東莞市某排水系統(tǒng)整治工程研究與評價

陳楚喬

(東莞市水務局，廣東 東莞 523000)

1 工程概況

東莞市位于北緯22°39′22″～23°09′23″，東經(jīng)113°30′03″～114°14′37″，東西寬76km，南北長40km，位于珠江三角洲中部的廣東省中南部東江下游，東面與博羅、惠州相鄰，南部與深圳比鄰，西部與番禺隔江(珠江)相望，北部連接廣州，屬于港、深、惠經(jīng)濟走廊的核心區(qū)域。從廣州通香港的鐵路、公路、水路都貫穿境內，水陸交通方便。

新開河系統(tǒng)位于東莞市區(qū)的北部，區(qū)域地形東高西低，兩側高中間低。旗峰山位于系統(tǒng)的東南部，山頂高程為153.80m(85國家高程，下同)，除山體外，東縱大道以南區(qū)域的地勢標高為12.54～40.12m，北側區(qū)域的地勢標高為16.40～22.99m，東縱大道的地勢標高為5.70～22.0m，新河北路的地勢標高為5.7～6.8m。

近年來隨著全球氣候變化，廣東省出現(xiàn)強度較大暴雨的頻率變大，東莞市常年4月份便開始進入雷暴、強降水等強對流天氣多發(fā)的季節(jié)，每年都會有幾次強度大、歷時長、造成損失慘重的大暴雨。東莞市中心城區(qū)開發(fā)建設需求大(如圖1所示)，硬底化面積急劇增加，地面徑流量增大，而新開河系統(tǒng)屬市區(qū)內澇點最多、內澇最嚴重的系統(tǒng)，加上開發(fā)建設水文效應和東莞所在華南地區(qū)的亞熱帶季風氣候特有的“龍舟水”暴雨特征，客觀上使得該區(qū)域在強降雨情況下變得更脆弱。

圖1 40年來東莞市中心城區(qū)建設用地變化情況

新開河主干系統(tǒng)(如圖2所示)的排水能力太小，不能滿足已完全城市化的新開河系統(tǒng)的現(xiàn)狀排水要求，導致該片內澇頻繁。根據(jù)近幾年的管理記錄，新開河區(qū)域每年淹水的次數(shù)約15次，淹水深度0.3～1.0m，嚴重影響了居民的正常生活及周邊的商業(yè)，為解決片區(qū)嚴重的內澇現(xiàn)狀，必須擴大現(xiàn)狀排水管涵的排水能力，保證片區(qū)排水通暢。目前大量先進技術通過與實際項目的融合應用，將城市內澇治理提升至一個新的高度[1- 3]。基于此，通過對先進管理理念和技術的研究，將城市市政雨水排放系統(tǒng)與排澇系統(tǒng)有機結合，充分利用地形及內河涌水系進行合理分區(qū)，完善雨水管網(wǎng)及排澇泵站建設。力爭到2030年，基本消除內澇區(qū)域[4]。城市建設應充分體現(xiàn)“源頭控制”理念，通過生態(tài)性措施，有效控制初期雨水污染，保護提高雨水資源化利用水平，同時積極貫徹“海綿城市”建設的理念[5- 6]，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等低影響開發(fā)措施，降低綜合徑流系數(shù)，保護城市水文循環(huán)。

圖2 新開河主干排水系統(tǒng)分布圖

2 主干排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及成因分析

2.1 主干排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

新開河系統(tǒng)的整體地勢為東側高、西側低，南北兩側高、中間低，東縱大道為系統(tǒng)內地勢最低的主干道，系統(tǒng)內的雨水均從兩側匯至東縱大道的雨水系統(tǒng)后，然后由東向西匯至已經(jīng)密閉加蓋的新開河，最終排入運河。因此系統(tǒng)的主干排水系統(tǒng)為：東縱大道雨水管涵—新開河—運河。

東縱大道現(xiàn)狀已有雨污水管，且雨污水管均雙側布置，北側雨水管管徑為D1000～4.0×2.1～5.0×3.0，南側雨水管管徑為D1000～3.0×2.5～5.0×3.0。東縱大道敷設2根D2800排水管，接入新開河。

新開河已于2003年加蓋，由于沒有相關排水規(guī)劃的指引，新開河均在現(xiàn)狀河道斷面上加蓋，導致加蓋后的斷面規(guī)整不一。另外，位于系統(tǒng)東南側的旗峰山的雨水，在流入山體下面積為55800m2的湖泊后，通過斷面為B×H=1.3×1.3m的箱涵排入雨水系統(tǒng)，進而進入東縱大道雨水系統(tǒng)，由于建設時無排水規(guī)劃作指導，導致沿途存在排水管涵建設無序、大管接小管的問題。

2.2 內澇成因分析

2.2.1缺乏排水能力

那些早期建設的主干排水系統(tǒng)隨著城市的不斷建設，已經(jīng)明顯地改變了下墊面的條件，劇增了雨水徑流量，加之最近頻發(fā)的極端氣候，導致主干排水能力嚴重下降，難以滿足不斷增加的排水需求。

2.2.2建設尚待完善

內澇整治工程措施設有南北側分流措施，目前只實施了北側分流措施，按設計本應該匯入南側分流區(qū)域的雨水，現(xiàn)狀仍排至北側分流區(qū)域，增加了北側排水系統(tǒng)的壓力，導致北側排水系統(tǒng)仍存在一定的水浸現(xiàn)象。

2.2.3調蓄功能并未開啟

根據(jù)北側設計方案，暴雨期間，應開啟2#水閘，湖泊參與徑流洪水的調蓄，減輕新開河下游的排水壓力。但是，工程實施后，發(fā)現(xiàn)由于市區(qū)的截污并不夠徹底，仍有部分區(qū)域未敷設污水管網(wǎng)，或者部分用戶污水未能與污水管網(wǎng)良好對接，致使仍有污水流入雨水系統(tǒng)當中，影響了湖泊的水質，因此并未開啟調蓄。

2.2.4排水設施管理維護水平低

排水管道清淤長效機制尚未建立，市場化進程較緩慢，出現(xiàn)嚴重的淤塞和損壞部分排水管渠的現(xiàn)象，逐漸縮小了過水斷面，內澇程度日趨嚴重。

2.2.5破壞排水設施行為嚴重

城市雨污水管網(wǎng)混接、道路改造及道路兩旁的建筑工地不文明施工，排水戶排水不規(guī)范，大量的建筑余泥和垃圾堵塞排水管渠等破壞城市排水設施行為較嚴重，影響排水設施正常排水，極易形成內澇。

2.2.6部分道路雨水口偏少

目前，道路的雨水口偏少，雨水沿道路快速匯集到低洼地區(qū)，無法順利地收集至現(xiàn)狀主干管中，從而形成路面積水。

2.2.7下墊面環(huán)境

隨著不斷擴展的城市建設，變化最明顯的是匯水區(qū)域內的下墊面條件，主要是不斷增加的硬化程度，大大增加了雨水徑流量，導致排水灌渠超負荷。

3 排水系統(tǒng)整治方案設計

3.1 排澇標準及參數(shù)選擇

3.1.1排澇系統(tǒng)流量計算方法

暴雨水量設計和計算公式見式(1)。

Q=φ·q·F(L/s)

(1)

式中，q—暴雨強度，L/(s·hm2)；F—匯水面積，hm2；φ—徑流系數(shù)。

《東莞市暴雨強度公式》是2016年11月東莞市編制，以此為依據(jù)計算暴雨強度，公式如式(2)。

(2)

式中，t—降雨歷時設定；t—地面集水時間，min，t=t1+t2，t1根據(jù)視距的距離、地面覆蓋狀況和地形坡度等條件，設定10～20min，t2—管內流行時間，min。

3.1.2選擇暴雨重現(xiàn)期P值

重現(xiàn)期P值屬于某特定暴雨強度值，具體來說是暴雨強度容易產(chǎn)生的一次平均間隔時間，前提是等于或大于該值的強度，單位用年表示[7- 8]。在暴雨水量計算方法中，計算參數(shù)暴雨重現(xiàn)期P的取值對最終暴雨量計算結果影響最大，如果重現(xiàn)期利用較高的設計，得出的暴雨強度的計算結果就大，雨水流量設計也大，以及相應變大的灌渠斷面，導致工程建設費用高，反之則低。

根據(jù)相關規(guī)范[9]，必須按照匯水區(qū)氣候特征、地形特點等條件進行雨水管渠重現(xiàn)期的設計，相同的排水系統(tǒng)既能選擇相同的重現(xiàn)期，也可以選擇不同的重現(xiàn)期。通常情況下，可以選擇2～5年的時間間隔作為大城市中心城區(qū)的重現(xiàn)期，中心城區(qū)重要地區(qū)一般采用5～10年。

考慮到東莞市的城市特性，在對工程經(jīng)濟影響不大的前提下，主干管渠的暴雨重現(xiàn)期P取5年。

3.1.3其他參數(shù)的選擇

(1)徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是降水量和徑流量的比值，前提是同一時段和同一流域面積內的徑流和降水。根據(jù)不同的時段獲取不同徑流系數(shù)。最穩(wěn)定的數(shù)值是多年的平均徑流系數(shù)，可以全面體現(xiàn)出流域內自然地理因素影響降水形成徑流的程度，所以區(qū)域性鮮明。洪水期的降水徑流關系通常是通過洪水徑流系數(shù)反映出來，可以有效地預估洪水。計算徑流系數(shù)的公式為φ=R/P，其中徑流系數(shù)設定為φ，利用百分數(shù)顯示，徑流深度設定為R，降水深度設定為P。如果在0～1之間顯示φ值變化，那么φ大值在濕潤地區(qū)，干旱地區(qū)φ相對小。

通常要根據(jù)地面覆蓋情況、路面鋪砌、地面坡度、地形、建筑密度布置等進行不同的設計。地面覆蓋種類的透水性是影響φ值的主要因素，其他影響因素還包括降水歷時、暴雨雨型和暴雨強度。由于是諸多因素的影響，不容易取得精確的數(shù)值。當前，在設計雨水灌渠的過程中，一般會根據(jù)地面覆蓋類型確定凈流系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值，按照其范圍[10]，徑流系數(shù)見表1。

表1 徑流系數(shù)

在設計中，也可以采用區(qū)域綜合徑流系數(shù)。根據(jù)規(guī)范[，綜合徑流系數(shù)見表2。

表2 綜合徑流系數(shù)

由以上分析，本工程綜合徑流系數(shù)基本取0.8。

(2)粗糙度系數(shù)n值選擇

渠道的粗糙度根據(jù)以往設計經(jīng)驗并參考《給水排水設計手冊》相關章節(jié)，鋼筋混凝土管渠取0.013，管渠要求定期維護，以免滋生雜草或泥砂淤積。

(3)排水渠道控制標高確定

由于新開河、分流管涵均需接入東莞運河內，而東莞運河屬于人工運河，其與外圍自然江體之間依靠運河沿線多個閘孔連通。因此運河對市區(qū)排澇系統(tǒng)起著更大的排放和調蓄作用。晴天時關閉閘孔，運河全線蓄有一定水量。暴雨天時，下游閘門開啟，將河道內收集的雨水排入外圍自然江體。因此渠道末端控制高程取決于運河的洪水位高程。根據(jù)運河綜合整治規(guī)劃，管涵出口處運河洪水位為3.69m。

(4)最小設計坡度

按照最小充滿度下計算不淤流速控制的最小坡度見表3。

表3 最小設計坡度

3.2 排水系統(tǒng)分區(qū)

新開河系統(tǒng)內的地勢為南北兩側高、中間低，兩側的雨水均排入中間地勢最低的東縱大道，根據(jù)原設計方案，新開河系統(tǒng)雨水方案設計本著高水高排的原則，以東城大道為界在南北兩側均設置分流、整治措施，保證流域的排水安全問題，通過創(chuàng)業(yè)路—八達路排入運河，同時收集創(chuàng)業(yè)路—八達路以南市橋河系統(tǒng)的雨水。因此南側分流工程的分區(qū)具體如下：

(1)新開河南側分流系統(tǒng)：服務范圍為旗峰路、東城大道、翠峰路圍合的區(qū)域，總服務面積295.41hm2。

(2)新開河北側分流系統(tǒng)：服務范圍為除去南側分流系統(tǒng)其余新開河系統(tǒng)，統(tǒng)服務面積為897.19hm2，本系統(tǒng)的分流措施已經(jīng)實施。

(3)市橋河南側分流系統(tǒng)：服務范圍為市橋河系統(tǒng)創(chuàng)業(yè)路—八達路以南范圍，服務面積為93.51hm2。

北側分流工程已全面施工竣工并投入使用。主要工程內容是：

(1)沿東縱大道上設置分流管涵，分流管涵管徑為D2800，共設有兩根，排水能力為41.20m3/s，雨水排入新開河，排水管道總長度約3.94km(1.97km×2)。

(2)針對兩處地勢低洼地段，設計采用泵站強排。泵站出站管管徑為D2800，通過新河北路排入運河。

(3)利用人民公園的湖泊進行調畜。

為了完善內澇三期系統(tǒng)，防止東城大道南側原設計自排的雨水進入北側區(qū)域，減少北側排水系統(tǒng)的壓力，杜絕北側排水系統(tǒng)的水浸現(xiàn)象。必須對南側排水系統(tǒng)進行設計。

3.3 分流方案

通過現(xiàn)場踏勘，南側分流措施主要沿東城南路、東城大道、八達路、創(chuàng)業(yè)路敷設分流管涵。該方案截流新開河系統(tǒng)內旗峰山以北(含旗峰山)、東城大道以南的區(qū)域直接排入運河，同時，沿途還截流原屬于其它排水系統(tǒng)的匯入八達路、創(chuàng)業(yè)路的雨水，解決了澳南路、圓嶺路的內澇問題。

本分流管涵總的匯水面積約388.92hm2，分流水量為72.88m3/s，其中分流屬于新開河系統(tǒng)的排水面積約295.41hm2，暴雨量為59.8m3/s，屬于市橋河南側系統(tǒng)排水面積為93.51hm2，暴雨量為13.08m3/s。分流主管總長6203m，分流管管徑為D1500～D5400。

4 結語

目前城市發(fā)展迅速，許多城市均受到不同程度的內澇影響，極大地牽制了城市的發(fā)展。隨著海綿城市的理念不斷深入城市管理者和工程師的腦中，城市內澇的治理方式也在不斷改變和提升。

基于新開河主干排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出7種成因類型，針對7種成因類型，需要采取針對性的設計措施。通過對排澇系統(tǒng)流量、暴雨重現(xiàn)期P值、徑流系數(shù)、粗糙度系數(shù)等參數(shù)的分析，同時將排水系統(tǒng)進行分區(qū)，繼而采取不同的分流方案。這一系列措施經(jīng)工程實踐檢驗，極大地提升了新開河主干排水系統(tǒng)的排水能力，解決了城市內澇的難題，同時整體整治工程質量滿足設計要求和行業(yè)規(guī)范，對其他相似工程具有一定的參考價值。