基于Infoworks ICM的全流域排水模型構(gòu)建及分析—以青島市黃島區(qū)小辛河-長安河流域?yàn)槔?/h1>
2019-08-15 01:25:48孫建海
城鄉(xiāng)建設(shè) 2019年15期
■ 孫建海 王 琳
一、區(qū)域背景及管網(wǎng)現(xiàn)狀
小辛河-長安河流域位于青島市西海岸新區(qū)，西起海西中路，東到小辛河、大盧河與小辛河、豆金河之間的分水嶺，北起沈海高速，南到風(fēng)河，面積26.8平方公里。流域總體高程5～50米之間，地形北高南低，北部為低矮丘陵，南部地勢平坦。小辛河、長安河是該區(qū)域主要排洪河道。長安河干流長2.4公里，坡降0.34%，小辛河全長6.4公里，小辛河西支流全長4.1公里現(xiàn)狀長安河、小辛河支流及小辛河上游河道在旱季基本干枯，小辛河下游河道在旱季水深約為1米左右。
圖1 小辛河-長安河流域區(qū)位圖
小辛河-長安河流域作為黃島區(qū)的中心城區(qū)，已建成以合流制為主、分流制為輔的排水管網(wǎng)，管網(wǎng)總長130.5公里。根據(jù)收集的有關(guān)部門管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，小辛河-長安河流域現(xiàn)狀雨水管線管徑管長分布如下：
現(xiàn)狀排水系統(tǒng)存在的問題：
1.部分管道建設(shè)年代較久遠(yuǎn)，已經(jīng)達(dá)到使用年限；部分管線在穿越河道處污水管道破損，大量污水直接流入下游的河道，造成污染；部分管段淤積堵塞嚴(yán)重， 排水管渠缺乏有效養(yǎng)護(hù)，造成排水出路不暢而形成積水。
2.由于城中村問題非常嚴(yán)重，管線改造和鋪設(shè)的難度加大，有許多地區(qū)目前還沒有雨水管線，致使雨水散排，在道路低洼處形成積水。
3.黃島區(qū)現(xiàn)有地塊開發(fā)時(shí)缺少相應(yīng)的防澇設(shè)計(jì)，無法在源頭實(shí)現(xiàn)雨水量削減。豎向規(guī)劃與排水規(guī)劃不能有效銜接，造成地塊開發(fā)時(shí)出現(xiàn)局部低點(diǎn)，或者局部低洼點(diǎn)，盆地排水不暢，形成積水點(diǎn)。
4.黃島區(qū)大部分河道直排入海，區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海，因此，發(fā)生天文大潮時(shí)，河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托。潮水頂托時(shí)，河道內(nèi)洪水無法及時(shí)排走。
圖2 小辛河-長安河流域匯水范圍
二、排水模型建立與分析
本研究的目標(biāo)為對黃島小辛河-長安河流域現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)狀水力評估，輔助規(guī)劃改造方案的制定。
（一）建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
綜合數(shù)據(jù)收集、調(diào)研及現(xiàn)場調(diào)查，小辛河-長安河流域排水模型數(shù)據(jù)包括以下材料：
1.現(xiàn)有排水系統(tǒng)資料：包含了小辛河-長安河流域排水系統(tǒng)的管道和檢查井信息；
2.道路規(guī)劃資料：包括道路規(guī)劃和排水規(guī)劃；
3.下墊面資料：包括了用地屬性數(shù)據(jù)，匯水區(qū)數(shù)據(jù)；
4.現(xiàn)場實(shí)測資料： 包括現(xiàn)狀管線淤塞情況、河流水位等；
5.地面模型資料：包括現(xiàn)狀地面模型和規(guī)劃地面模型；
6.降雨資料：黃島區(qū)最新暴雨強(qiáng)度公式；
7.潮位數(shù)據(jù)；
8.電子地形圖等。
（二）一維模型的建立
1.數(shù)據(jù)導(dǎo)入及處理
將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研及工程經(jīng)驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，并修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，劃分匯水分區(qū)，構(gòu)建小辛河-長安河流域排水模型。區(qū)域面積約30平方公里，北至沈海高速，南到風(fēng)河北路，東到海西路，西至高城路。匯水范圍詳見圖2。
2.水量模擬
以芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)雨型，根據(jù)最新黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度，得到不同的暴雨重現(xiàn)期下2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線。
黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度公式如下：
式中：q-降雨強(qiáng)度（L/S·Ha）
t-降雨歷時(shí)（min）
P-重現(xiàn)期（年）
計(jì)算得出1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇情況下的2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線，如圖3所示。
（三）二維模型的建立
1地面高程模型的建立
本次地面高程模型的原始數(shù)據(jù)主要來自于CAD測繪數(shù)據(jù)中的高程點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際測量對誤差點(diǎn)進(jìn)行修正。
2.全流域2D模擬
圖3 不同暴雨重現(xiàn)期下降雨過程線
通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合電子地形圖，將包括路邊石，擋墻和河道等在內(nèi)的2D 輔助模擬對象添加至模型中，得到全流域的2D模擬模型，如圖4。
3.河道潮位模擬
流域內(nèi)小辛河及長安河均經(jīng)風(fēng)河入海，區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海，因此，發(fā)生天文大潮時(shí)，河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托，加劇內(nèi)澇。本次評估將潮位數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)系統(tǒng)末端邊界水力條件來模擬，進(jìn)行內(nèi)澇分析時(shí)，考慮潮位對內(nèi)澇的影響。
（四）現(xiàn)狀排水管網(wǎng)評估
以現(xiàn)狀排水管線的尺寸、坡度為原始數(shù)據(jù)，結(jié)合匯水面積，對小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。引入重現(xiàn)期分別為1、2、3、5年120 分鐘的設(shè)計(jì)降雨，分別計(jì)算不同重現(xiàn)期下各管網(wǎng)的管道充滿度，以此得到管道的管道充滿或超負(fù)荷評價(jià)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管道分為排水能力小于1年一遇、1到2年一遇、2到3年一遇、3到5年一遇、大于5年一遇五類，其各類占比見下表2，在流域內(nèi)的分布情況見下圖5。
圖4 全流域的2D 模擬模型
表2 流域內(nèi)不同排水能力管道占比
圖5 不同排水能力管道在流域內(nèi)分布圖
由表2得知，小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)中，約 50%的管道不滿足1年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，大約70%的管道不滿足2年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，整體排水能力差。
由圖5可以看出，不滿足1年一遇重現(xiàn)期的管道大部分位于西側(cè)老城區(qū)及城中村內(nèi)，這些區(qū)域建設(shè)較早，排水管線配套不完善，管徑較小，且區(qū)域內(nèi)硬化的土地占比較大，地勢較為起伏，影響了雨水的行泄。
（五）現(xiàn)狀管網(wǎng)內(nèi)澇積水評估
1.內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)
黃島區(qū)城市建設(shè)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、區(qū)域公共設(shè)施用地和特殊用地發(fā)生以下情況時(shí)，即可認(rèn)為發(fā)生內(nèi)澇：
（1）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨停止30min后道路中一條車行道的積水深度超過15cm，積水面積超過150m2；
（2）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨停止30min后道路中心積水，且積水面積超過150m2；
（3）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨過程中或者降雨停止后居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層進(jìn)水。
圖6 長歷時(shí)雨型分配
圖7 50年一遇長歷時(shí)降雨過程線
2.內(nèi)澇分析
由于黃島目前還沒有長歷時(shí)的市政雨型，50年一遇的降雨采用水利行業(yè)的長歷時(shí)雨型，總降雨245mm，歷時(shí)18小時(shí)，最大雨強(qiáng)196mm/h。雨型分配及降雨過程線見圖6、圖7所示。
根據(jù)模擬50年一遇長歷時(shí)暴雨數(shù)據(jù)和模型分析，在長歷時(shí)暴雨18小時(shí)的情況下（降雨量達(dá)到245mm），超過20%的街道積水超過20cm。大約 60%的檢查井滿管。
50年一遇長歷時(shí)暴雨下小辛河-長安河流域內(nèi)內(nèi)澇積水情況模擬見圖8。
圖8 現(xiàn)狀50年一遇長歷時(shí)降雨內(nèi)澇情況
圖9 規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況
三、管網(wǎng)規(guī)劃方案及評估
（一）管網(wǎng)規(guī)劃方案
針對現(xiàn)狀小辛河-長安河流域現(xiàn)狀管網(wǎng)存在的問題，根據(jù)青島西海岸新區(qū)排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃，對流域內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以解決流域內(nèi)存在的內(nèi)澇問題。
將流域分為16個(gè)匯水分區(qū)，結(jié)合各區(qū)域的實(shí)際特點(diǎn)及管網(wǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合地形地貌進(jìn)行針對性地管網(wǎng)改造。最終排水采用雨污分流制，新建137km 的雨水管網(wǎng)，將雨水就近排入小辛河、長安河，最后匯入風(fēng)河入海。
（二）規(guī)劃管網(wǎng)排水能力評估
根據(jù)規(guī)劃的雨水管網(wǎng)，建立水力模擬模型。采用1、2、3、5年一遇降雨的芝加哥雨型線，對規(guī)劃管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。通過模擬發(fā)現(xiàn)，規(guī)劃排水管網(wǎng)僅有8.8%管道不滿足3年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，大約46%的管道能滿足5年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況見圖9，規(guī)劃改造前、改造后不同排水能力管道占比對比見下表3。
表3 規(guī)劃改造前后不同排水能力管道占比對比
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小辛河-長安河流域位于青島市西海岸新區(qū)，西起海西中路，東到小辛河、大盧河與小辛河、豆金河之間的分水嶺，北起沈海高速，南到風(fēng)河，面積26.8平方公里。流域總體高程5～50米之間，地形北高南低，北部為低矮丘陵，南部地勢平坦。小辛河、長安河是該區(qū)域主要排洪河道。長安河干流長2.4公里，坡降0.34%，小辛河全長6.4公里，小辛河西支流全長4.1公里現(xiàn)狀長安河、小辛河支流及小辛河上游河道在旱季基本干枯，小辛河下游河道在旱季水深約為1米左右。
圖1 小辛河-長安河流域區(qū)位圖
小辛河-長安河流域作為黃島區(qū)的中心城區(qū)，已建成以合流制為主、分流制為輔的排水管網(wǎng)，管網(wǎng)總長130.5公里。根據(jù)收集的有關(guān)部門管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，小辛河-長安河流域現(xiàn)狀雨水管線管徑管長分布如下：
現(xiàn)狀排水系統(tǒng)存在的問題：
1.部分管道建設(shè)年代較久遠(yuǎn)，已經(jīng)達(dá)到使用年限；部分管線在穿越河道處污水管道破損，大量污水直接流入下游的河道，造成污染；部分管段淤積堵塞嚴(yán)重， 排水管渠缺乏有效養(yǎng)護(hù)，造成排水出路不暢而形成積水。
2.由于城中村問題非常嚴(yán)重，管線改造和鋪設(shè)的難度加大，有許多地區(qū)目前還沒有雨水管線，致使雨水散排，在道路低洼處形成積水。
3.黃島區(qū)現(xiàn)有地塊開發(fā)時(shí)缺少相應(yīng)的防澇設(shè)計(jì)，無法在源頭實(shí)現(xiàn)雨水量削減。豎向規(guī)劃與排水規(guī)劃不能有效銜接，造成地塊開發(fā)時(shí)出現(xiàn)局部低點(diǎn)，或者局部低洼點(diǎn)，盆地排水不暢，形成積水點(diǎn)。
4.黃島區(qū)大部分河道直排入海，區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海，因此，發(fā)生天文大潮時(shí)，河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托。潮水頂托時(shí)，河道內(nèi)洪水無法及時(shí)排走。
圖2 小辛河-長安河流域匯水范圍
二、排水模型建立與分析
本研究的目標(biāo)為對黃島小辛河-長安河流域現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)狀水力評估，輔助規(guī)劃改造方案的制定。
（一）建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
綜合數(shù)據(jù)收集、調(diào)研及現(xiàn)場調(diào)查，小辛河-長安河流域排水模型數(shù)據(jù)包括以下材料：
1.現(xiàn)有排水系統(tǒng)資料：包含了小辛河-長安河流域排水系統(tǒng)的管道和檢查井信息；
2.道路規(guī)劃資料：包括道路規(guī)劃和排水規(guī)劃；
3.下墊面資料：包括了用地屬性數(shù)據(jù)，匯水區(qū)數(shù)據(jù)；
4.現(xiàn)場實(shí)測資料： 包括現(xiàn)狀管線淤塞情況、河流水位等；
5.地面模型資料：包括現(xiàn)狀地面模型和規(guī)劃地面模型；
6.降雨資料：黃島區(qū)最新暴雨強(qiáng)度公式；
7.潮位數(shù)據(jù)；
8.電子地形圖等。
（二）一維模型的建立
1.數(shù)據(jù)導(dǎo)入及處理
將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研及工程經(jīng)驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，并修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，劃分匯水分區(qū)，構(gòu)建小辛河-長安河流域排水模型。區(qū)域面積約30平方公里，北至沈海高速，南到風(fēng)河北路，東到海西路，西至高城路。匯水范圍詳見圖2。
2.水量模擬
以芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)雨型，根據(jù)最新黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度，得到不同的暴雨重現(xiàn)期下2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線。
黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度公式如下：
式中：q-降雨強(qiáng)度（L/S·Ha）
t-降雨歷時(shí)（min）
P-重現(xiàn)期（年）
計(jì)算得出1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇情況下的2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線，如圖3所示。
（三）二維模型的建立
1地面高程模型的建立
本次地面高程模型的原始數(shù)據(jù)主要來自于CAD測繪數(shù)據(jù)中的高程點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際測量對誤差點(diǎn)進(jìn)行修正。
2.全流域2D模擬
圖3 不同暴雨重現(xiàn)期下降雨過程線
通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合電子地形圖，將包括路邊石，擋墻和河道等在內(nèi)的2D 輔助模擬對象添加至模型中，得到全流域的2D模擬模型，如圖4。
3.河道潮位模擬
流域內(nèi)小辛河及長安河均經(jīng)風(fēng)河入海，區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海，因此，發(fā)生天文大潮時(shí)，河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托，加劇內(nèi)澇。本次評估將潮位數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)系統(tǒng)末端邊界水力條件來模擬，進(jìn)行內(nèi)澇分析時(shí)，考慮潮位對內(nèi)澇的影響。
（四）現(xiàn)狀排水管網(wǎng)評估
以現(xiàn)狀排水管線的尺寸、坡度為原始數(shù)據(jù)，結(jié)合匯水面積，對小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。引入重現(xiàn)期分別為1、2、3、5年120 分鐘的設(shè)計(jì)降雨，分別計(jì)算不同重現(xiàn)期下各管網(wǎng)的管道充滿度，以此得到管道的管道充滿或超負(fù)荷評價(jià)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管道分為排水能力小于1年一遇、1到2年一遇、2到3年一遇、3到5年一遇、大于5年一遇五類，其各類占比見下表2，在流域內(nèi)的分布情況見下圖5。
圖4 全流域的2D 模擬模型
表2 流域內(nèi)不同排水能力管道占比
圖5 不同排水能力管道在流域內(nèi)分布圖
由表2得知，小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)中，約 50%的管道不滿足1年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，大約70%的管道不滿足2年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，整體排水能力差。
由圖5可以看出，不滿足1年一遇重現(xiàn)期的管道大部分位于西側(cè)老城區(qū)及城中村內(nèi)，這些區(qū)域建設(shè)較早，排水管線配套不完善，管徑較小，且區(qū)域內(nèi)硬化的土地占比較大，地勢較為起伏，影響了雨水的行泄。
（五）現(xiàn)狀管網(wǎng)內(nèi)澇積水評估
1.內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)
黃島區(qū)城市建設(shè)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、區(qū)域公共設(shè)施用地和特殊用地發(fā)生以下情況時(shí)，即可認(rèn)為發(fā)生內(nèi)澇：
（1）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨停止30min后道路中一條車行道的積水深度超過15cm，積水面積超過150m2；
（2）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨停止30min后道路中心積水，且積水面積超過150m2；
（3）發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，在降雨過程中或者降雨停止后居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層進(jìn)水。
圖6 長歷時(shí)雨型分配
圖7 50年一遇長歷時(shí)降雨過程線
2.內(nèi)澇分析
由于黃島目前還沒有長歷時(shí)的市政雨型，50年一遇的降雨采用水利行業(yè)的長歷時(shí)雨型，總降雨245mm，歷時(shí)18小時(shí)，最大雨強(qiáng)196mm/h。雨型分配及降雨過程線見圖6、圖7所示。
根據(jù)模擬50年一遇長歷時(shí)暴雨數(shù)據(jù)和模型分析，在長歷時(shí)暴雨18小時(shí)的情況下（降雨量達(dá)到245mm），超過20%的街道積水超過20cm。大約 60%的檢查井滿管。
50年一遇長歷時(shí)暴雨下小辛河-長安河流域內(nèi)內(nèi)澇積水情況模擬見圖8。
圖8 現(xiàn)狀50年一遇長歷時(shí)降雨內(nèi)澇情況
圖9 規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況
三、管網(wǎng)規(guī)劃方案及評估
（一）管網(wǎng)規(guī)劃方案
針對現(xiàn)狀小辛河-長安河流域現(xiàn)狀管網(wǎng)存在的問題，根據(jù)青島西海岸新區(qū)排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃，對流域內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以解決流域內(nèi)存在的內(nèi)澇問題。
將流域分為16個(gè)匯水分區(qū)，結(jié)合各區(qū)域的實(shí)際特點(diǎn)及管網(wǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合地形地貌進(jìn)行針對性地管網(wǎng)改造。最終排水采用雨污分流制，新建137km 的雨水管網(wǎng)，將雨水就近排入小辛河、長安河，最后匯入風(fēng)河入海。
（二）規(guī)劃管網(wǎng)排水能力評估
根據(jù)規(guī)劃的雨水管網(wǎng)，建立水力模擬模型。采用1、2、3、5年一遇降雨的芝加哥雨型線，對規(guī)劃管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。通過模擬發(fā)現(xiàn)，規(guī)劃排水管網(wǎng)僅有8.8%管道不滿足3年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，大約46%的管道能滿足5年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況見圖9，規(guī)劃改造前、改造后不同排水能力管道占比對比見下表3。
表3 規(guī)劃改造前后不同排水能力管道占比對比
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