基于暴雨洪水管理模型的菊樹北涌排澇評估及綜合整治

林希璐

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣州 510635)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷推進,城市土地的不透水面積增加,導致雨水無法迅速滲透到地下,加上排水系統的不完善,使城市內澇成為普遍存在的問題[1]。頻繁的暴雨事件和不完善的排澇系統,導致城市經常面臨洪水的威脅,給居民的生活和財產安全帶來巨大的風險[2]。

為了解決菊樹北涌排澇問題,基于暴雨洪水管理模型的評估和綜合整治成為一種有效的方法。該模型能夠模擬和預測暴雨洪水過程,評估現有排澇系統的性能,并提供科學的洪水管理和排澇決策支持。本文針對菊樹北涌排澇能力面臨著日益嚴峻的挑戰以及現有排澇系統存在的問題,如排水管道狹窄、泵站容量不足等,提出相應的改進和優化方案。本次研究的創新點是對菊樹北涌排澇系統的模擬和分析,并深入了解其存在的問題和瓶頸,提出相應的改進方案和措施,以期提高菊樹北涌的排澇能力和抗洪能力,為菊樹北涌的排澇問題提供科學的解決方案,提高該區域的防洪排澇能力,保障居民的生活和財產安全。研究結果可為其他城市的排澇工程和洪水管理提供借鑒和參考,推動城市的可持續發展和安全運行。

1 暴雨洪水管理模型在菊樹北涌排澇中的應用

1.1 菊樹北涌排澇工程概況

本次研究對象是菊樹北涌綜合整治工程,位于廣州市荔灣區。菊樹北涌綜合整治工程的整治長度0.79km,概算總投資2 021.16萬元。工程任務主要是排澇和堤岸整治,其次是水景觀建設。整治起點為菊樹北涌匯入大和涌處,終點為菊樹北涌閘泵。本次的整治長度為0.825km,在整治過程中,預計河寬設計8.3～12.2 m,設計河底高程約-0.45～-0.2m。菊樹北涌為海龍圍內的排澇河道,設計排澇流量4.39m3/s。河道的整治內容包括堤岸重建、橋涵拆除重建。排澇綜合整治工程是為了解決城市內澇問題而進行的一系列綜合性工程,其主要任務是通過改善排水系統、優化水資源利用和改變城市規劃,提高城市的排澇能力和抗洪能力。

排澇綜合整治工程首先對城市的排澇狀況進行調查和評估,包括收集歷史洪水和內澇數據,分析排水系統的瓶頸和問題,確定治理的重點區域和目標。然后根據調查和評估結果,制定排澇綜合整治的規劃和設計方案。其次根據規劃和設計方案,進行排澇綜合整治工程的建設和施工,包括土地開挖、管道安裝、泵站建設等工程活動。完成排澇綜合整治工程后,需要進行運行和維護工作,確保排澇系統的正常運行。最后對排澇綜合整治工程進行管理和監督,確保工程的質量和效果。通過改善排水系統、合理規劃城市,可以有效應對暴雨洪水和內澇問題,提高城市的生活質量和安全性。

本次研究嘗試基于暴雨洪水管理模型進行菊樹北涌排澇綜合整治,暴雨洪水管理模型是用來預測和管理暴雨引發的洪水的一種數學模型。這種模型基于大氣條件、地理地形和水文特征等因素,通過建立數學方程和模擬方法,模擬暴雨洪水的發生和演變過程,以提供預警和決策支持。因此,在暴雨洪水管理模型的基礎上,應用設施景觀設計技術(Low Impact Development, LID),其模型見圖1。

基于暴雨洪水管理模型的LID是一種綜合性的策略,旨在減少暴雨洪水的影響,并改善水資源管理[3-4]。它采用多種措施來模擬和管理暴雨引起的徑流,減少洪水風險,并提高水質。包括雨水收集,通過安裝雨水桶、雨水花園、地下蓄水池等設施,用于收集和儲存降雨水,這樣可以減少徑流量,延緩洪水的形成。通過綠地建設增加綠地覆蓋,包括綠色屋頂、雨水花園、濕地等,這些綠地可以吸收和滯留降雨水,減少徑流和提供生態系統服務[5]。其次采用透水鋪裝材料,如透水混凝土、透水磚等,降低地面徑流產生的速度和量。同時,利用植被、濕地植被等進行生物工程修復,提高土壤的保水能力和降雨水的滯留時間。

1.2 暴雨洪水管理模型在排澇中的應用

暴雨洪水管理模型是一種用于評估和管理城市洪水風險的工具[6]。該模型通過模擬暴雨洪水事件的發生和傳播過程,預測洪水的淹沒范圍和水位,并提供洪水預警和災害應對的建議[7-8]。在排澇中利用暴雨洪水管理模型,可以進行城市排澇系統的規劃和設計,通過模擬不同降雨強度和頻率的暴雨事件,評估排澇系統的能力和脆弱性,確定合適的排澇設施和容量,以應對不同級別的洪水[9]。暴雨洪水管理模型中,通過模型的計算,可以預測洪水事件中的徑流量大小,并預測洪水事件中的水位變化情況。

為了評估模擬結果與實測數據的一致性和可信度,采用變異系數進行分析,變異系數如下:

(1)

為了描述降雨事件的頻率和概率,采用降雨重現期指標進行分析,降雨重現期是洪水管理和排澇規劃中重要的參考指標。通過對歷史降雨數據的分析和統計,可以確定不同重現期下的降雨強度。這些數據對于城市排澇系統的設計和建設非常重要,因為排澇系統需要具備足夠的容量和能力來處理不同重現期下的降雨事件,以保障城市的排澇效果。

為了選擇菊樹北涌的降雨情景,將短歷時重現期設置為1、2、3、5年;為了考察菊樹北涌管網排水能力,將重現期設置為10、20、30、50年。其中,短歷時降雨暴雨表達式如下:

(2)

式中:q為降雨強度;T為設計的重現期;t為降雨歷時。

暴雨洪水管理模型可以提供準確的洪水預警信息,及時預測洪水的發生和發展趨勢[10],有助于城市管理部門做出及時的應急響應,調動救援力量和資源,保障人民生命財產的安全。為了驗證模型的合理性,通過不同重現期下相關水文數據的相應變化進行研究,結果見圖2。

圖2 不同降雨重現期菊樹北涌水文數據變化情況

圖2為菊樹北涌水文數據在不同降雨重現期下的相應變化趨勢。由圖2可知,除降雨量以外,隨著降雨重現期的增加,菊樹北涌的徑流總量、排放總量、下滲量與降雨重現期的變化呈正相關變化關系。其中,當降雨重現期大于3年時,系統的徑流總量大于系統的排放總量,表明內澇的出現。這是由于排水系統不足或者排水設施堵塞等原因,導致地表積水嚴重。但由圖2可以看出,無論是重現期為1年還是為50年,在所有重現期內,系統徑流總量、排放總量、下滲量均隨著重現期的增加而攀幅量較大。其主要原因是極端降雨事件如暴雨會導致短時間內降下大量的雨水,超出排水系統的處理能力,雨水排水系統包括下水道、暗管、排水溝等設施。如果這些設施的設計容量不足或者建設不完善,就會導致雨水無法迅速排出,最終造成內澇。從圖2還可以看出,系統徑流總量的變化趨勢與整個系統的變化趨勢保持一致,而徑流峰值與凈流量也隨著重現期的增加而增加,由此可知本次研究的暴雨洪水系統具有一定的合理性。

暴雨洪水管理模型在城市排澇中的綜合整治過程是通過模擬和預測暴雨洪水過程,以及評估和優化排澇系統的設計和運行,從而提供科學的洪水管理和排澇決策支持來進行的。具體來說,首先收集和整理相關的地理數據,包括地形數據、降雨數據、排水系統數據等。這些數據可以通過現場調查、衛星遙感、氣象觀測等方式獲取,并進行處理和轉換,以便在模型中使用;接著基于歷史降雨數據和氣象模型。其次根據城市的地形和排水系統的參數,結合暴雨模擬和預測結果,可以建立排澇系統的數學模型。最后基于模型模擬結果,可以評估城市區域的洪水風險,包括淹沒范圍、淹水深度等指標。根據評估結果,可以提出相應的洪水應對建議,如建設防洪墻、調整土地利用等,以減少洪水災害的影響。總之,暴雨洪水管理模型通過模擬和預測暴雨洪水過程,以及評估和優化排澇系統的設計和運行,為菊樹北涌排澇提供科學的決策支持。

2 暴雨洪水管理模型在菊樹北涌的排澇效果分析

2.1 排水防澇能力評估

為了評估暴雨洪水模型在菊樹北涌排澇問題中的應用效能,首先對菊樹北涌的流量平衡狀態進行評估,連續性誤差是評估水量流量模型準確性的重要指標。通過研究連續性誤差,可以了解模型輸出與實際情況之間的差異,并評估模型的可靠性和準確性。在城市排水防澇中,如果模型的連續性誤差較大,可能導致對排水系統的評估和優化不準確,進而影響城市的防澇能力。評估結果見表1。

表1 水量變化在不同降雨重現期下的數值

研究連續性誤差與城市排水防澇能力的關系,有助于提出改進模型和優化排水系統的策略。由表1可知,隨著重現期的增加,下滲量與徑流量的比值逐漸減小,從0.69減少至0.5,表明在研究模型下排水問題得到顯著改善。由此可知,暴雨洪水管理模型的模擬結果合理。通過深入研究連續性誤差的成因,可以針對性地改進模型和優化排水系統,減小誤差,并提高排水系統的效率和防澇能力,有利于進行下一步研究。將改造后的徑流總量、峰值流量、下滲量及超載管道的削減率進行比較,得出暴雨洪水系統在菊樹北涌排澇中的作用,分析結果見圖3。

圖3 排水能力評估

圖3為暴雨洪水管理在菊樹北涌的排水能力評估結果圖。由圖3可知,隨著重現期的增加,徑流系數下降,重現期為50年時,總削減率超過20%。同樣,隨著重現期的增加,峰值流量也呈下降趨勢,由此可以得知暴雨洪水系數有效減緩了內澇,同時提高了洪水的排放量,當重現期為10年時,徑流峰值削減18%以上。隨著重現期的增加,洪水下滲量呈增加趨勢,到重現期為50年時,下滲率增加25%以上,表明暴雨洪水系統對菊樹北涌的水土流失起到有效的整治作用。而從超載管道看,隨著重現期的增加,區域的超載管道呈現出下降趨勢,由此可以得出研究系統減少了區域管網的洪水負擔,在重現期為50年時,對超載管道的削減效果達到最好削減率為38%。綜上可知,研究的暴雨洪水管理系統可以有效減少洪水的徑流量與徑流峰值,有利于菊樹北涌的內澇整治與洪水排放,提高洪水管理能力。

2.2 暴雨洪水管理技術在菊樹北涌的實際應用效果分析

節點作為排水系統中的關鍵組成部分,負責接收和排放雨水,因此通過研究節點溢流情況,可以了解排水系統在暴雨等極端條件下是否能夠正常運行。因此,為了評估暴雨洪水管理系統在菊樹被涌中的實際應用效果,通過對排水系統中的節點溢流情況對排澇效果進行直觀的分析。對不同降雨重現期的節點溢流情況的分析結果見表2。

表2 節點在不同降雨重現期的溢流情況

由表2可知,當降雨重現期為1～5年時,菊樹北涌的節點過載管道超過40,其過載率由59%降為41%,過載量減少18%,且隨著重現期的加大,相應的節點最大溢流量呈下降趨勢。當重現期超過10年時,節點溢流的個數出現明顯減少的趨勢;當重現期為50年時,節點溢流個數減少到8,過載率僅為8%,節點溢流時間縮減為0.01h。由此可知,暴雨洪水系統在城市內澇中有著明顯的改善效果。

根據應用模型前后菊樹北涌地區的徑流過程變化線,對其排澇應用能力進行評估,結果見圖4。圖4(a)為重現期為5年時改造前和改造后徑流量過程變化;圖4(b)為重現期為10年時改造前和改造后徑流量過程變化;圖4(c)為重現期為50年時改造前和改造后徑流量過程變化。

圖4 不同重現期下排放口徑流過程變化線

由圖4可以看出,在不同的重現期下,菊樹北涌的徑流量在改造后都有明顯的削弱現象。當重現期為50年時,改造后的徑流量比改造前的徑流量削弱20m3。與降雨峰值相比,徑流峰值均有明顯的后延趨向,徑流峰值相比于降雨峰值延遲0.2h。由此可知,暴雨洪水管理系統有利于緩解菊樹北涌地區的內澇現象。綜上可知,暴雨洪水管理系統在菊樹北涌地區的排澇應用中有著顯著的效能,不僅能夠減少系統管網的洪水負載量,同時能夠減少雨水徑流量。

3 結 論

針對菊樹北涌地區內澇問題亟待解決的現狀,本文提出了利用設施景觀設計技術的暴雨洪水管理模型對河道進行改建,并對暴雨洪水管理模型進行了性能對比試驗。結果顯示,在重現期為50年時,對超載管道的削減效果達到最好削減率為38%;當重現期為50年時,節點溢流個數減少至8,過載率僅為8%。最長的節點溢流時間僅為0.01h;當重現期為50年時,改造后的徑流量比改造前的徑流量削弱20m3。研究表明,暴雨洪水管理模型可以有效解決菊樹北涌地區的內澇問題。