生，給我國很多大城市帶來了頻繁的洪澇災害，暴雨強度也屢創新高［1］。據統計［2］，我國492座城市有著防洪任務，但僅有35.98%的城市滿足規定的防洪標準。2016年6月，南昌遭遇暴雨襲擊，城區多個低洼路段出現內澇積水，部分居民小區路面水深達1 m，嚴重威脅著當地人們的財產安全甚至生命。在當前城市化的發展過程中，必須重視新的城市公共安全問題，即洪澇災害［3］。目前，大量的國內外學者已經建立了許多城市雨洪模型，其中SWMM模型應用較為廣泛［4-8］。

南昌作為江西省會城市，內澇問題日益突出，目前針對南昌市構建雨洪管理模型方面的研究仍鮮有報道，青山湖片區是南昌市內澇災害的重災區，將其作為南昌市內澇問題的研究對象具有很強的現實意義。本次研究通過分析南昌市青山湖片區雨洪特點，利用SWMM建立南昌市青山湖片區雨洪管理模型，并結合青山湖排澇泵站運行情況，對青山湖片區防澇安全下邊界設計水位進行分析優化。

1 研究區域概況

南昌市地處江西北部，市域地形以平原為主，約占總面積的36%，西北部丘陵分布較多，東南地勢比較平坦，水系河湖分布廣泛。南昌市為亞熱帶季風氣候，一年之中夏冬兩季較春秋兩季長，全年日照比較充足。南昌市年平均降水量約1 500 mm，全年平均降水時間約合3個月，平均暴雨天數約5.6 d。

本次研究選擇的區域是南昌市多次降雨的主要積水區，具體范圍為：子固路、十字街、船山路以及井岡山大道以東，青山湖大道以西，廣州路、佛塔路以北，富有大堤以南，區域面積為52 km2。青山湖片區示意圖如圖1所示。

圖1 青山湖片區范圍Fig.1 Range of Qingshan Lake Area

2 模型構建及參數選取

本次研究通過排水管網概化（圖2）、模型背景圖創建（圖3）、子匯水區劃分（圖4）、模型初值預估4個環節初步建立南昌市青山湖片區雨洪管理模型。

圖2 管網拓撲結構圖Fig.2 Topological Structure Diagram of Pipeline Network

圖3 模型背景圖Fig.3 Model Background Image

圖4 子匯水區劃分圖Fig.4 Sub-Catchment Area Map

選用南昌市有代表性的2場暴雨過程對模型參數進行率定，同時選用南昌市有代表性的1場暴雨過程對模型進行驗證，最終確定該模型參數，結果如表1所示。

表1 模型主要參數率定結果表Tab.1 Calibration Results of Main Parameters for the Model

3 不同降雨情景模擬

3.1 不同降雨情景設計

設計暴雨是人工合成的降雨，它的合成依據主要有兩個，即確定的降雨重現期和降雨歷時。它可以用來模擬不同降雨情景下的地下管流、坡面流，進一步檢驗現狀管網的排水能力。設計暴雨主要對兩方面內容進行設計，即暴雨的時空分布、平均強度，其中暴雨的時空分布是由暴雨雨型來表示的。不同的暴雨雨型直接關系著流域的洪峰流量以及具體的流量過程。在平均降雨強度相同的條件下，均勻雨型與雨峰在中后部的三角形雨型相比，洪峰可以減小30%。

由南昌市的降雨資料可知，在有記錄的短歷時強降雨中，單峰雨型占多數，雨峰一般在前中部，且雨峰位置大多在0.3～0.4，基本符合芝加哥雨型的特點，選用該雨型比較合適，本次研究雨峰系數取0.4。

南昌市暴雨強度如式（1）。

其中：q—暴雨強度，L ／（s·hm2）；

T—重現期，a；

t—降雨歷時，min。將式（1）以雨強形式表示，則南昌市暴雨強度公式可變換為式（2）。

其中：i—雨強，mm／min。

根據芝加哥雨型公式，如式（3）。

對應式（2），得出 a＝8.316（1＋ 0.69 lg T），b＝1.4，c＝ 0.64。

根據南昌市青山湖片區的實際情況，經綜合考慮，按重現期分別為 0.5、1、2、5、10 a五種重現期下、120 min歷時的降雨作為設計暴雨。將整個降雨歷程離散為 5 min 的序列，將 t1＝ 5、10、15、20、25、30、35、40、45 min，t2＝ 50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120 min 化作以鋒為起點的降雨，可得設計暴雨雨強的具體結果，如表2所示。設計暴雨降雨過程線如圖5所示。

表2 暴雨雨強計算結果匯總表Tab.2 Summary Sheet of Calculation Results for Rainstorm Intensity

續 表

圖5 設計暴雨降雨過程線Fig.5 Design Rainstorm Rainfall Process Line

3.2 青山湖水位變化情景設計

對于子匯水區，單次降雨是其上游邊界條件，雨水口的入流過程是其下游邊界條件。對于管網，雨水口的入流過程是其上游邊界條件，下游管道出水口水流狀態是其下游邊界條件。從整個排水系統來看，具體的降雨情景是研究區域的上游邊界條件，排出口的水流狀態是其下游邊界條件，這里主要是指青山湖的水位，下游邊界條件青山湖水位為常水位17.50 m。

對于在青山湖湖畔的雨水排放口，其下游出流條件與青山湖水位密切相關，因此選用不同的青山湖水位來描述雨水排水系統的下游邊界條件。青山湖水位由青山閘、青山湖電排站調控，本次模擬采用恒定的水位值作為下游的邊界條件。模擬中采用青山湖的3個特征水位，即汛期最高水位19.50 m，監測最低水位16.02 m，以及常水位17.50 m。

南京東路尾端出水口的底部標高為16.63 m，出水管的管徑為1.4 m。結合青山湖的3個特征水位可以發現，該排放口分別為完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態。水位變化設計情景如表3所示。

表3 水位變化設計情景表Tab.3 Design Scenes of Water Level Variation

4 雨洪聯合調度方案研究

4.1 青山湖水位變化的影響

在特定的降雨情景下，通過觀察出水口水深變化過程線、流量變化過程線，可發現不同青山湖水位對出水口出流量的影響。具體影響為：當出水口被完全淹沒時，由于青山湖內水體的頂托作用，排水管網的排水能力受到了很大的影響；當出水口在半淹沒狀態下時，剛開始受青山湖內水體的影響，排水過程有小幅度的震蕩，但從整體上看與出水口處于自由出流狀態時基本沒有差別，因此出水口在半淹沒狀態時，青山湖內水體對排水管網的排水能力影響不是很大。具體出水口水深變化過程與流量過程如圖6、圖7所示。

4.2 青山湖片區防澇安全下邊界水位分析及優化

在本研究中，模擬排出口全淹沒狀態開始時，離排出口最近的兩管段由于回灌的青山湖湖水，模擬管道中就已經有水了，并且節點開始蓄水，整個降雨過程中，管道內的水位幾乎沒有什么變化。當出水口完全淹沒時，排水管網的排水能力明顯下降的主要原因為下游水位一直不能下降。當青山湖水位較高致使排出口處于全淹沒狀態時，雨水徑流無法順利地直排，因此，為了滿足強降雨條件下雨水徑流的排放任務，必須保證青山湖電排站的機排能力，適時地對青山湖水位進行調整。

圖6 出水口水深變化過程線Fig.6 Change Process Line of Outlet Water Depth

圖7 出水口流量變化過程線Fig.7 Change Process Line of Outlet Flow

分析以上研究，在排水管網自身滿足排水能力的前提下，還應考慮受納水體對排水管網的作用，即排出口須處在自由出流、半淹沒狀態下，排水管網系統的排水能力才能較好地發揮出來。由青山湖片區的區域面積以及在不同重現期下的實際徑流量，計算出不同重現期條件下的匯入量，將匯入量以青山湖水深的形式表述，結合排出口的標高關系，可得青山湖的控制水位，最終確定雨洪聯合調度方案。具體計算如表4所示。

表4 青山湖控制水位計算表Tab.4 Calculation of Water Control Level of Qingshan Lake

由表4可知，當重現期為0.5、1 a時，青山湖需控制的水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足雨水量要求；但當重現期為2、5、10 a時，青山湖需控制的水位分別為 17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位，此時應結合氣象預報等技術手段，根據可能發生的降雨等級預先響應，青山湖部分水量通過排澇泵站排至贛江，使水位降至預定位置，避免出現淹沒出流導致下游頂托，從而大大影響管網排水能力，產生內澇現象。

5 結論

本研究結合南昌市青山湖片區概況，構建南昌市青山湖片區雨洪管理模型，利用芝加哥雨型及其合成方法，設計了 0.5、1、2、5、10 a 五種不同重現期下的降雨情景。根據青山湖最高水位、最低水位以及常水位，設計了排放口完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態3種狀態情景。當重現期為0.5、1 a時，青山湖所需控制水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足要求；但當重現期為2、5、10 a時，青山湖所需控制水位分別為17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位17.50 m，此時需通過青山湖電排站進行調節，以免發生內澇。

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