城市排水系統(tǒng)水力分析與改造策略
——以秀山縣為例

甘春娟，段玲紅，陳 垚,3，任萍萍，熊 毅

(1. 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400012；2. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué)環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；4. 重慶中博工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，重慶 401121)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市下墊面發(fā)生劇烈變化。局部地區(qū)水文循環(huán)發(fā)生顯著改變，產(chǎn)匯流過程加速，導(dǎo)致徑流峰值提前，徑流量增加。同時(shí)，大部分城市排水設(shè)施建設(shè)年代久遠(yuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)過低，無法適應(yīng)城市的快速化發(fā)展，以致城市同時(shí)面臨水文巨變與輸水能力過低的雙重壓力，排水防澇壓力與日俱增，積水內(nèi)澇現(xiàn)象日益嚴(yán)重。在過去幾十年，各國(guó)研究者針對(duì)城市降雨徑流控制技術(shù)開展了大量研究與應(yīng)用，分別提出了技術(shù)先進(jìn)的城市雨洪管理理念，如美國(guó)的最佳管理實(shí)踐(BMP)、低影響開發(fā)(LID)和綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)，英國(guó)的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)，澳大利亞的水敏型城市設(shè)計(jì)(WSUD)等。這些理念均提倡采用分散式雨水控制措施，在源頭上削減地表徑流量，以減少雨水徑流對(duì)環(huán)境的影響[1]。我國(guó)近年提出海綿城市，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等途徑控制徑流流量與污染，從而實(shí)現(xiàn)水文良性循環(huán)。海綿城市的建設(shè)需要依靠LID雨水系統(tǒng)、常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)，以及超常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)共同構(gòu)建[2-3]。如何對(duì)現(xiàn)有雨水徑流蓄排系統(tǒng)的水力性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，在充分發(fā)揮其輸水能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行LID改造，合理確定改造方案是實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵。由美國(guó)環(huán)保署(USEPA)開發(fā)的暴雨管理模型(SWMM)可對(duì)城市單一或連續(xù)降雨事件產(chǎn)生的降雨—徑流過程進(jìn)行模擬，也可用于雨水凈蓄排系統(tǒng)的水分分析與驗(yàn)證[4-7]。因此，本文以秀山縣城區(qū)某一獨(dú)立分流制排水區(qū)域?yàn)槔肧WMM軟件模擬分析研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)的運(yùn)行性能，并在此基礎(chǔ)研究考察LID模式對(duì)雨水管網(wǎng)水力性能的影響，以期為城市雨洪控制提供參考。

1 SWMM模型構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1 研究區(qū)概況

秀山縣位于重慶東南部，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年平均降雨量為1 369.76 mm，降雨主要集中在5月～8月。2012年～2016年，發(fā)生暴雨的雨峰靠前，雨型急促，降雨歷時(shí)短。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雨峰系數(shù)為0.35。城區(qū)某一獨(dú)立分流制排水區(qū)域位于秀山縣西北部，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位圖Fig.1 Geographical Location of Research Region

該區(qū)域集中了商業(yè)用地、住宅用地和工業(yè)用地的綜合區(qū)塊，總面積達(dá)1.12 km2，其中不透水面積為0.71 km2，占63.4%，透水面積為0.41 km2，占36.6%，區(qū)內(nèi)包括了建筑、道路、綠地、草坪等。根據(jù)管道走向、建筑物分布以及坡度等因素，將研究區(qū)域劃分為105個(gè)子匯水區(qū)，其中最小匯水面積為200 m2，最大匯水面積為1.98×104m2，管線總長(zhǎng)為3 174 m，112段管段，管道直徑為400～1 200 mm，埋深為2.33～ 4.36 m，105個(gè)雨水井，1個(gè)出水口，研究區(qū)域概化模型如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域概化模型Fig.2 Generalized Model of Research Region

1.2 模型參數(shù)的率定與驗(yàn)證

(1)參數(shù)率定

在SWMM中，參數(shù)分為可測(cè)量的確定性參數(shù)和需要優(yōu)化的不確定參數(shù)兩類。其中，確定性參數(shù)包括匯水面積、平均坡度、漫流寬度、不透水面積與透水面積比例、管徑及管長(zhǎng)等，直接對(duì)收集的資料進(jìn)行一定技術(shù)處理即可獲得參數(shù)值；不確定參數(shù)包括地表洼蓄深度、地表曼寧系數(shù)、管道曼寧系數(shù)、下滲參數(shù)等，可通過參考推薦取值范圍、相關(guān)文獻(xiàn)、鄰近類似區(qū)域的研究成果和實(shí)測(cè)資料等方式進(jìn)行率定獲得[8-11]。本文采用劉興坡[12]提出的基于徑流系數(shù)的模型參數(shù)校準(zhǔn)方法，對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)。利用2016年5月30日(09∶00～11∶14)的一場(chǎng)降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(用于檢測(cè)降雨的雨量記錄儀安裝于匯水區(qū)域的下游，圖2)作為輸入數(shù)據(jù)，采用Horton下滲模型，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 min，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整、迭代計(jì)算，最終各參數(shù)取值如表1所示。

表1 SWMM參數(shù)取值Tab.1 SWMM Parameter Value

(2)模型驗(yàn)證

采用2016年6月4日一場(chǎng)典型暴雨，降雨歷時(shí)為4 h。利用該降雨數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行模擬，輸出監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位過程線，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)水位值進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的RMSE(均方根誤差，也稱標(biāo)準(zhǔn)差)為0.076。結(jié)果表明，本文構(gòu)建的模型模擬準(zhǔn)確性和可靠性高，可用于研究地塊市政排水設(shè)施地表徑流控制的模擬分析。

圖3 實(shí)測(cè)水位與模擬計(jì)算水位結(jié)果比較Fig.3 Comparison of Calculation Results between Measured and Simulated Water Levels

2 現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)水力分析

2.1 不同情景模擬

(1)降雨模型參數(shù)

利用重慶暴雨強(qiáng)度公式合成芝加哥雨型，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=1、2、3、5、10 a，雨峰系數(shù)r=0.35，降雨歷時(shí)為120 min的降雨過程線，如圖4所示。

(2)不同重現(xiàn)期模擬結(jié)果

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同重現(xiàn)期下的雨水管網(wǎng)、地表徑流進(jìn)行模擬，其地表徑流特性、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流與管段超載情況如表2和表3所示。重現(xiàn)期P=5、10 a的區(qū)域洪水分布情況如圖5所示。

圖4 不同重現(xiàn)期降雨過程線Fig.4 Rainfall Hydrograph under Different Return Period

圖5 不同重現(xiàn)期下的內(nèi)澇分布圖Fig.5 Waterlogging Distribution Map under Different Return Period

表2 不同重現(xiàn)期地表徑流分析Tab.2 Surface Runoff under Different Return Period

表3 不同重現(xiàn)期溢流節(jié)點(diǎn)和超載管段Tab.3 Overflow Nodes and Overloading Pipes under Different Return Period

2.2 雨水管網(wǎng)排水能力分析

由表3可知：在P=1 a時(shí)，管網(wǎng)排水能力良好，無節(jié)點(diǎn)溢流、管段超載發(fā)生；P=2 a時(shí)，1個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溢流，9條管段超載；P=3 a時(shí)，4個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生溢流，13條管道發(fā)生不同程度的超載和滿流，但時(shí)長(zhǎng)都不足1 min，對(duì)管網(wǎng)的整體運(yùn)行影響小，基本滿足雨水管網(wǎng)3年一遇降雨強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，符合客觀事實(shí)；P=5 a時(shí)，26個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生超載，幾乎是P=3 a時(shí)的7倍，其中最大超載時(shí)長(zhǎng)達(dá)17.4 min，而發(fā)生不同程度超載的管道有37段，是P=3 a的3倍，大部分滿流時(shí)間不足5 min，最大超載時(shí)長(zhǎng)為17.4 min，出現(xiàn)嚴(yán)重超載現(xiàn)象，已超出管網(wǎng)排水能力；P=10 a時(shí)，節(jié)點(diǎn)與管道出現(xiàn)大規(guī)模的超載現(xiàn)象，超過整個(gè)管網(wǎng)1/2的節(jié)點(diǎn)發(fā)生溢流，超過3/4的管道發(fā)生超載，造成嚴(yán)重內(nèi)澇問題。模擬結(jié)果表明，隨著降雨強(qiáng)度的增加，地表徑流不斷增大，下滲損失逐漸增大，但趨勢(shì)越來越小；雨水徑流在城市不透水下墊面和管道系統(tǒng)中匯流時(shí)間較短，流速增大，使洪水峰值出現(xiàn)時(shí)間提前且導(dǎo)致洪峰流量急劇增加，勢(shì)必會(huì)造成排放管道和下游河道的排澇負(fù)荷增加；隨著降雨強(qiáng)度的增加，超載節(jié)點(diǎn)數(shù)與管道數(shù)量不斷增加，超載時(shí)間也隨之增大，從而造成城市內(nèi)澇的發(fā)生。

由圖5可知，內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在研究區(qū)域的上下游兩端，而中間區(qū)域由于管道輸送能力相對(duì)穩(wěn)定，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較低。重現(xiàn)期P=5 a時(shí)，上游區(qū)域便已開始出現(xiàn)積水內(nèi)澇現(xiàn)象，隨著重現(xiàn)期的增大，下游區(qū)域逐漸發(fā)生積水內(nèi)澇。

其主要原因如下。①不透水面的增加。城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致地面硬化程度不斷提高，不透水面積比例逐漸增大，以致雨水幾乎以地面徑流的形式通過雨水口進(jìn)入雨水管網(wǎng)中，從而增加了管網(wǎng)排水負(fù)荷。②地形差異。上游地形低洼，在無排水設(shè)施區(qū)域長(zhǎng)期積水，強(qiáng)降雨情況下，接收周圍匯水區(qū)域的雨水，排水管網(wǎng)壓力劇增，同時(shí)管徑過小(僅為400～600 mm)也可能造成城市發(fā)生積水內(nèi)澇。③管道敷設(shè)問題。上游發(fā)生積水可能是管道在實(shí)際施工過程中高程未嚴(yán)格按圖施工，存在坡度過小，甚至在實(shí)際管道調(diào)查中發(fā)現(xiàn)少數(shù)管道敷設(shè)存在逆坡現(xiàn)象，導(dǎo)致上游雨水無法順利排出。④河水倒流。該區(qū)域下游為秀山縣梅江河，在高強(qiáng)度降雨情況下，河水可能倒灌導(dǎo)致下游發(fā)生內(nèi)澇。因此，有必要采取有效的雨水控制技術(shù)，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化，提高該區(qū)域的雨水控制能力。

3 研究區(qū)域雨洪控制系統(tǒng)改造方案

3.1 傳統(tǒng)雨水傳輸過程控制

節(jié)點(diǎn)溢流較大、管道超載時(shí)間過長(zhǎng)、內(nèi)澇較為嚴(yán)重的地區(qū)，可采用翻埋大管徑管道、敷設(shè)平行管道等方法，以緩解系統(tǒng)的排水輸送壓力，優(yōu)化雨水管網(wǎng)。但這些措施受當(dāng)?shù)貙?shí)際條件的限制，本研究設(shè)計(jì)校核的管網(wǎng)為已建成系統(tǒng)，且該地域管網(wǎng)完善度較低，翻修、改造實(shí)施難度大。因此，通過更新升級(jí)傳統(tǒng)雨水輸送系統(tǒng)的方案并不適用于本研究區(qū)域。

3.2 雨水源頭控制

先進(jìn)的雨水管理理念提倡采用分散式控制措施，在地表徑流產(chǎn)生的源頭上進(jìn)行控制。目前，主要采用透水鋪裝、雨水花園、植草溝、綠色屋頂?shù)萀ID措施，通過增加城市下墊面滲透性，實(shí)現(xiàn)雨水徑流的自然滲透、存貯和利用。LID措施不僅可有效地減緩徑流流量，降低管道的輸送壓力，還可控制徑流污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益[13]。

本文結(jié)合秀山縣海綿城市實(shí)際建設(shè)情況，遵循LID措施布設(shè)原則，提出了兩種LID措施布設(shè)方案。各LID措施布設(shè)面積及所占比例如表4所示，LID措施平面布設(shè)如圖6所示。

表4 LID措施面積及所占比例Tab.4 Area and Proportion of LID Measures

圖6 LID方案設(shè)施平面布置圖Fig.6 Layout of LID Facilities

方案一：透水鋪裝+植草溝。透水鋪裝指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替現(xiàn)有的硬化路面鋪裝材料，在確保道路使用強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上，使暴雨徑流能在短時(shí)間內(nèi)滲入土壤或進(jìn)入雨水管網(wǎng)，從而有效地減少?gòu)搅鞣逯挡⒀娱L(zhǎng)排放時(shí)間[14-15]，其結(jié)構(gòu)一般由表層、基層、蓄水層和排水管組成。方案一將傳統(tǒng)人行道以及公共區(qū)域的部分硬化地面改為透水鋪裝，改造面積為0.3 km2，占總面積的26.79%。透水鋪裝的面層厚度為100 mm，孔隙比為0.15，基層和墊層厚度為200 mm，孔隙比為0.75。植草溝與普通綠地區(qū)別在于綠地高程低于路面，路面徑流可流入，其利用植被、土壤、微生物的作用，截留和凈化小流量雨水徑流，超過綠地蓄滲容量的雨水經(jīng)雨水口排入雨水管網(wǎng)[16]。方案一將研究區(qū)域道路邊緣及公共區(qū)域改造為植草溝，面積達(dá)0.1 km2，蓄水深度為90 mm，洼地邊坡為5(長(zhǎng)度與豎向之比)，占總面積的8.93%。

方案二：透水鋪裝+植草溝+蓄水池。考慮造價(jià)和實(shí)際應(yīng)用的便利性，本研究參考2016年修訂的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)推薦，當(dāng)排水管渠的輸送能力不能滿足要求時(shí)，可以采用調(diào)蓄池這一措施。根據(jù)用地規(guī)劃，在發(fā)生超載的區(qū)域附近規(guī)劃有公園綠地，可利用綠地修建雨水調(diào)蓄池，暫時(shí)存儲(chǔ)超載的雨水量，避免管道超載現(xiàn)象的發(fā)生。在降雨徑流洪峰過后可將調(diào)蓄池存儲(chǔ)的雨水排入排放系統(tǒng)，也可經(jīng)過適當(dāng)處理后用于澆灑綠地或作為消防儲(chǔ)水[17-18]。基于研究區(qū)域排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀情況，充分利用各子匯水區(qū)的自然條件，在方案一LID措施的基礎(chǔ)上，選取管道超載及節(jié)點(diǎn)溢流嚴(yán)重的區(qū)域增設(shè)一個(gè)占地100 m2、深度為10 m、蓄水容積為490 m3的蓄水池設(shè)施，與超載節(jié)點(diǎn)相連。

兩個(gè)方案的工程基建費(fèi)用如表5所示。

表5 工程基建費(fèi)用Tab.5 Capital Cost of Reconstruction

3.3 模擬結(jié)果與分析

選定研究區(qū)域內(nèi)易發(fā)生內(nèi)澇的區(qū)域以及道路兩邊區(qū)域(圖5)，假設(shè)分別采用方案一和方案二中的LID措施進(jìn)行模擬分析。由于現(xiàn)狀管網(wǎng)基本滿足重現(xiàn)期P=3 a的設(shè)計(jì)要求，本文模擬選定的易澇區(qū)域在重現(xiàn)期分別為P=5 a和P=10 a情況下的雨水徑流削減情況，其地表徑流、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)以及超載管道數(shù)的削減情況分別如表6和圖7所示。

表6 兩種方案在P=5 a和P=10 a下的模擬結(jié)果Tab.6 Simulation Results of Two Schemes underP=5 a and P=10 a

圖7 不同方案在重現(xiàn)期P=5 a和P=10 a下的削減情況分析Fig.7 Reduction of Different Schemes under P=5 a and P=10 a

由表6可知，在同一方案下，隨著重現(xiàn)期的增加，降雨強(qiáng)度不斷加大，地表徑流量隨之增大，而節(jié)點(diǎn)溢流與管段超載情況也出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)。對(duì)于同一降雨強(qiáng)度，兩種方案有所不同，方案一在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=10 a時(shí)，發(fā)生超載現(xiàn)象的節(jié)點(diǎn)有13個(gè)，超載率為12.4%，但并未形成地面積水與漫流，最大超載深度為0.68 m，最長(zhǎng)超載時(shí)長(zhǎng)為14.4 min，有25根管道達(dá)到滿壓流狀態(tài)，最長(zhǎng)超載時(shí)長(zhǎng)為14 min，滿流率為22.9%。由于方案二在方案一的基礎(chǔ)上添加了蓄水池，對(duì)溢流節(jié)點(diǎn)及超載管段負(fù)荷起到了緩沖作用，在重現(xiàn)期P=5 a時(shí)，無節(jié)點(diǎn)溢流和管段超載現(xiàn)象，而在P=10 a時(shí)，僅有個(gè)別節(jié)點(diǎn)、管段不達(dá)標(biāo)，基本滿足要求。可見，采用方案一可滿足設(shè)計(jì)雨強(qiáng)P=5 a時(shí)的要求，但當(dāng)P=10 a時(shí)，方案二降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的成效更為顯著。

圖7顯示了不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期條件下，兩種方案在徑流總量、節(jié)點(diǎn)溢流和管段超載與傳統(tǒng)開發(fā)模式(即未改造前雨洪控制模式)相比的削減情況。方案一在P=5 a時(shí)，對(duì)徑流總量、溢流節(jié)點(diǎn)、超載管段的削減率分別為39%、96%和73%；方案二在相同降雨條件下，其削減率分別為54%、100%和100%，較方案一增加15%、4%和27%。方案一在P=10 a時(shí)，對(duì)徑流總量、溢流節(jié)點(diǎn)和超載管段的削減率分別為21%、80%和57%，方案二在相同降雨條件下，其削減率分別為39%、95%和98%，分別增加了18%、16%和41%。由此可見，蓄水池對(duì)雨洪的控制是有效的，且隨著重現(xiàn)期的增加，方案一對(duì)徑流控制的效果降低得較方案二更快。結(jié)果表明，兩種改造方案對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的影響較為顯著。方案二在P=10 a時(shí)對(duì)地表徑流、節(jié)點(diǎn)溢流和管段超載的削減率與方案一在P=5 a時(shí)的削減率大致相同，且對(duì)于管道超載的削減率高達(dá)98%。由此可見，蓄水池在排水管網(wǎng)改造過程中具有一定的調(diào)控作用。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的要求，確定最終的改造方案。在重現(xiàn)期P<10 a時(shí)，采用方案一即可滿足要求；而當(dāng)重現(xiàn)期P≥10 a時(shí)，方案一的控制效果將減弱，此時(shí)采用方案二則更佳。

4 結(jié)論

利用SWMM模型，對(duì)秀山縣某區(qū)域現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)進(jìn)行不同重現(xiàn)期模擬，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域排水系統(tǒng)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較大。提出“透水鋪裝+植草溝”和“透水鋪裝+植草溝+蓄水池”兩種雨洪控制方案。當(dāng)P<5 a時(shí)，可通過修正檢查井、翻埋新管道等方式降低該地區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；在考慮建設(shè)成本的前提下，當(dāng)5 a≤P≤10 a時(shí)，可采用方案一(透水鋪裝+植草溝)；而當(dāng)P>10 a時(shí)，則應(yīng)采用LID措施與雨水調(diào)蓄池相結(jié)合(即透水鋪裝+植草溝+蓄水池)。設(shè)置植草溝、透水鋪裝和蓄水池等LID設(shè)施對(duì)降雨產(chǎn)生的洪峰有一定的削弱效果，在低重現(xiàn)期下，LID措施雨水控制效果更為顯著。