極端氣候條件下沿海平原建成區管網容量評估分析

陳 露

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

0 引言

由于全球氣候持續變暖，極端天氣事件持續增長。城市內澇頻繁發生，輕則城市癱瘓，重則洪水淹城，造成人員和財產損失。尤其自2020 年6 月以來，江南、華南、西南等地出現持續性強降雨天氣，南方地區發生入汛以來最強降雨過程，江南大部、華南中北部及西南地區東部等地區降雨量打破歷史記錄。隨著城市開發進程加快，硬質路面及雨水排放系統基本已完善，在建城區對雨水管網全面提標改造基本不具備實施條件。此外沿海平原地區河網密集，河道水位較高，對傳統重力為主的自排系統影響較大，城市水安全面臨更大的挑戰。

傳統的推理公式法無法對內澇進行動態分析，借助模型采用降雨資料對片區管網動態分析，對造成內澇的原因進行分析，為提出合理經濟的提升改造措施提供參考依據。

1 工程概況

該文選用連云港市某工業園區內地塊進行案例分析，該地塊位于連云港徐圩新區，地塊范圍為228 國道以東（含228 國道）、復堆河以西、西港河以南、南復堆河以北，四周均有水系，不受外部轉輸雨水的影響，屬于一個獨立的雨水排放體系。地塊性質屬于沿海平原，地塊內道路管網基本已建成，地塊內建設正在有序推進。

2 現狀分析

2.1 規劃河道控制水位過高

城市排水安全不僅取決于排水系統的排水能力，還在取決于排放水體的水位控制。參考當地防洪除澇規劃修編，在20 年一遇暴雨強度下，西港河最高水位約2.39m，其余河道約2.35m（85 高程）。該模擬采用30 年一遇暴雨，因此該模擬水位暫按經驗選取：西港河2.49m，其余河道2.45m（85 高程）。地塊標高為3.5m～4m，在地勢平坦地區，水頭越小對排水越不利。

2.2 管道重現期標準偏低

隨著建設強度的逐步增加，徑流量逐步加大，匯流時間逐步減少，圩區內管網排放壓力進一步增大。該地塊內路網及管網基本已建成，地塊內道路及地下雨水管網建設時期較早，原雨水管網重現期標準均采用1-2 年，基地內已建或在建企業11 家，均采用雨污分流制，基本采用2 年一遇的暴雨重現期標準，今年來隨著雨水專項規劃修編，道路雨水管網設計標準已提高至5 年，但該片區內道路占比很少。隨著地塊內企業入駐，下墊面硬化率不斷提高，原設計雨水管網無法滿足地塊及道路雨水排放需求。采用推理公式并結合Infoworks ICM 模型模擬方法，對該片區現狀管網的排水能力評估，根據評估結果，現狀超過95%的管道排水能力低于2 年一遇設計標準。

2.3 內澇防治及超標雨水系統不明確

根據《室外排水設計標準》（GB 50014-2021)，連云港屬于大城市，內澇防治標準為30 年一遇，該地塊內雨水管網重現期最高標準僅為5 年，其超過設計標準的雨水均為超標雨水，該地塊內僅部分地塊設置了應急事故水池，還沒有考慮該部分的雨水，無法判斷應對極端暴雨的能力。

3 技術方案

3.1 總體方案

總體方案為：1）對地塊及道路雨水排放需求進行分析，采用推理公式法校核規劃管徑，然后采用模型法進行內澇校核，并與實際情況進行率定，如與實際情況基本吻合，則校核的成果能被采用。設計重現期標準內降雨通過雨水管渠系統合理排放，不發生內澇積水。對無法滿足內澇排放需求的管徑進行方案設計，合理布局雨水排水系統，消除內澇隱患。同時提出詳細設計參數，為企業地塊內部排水系統建設、改造等提供參考。2）市政道路雨水根據受納水體的分布、地形地勢的條件，結合已建企業集中排放情況，本著就近、分散排放的原則劃分雨水排水分區，就近排入水系內。3）新建企業和市政雨水項目應按規劃確定的重現期標準實施雨水系統的建設，已實施完成、且低于規劃重現期標準的道路和企業雨水系統，應結合大修改造計劃，分批、逐步達到規劃重現期標準。4）結合實際道路管網情況，提出方案應經濟合理，盡量減少對道路交通的影響，采用施工難度較小的工程措施。

3.2 設計標準

該設計采用連云港暴雨強度公式：

式中：-降雨強度（mm/min）；-設計暴雨強度（/s·hm）；-降雨歷時（min），=+；-地面集水時間，取10min；-管道內流行時間；-設計暴雨重現期為道路雨水管取5年，地塊雨水管取3 年。

式中：-雨水設計流量（L/s）；-地面綜合徑流系數，一般取值為0.65，硬質路面取值0.8；-匯水面積（hm）。

圣·維南方程組如下。

式中：-過流斷面流量；-距水道某固定斷面沿流程的距離；-時間；-重力加速度；-過流斷面的面積；-過流斷面平均流速；-過流斷面的水深；J-由于摩阻損失而引起的能量比降。

該方案采用芝加哥雨型進行模擬研究，參考當地城市內澇治理系統化實施方案，雨峰系數取0.4，30 年一遇3h 時設計降雨強度如圖1 所示。

圖1 連云港市30 年一遇3 小時芝加哥雨型降雨強度

該方案內澇防治標準如下：在30 年一遇3h 設計降雨條件下，地塊雨水可以通過預留通道排出，且不造成地塊內積水；若地塊積水超過30cm，則確定該處為積澇點，須進行優化改造。

3.3 工程方案

根據實際情況，該研究范圍內道路建設時間較早，管道采用有HDPE 管及鋼筋混凝土管、石砌方溝，管材質量較差，同時管道老化、破損情況嚴重。該片區地質比較特殊，為淤泥質，管道沉降嚴重，管道多處出現堵塞、逆坡等情況，也是導致管道排放能力不足、道路及地塊產生積淹情況的原因之一。具體情況需要結合CCTV 報告進行優化。

根據當地石化產業基地雨水專項規劃修編：規劃將現狀損壞嚴重、基本喪失排水功能的雨水管道以及有路沒管部分安排在2020 —2025 年實施；將沒路沒管或者有路有管，但不滿足=3 年一遇重現期標準的部分安排在2026—2030 年實施。其余滿足規劃=3 年一遇重現期標準的部分建議保留利用。

對片區內8 條道路下雨水管道全部校核，僅蘇海路的S228 至石化三路路段、陬山二路的S228 至港前大道路段、陬山路的S228 至海濱大道路段、石化七路的港前大道至海濱大道路段、港前大道的蘇海路至陬山二路路段、石化三路的蘇海路至復堆河路路段下雨水管網管徑滿足排水需求，其余路段均不滿足重現期要求，均須在后期的建設計劃中進行提標改造。

該地塊內道路下管網除極個別道路的雨水管網須轉輸地塊水，其余道路僅收集路面雨水。在對道路下雨水管道進行校驗后，確保雨水管道基本能滿足路面雨水排放需求。在此前提下，有關地塊積淹問題主要為轉輸地塊集中水量時排水通道不滿足需求造成的，所以地塊排水校驗主要分析地塊雨水預埋通道過流能力。

根據當地石化產業基地雨水專項規劃修編，首先采用推理公式法對地塊采用3 年重現期標準，對現狀及規劃企業排口進行校核及規劃，然后采用Infoworks ICM 軟件對校核后主要排水通道及現狀過路管涵進行模型校核，若片區內主要排水通道可以滿足內澇防治要求，則該方案以規劃為主；若存在積淹水點，則對該段管道進行優化，以解決片區內澇風險。

選用Infoworks ICM 軟件進行模擬，Infoworks ICM 的水力計算采用完全求解的圣.維南方程模擬管道，對超負荷的模擬采用Preissmann Slot 方法，能仿真各種復雜的水力狀況。利用貯存容量合理補償反應管網儲量，避免對管道超荷載、洪災錯誤預計。

該工程采用連云港市暴雨強度公式，采用芝加哥雨型，30 年一遇3h 降雨標準對片區內主要排水通道進行校驗，雨峰系數取0.4。該設計范圍內地塊性質主要為工業用地和倉儲用地，考慮廠區多數為硬質路面，因此該模擬地塊匯流參數（地面曼寧粗糙系數）取0.013。規劃重力管道坡度以1‰計，現狀管道以現狀坡度進行模擬。管材均選用鋼筋混凝土管，管道粗糙系數選取0.013。檢查井地面高程以4m 計。排口標高除現狀以外，均以0.4m 計。該設計范圍內涉及河道有：西港河、深港河、復堆河、南復堆河、新復堆河，共5 條河道。參考當地防洪除澇規劃修編，在20 年一遇暴雨強度下，西港河最高水位約2.39m，其余河道約2.35m（85 高程）。該模擬采用30 年一遇暴雨，因此本次模擬水位暫按經驗選取為西港河2.49m，其余河道2.45m（85 高程）。

模型建立步驟如下：1）管線、節點數據錄入。將本次設計范圍內主要排水通道管長、管徑、管底高程以及檢查井的地面高程、檢查井深度等空間數據與屬性數據導入Infoworks ICM 模型。2）匯水區劃分。根據地塊進行匯水87 區域的劃分，將劃分后的匯水分區導入Infoworks ICM 模型。3）運行軟件校核雨水管道排水能力。

根據模擬結果，該片區內共有4 處排水通道存在積淹水情況，如圖2 所示。1）A 廠區存在2 根壓力管無法滿足雨水排放需求，DN1800 壓力管處積水深度0.42m，積水時間約35min；DN1500 壓力管處積水深度0.3m，積水時間約25min。2）B 廠周邊道路為已建道路，現狀有兩處預留管道。通過模擬可知，該廠區通過2 根已建過路管涵進行排放時，1100mm×1200mm 現狀管涵無法滿足排澇標準，將會產生積水，積水深度約0.56m，積水時間約45min。C 廠規劃3000mm×1600mm 通道接入西側3×d1500mm 雨水管網。根據模擬結果，該處在30 年一遇3h 降雨時存在嚴重積水，積水深度超1m，積水時間約100min。

圖2 廠區積淹位置圖

3.4 澇點地塊分析

該廠區模擬前為DN1800 和DN1500 壓力管存在積水問題，現管徑優化為DN2200 和DN1800。經過模擬，該處內澇已消除，可以滿足內澇防治要求。

設計將衛星石化二期現狀1100mm×1200mm排水通道調整為2000mm×1400mm，可以消除內澇，滿足內澇防治要求。

雨水須經雨水管網轉輸后排入河道，企業排口距排出口距離較遠，約1km；同時該地塊高程較低僅為3.5m，與河道最高水位水頭差為1.05m，當滿管流時水力坡度與管道埋設坡度基本一致。方案一：須將雨水管道調整為4000mm×2000mm才能消除積澇，該方案須將該段雨水管網全部廢除，工程量較大；方案二：該地塊解決內澇的措施為新增一處排口，位于該地塊東南角，該處距河道較近，受河道水位影響較小，新增通道規模為3200mm×1600mm，地塊內部采用壓力管道進行強排至該出口處。考慮經濟、施工難度等因素，本次選用方案二。

3.5 工程措施總結

該地塊內河道基本已完成開挖，但現狀地坪標高與河道規劃控制水位的高差過小是影響片區內排水防澇安全的焦點問題之一，建議多途徑多措施并進，控制地坪標高與河道水位的安全高差，以提高排水安全性。現編防洪除澇規劃仍采用水利上的20 年標準，建議對防洪除澇規劃進行修編，提出滿足30 年內澇標準的控制水位；同時須在內外河交界處設置閘站，降低外圩水位及潮汐等對內河水位的影響。

雖然該片區內河道開挖，但河底標高均高于規劃標高，須對河道進行清淤疏浚，增加河道的調蓄空間，確保排澇通道的暢通無阻。

根據規劃及該校核結果，按照建設計劃對地塊內道路下雨水管網進行分階段改造，打通從地塊到河道的通路，確保設計標準內降雨條件下排水通暢。

該地塊企業排口均為超標雨水通道，將校核后的企業排口改造及規模方案納入管網改造建設計劃內，實現極端條件下，地塊在內澇標準下大雨無積澇。

4 結論

沿海平原地區具有地勢平坦、水系發達、河道水位高等特點，在極端暴雨條件下，雨水管道基本為滿管流狀態，水力坡降與管道坡度基本一致，數學模型法相對推理公式法更貼近實際降雨情況。該研究可為沿海平原已建成地區排水防澇提供參考。