城鎮(zhèn)化進程中山地城市排水防澇設(shè)計研究

常建軍 陳威 糜寧 秦詩友

摘要：采用SWMM與MIKE FLOOD模型分別對湖北西北部典型山地城市鄖縣老城區(qū)的排水管網(wǎng)運行狀況進行模擬，分析溢流點及內(nèi)澇區(qū)分布，評估內(nèi)澇風(fēng)險狀況，結(jié)果顯示城區(qū)內(nèi)澇情況嚴重。根據(jù)模擬結(jié)果，厘清內(nèi)澇原因，在綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，采用灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，提升該區(qū)域的排水防澇能力，確保鄖縣老城區(qū)在城鎮(zhèn)化進程中排水防澇的安全性。通過MIKE FLOOD模型對工程方案進行校核，證實了工程方案具有可行性。

關(guān)鍵詞：山地城市；城鎮(zhèn)化；SWMM；MIKE FLOOD；內(nèi)澇風(fēng)險評估

中圖分類號：TV121 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0147-06

Abstract：Simulation of the drainage network operation in Yunxian as a typical mountainous city in northwestern Hubei was conducted using MIKE FLOOD and SWMM model，the distribution of flood points and waterlogging areas was analyzed，and the risk of waterlogging was assessed.And the result showed serious city waterlogging.The reasons for waterlogging were clarified based on the simulation results.Then based on the green storm water infrastructure，gray rainwater infrastructure was used to enhance the drainage and flood control capacity in the region，ensuring the security of Yunxian old town drainage and flood control in the process of urbanization.In conclusion，MIKE FLOOD model was used for verification of the engineering program，proving the feasibility of the engineering project.

Key words：mountainous city；urbanization；SWMM；MIKE FLOOD；risk assessment of waterlogging

2014年我國城鎮(zhèn)化率為54.77%，不僅遠低于發(fā)達國家80%的平均水平，也低于人均收入與我國相近的發(fā)展中國家60%的平均水平。因此，我國2014年《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020）》提出城鎮(zhèn)化率發(fā)展目標為60%。城鎮(zhèn)化的典型特點是不透水面積的增加。研究表明雨水徑流量和洪峰值與不透水面積呈線性增長關(guān)系[1]。而在山地城市在城鎮(zhèn)化建設(shè)中，除不透水面積增加外，還由于其易引發(fā)山洪的地勢特征，使得城區(qū)內(nèi)澇情況加?。ㄒ缌鼽c數(shù)目增加和內(nèi)澇區(qū)面積擴大），給城區(qū)排水防澇工作帶來極大壓力，嚴重影響居民的人身和財產(chǎn)安全。本文以湖北鄖縣老城區(qū)為例，采用SWMM與MIKE FLOOD模型，分別對研究區(qū)域排水管網(wǎng)運行狀況進行模擬，分析城區(qū)內(nèi)澇原因，然后結(jié)合踏勘情況和模擬結(jié)果對研究區(qū)域進行設(shè)計改造，并對工程方案進行校核，保證方案的合理性和可行性。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域地貌以秦嶺山脈和大巴山脈東段延伸部分為主，南北西邊高山，東南低丘盆地，為典型的山地城市。城區(qū)面積為800 hm²，高程介于140～300 m，北靠黑石山，三面環(huán)水，向漢江河谷傾斜。城區(qū)路網(wǎng)呈現(xiàn)“四橫三縱”的形式，其中橫向主干路為城北西路、城北東路、鄖陽路、雙慶路、獻珍路，縱向主干路為沿江大道、解放路、濱江西路。研究區(qū)域多年平均降雨量為803.76 mm，降雨主要集中在5月-9月，占年降雨量的67%。其中，夏季的降雨量占全年的43.3%；冬季最少，僅占全年的的6.37%；春秋季節(jié)占全年降雨的比例分別為24.02%、26.31%。暴雨主要集中在7月-9月份，約占暴雨總量的70.1%。其中，漢江鄖縣段作為南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，需確保飲用水水源地水質(zhì)的安全性。研究區(qū)域范圍見圖1。

2 模型建立

SWMM是一維動態(tài)的降水—徑流模擬模型，廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)的合流式下水道、排污管道、暴雨洪水以及其它排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計。MIKE FLOOD是一維管網(wǎng)系統(tǒng)模塊（Mike Urban CS）和二維地表漫流模塊（Mike 21）耦合的模型，能模擬城市內(nèi)澇地表的積水情況，可以評價內(nèi)澇對城市地表產(chǎn)生的影響。國內(nèi)已將這兩種模型用于城市排水系統(tǒng)的研究[2-7]。

2.1 模型拓撲結(jié)構(gòu)

2014年地下管線普查數(shù)據(jù)顯示，區(qū)域現(xiàn)狀已建排水（雨水）管渠總長為58.431 km，其中雨水和合流管渠長度各占比例為34%和66%。管材主要為鋼筋混凝土圓管，溝渠多為矩形斷面磚石砌。建模針對城區(qū)雨水和合流管網(wǎng)的排澇狀況，將普查數(shù)據(jù)作為模型拓撲結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)，見表1。

將管渠拓撲結(jié)構(gòu)導(dǎo)入模型，同時輸入模型的空間屬性數(shù)據(jù)，包括管渠斷面的幾何尺寸、管渠埋深、管渠進出口偏移量、管渠曼寧系數(shù)；檢查井底標高，檢查井的最大深度等。

2.2 模型率定

模型參數(shù)可以通過管網(wǎng)節(jié)點的流量、流速、水位等數(shù)據(jù)進行率定。根據(jù)模擬值與實測值的擬合度，率定模型的參數(shù)，直至兩者的擬合度滿足要求。本設(shè)計中用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)評價模擬曲線和監(jiān)測結(jié)果的擬合度，見公式（1）。

NS值越接近于1，模擬曲線與監(jiān)測結(jié)果的擬合度越高[8]。采用典型的長歷時降雨事件對模型進行率定和驗證。選取2013年7月17日-18日流量監(jiān)測數(shù)據(jù)率定SWMM與MIKE FLOOD模型參數(shù)（見圖2（a）），NS效率系數(shù)分別為0.93和0.90；選取2014年8月10日-11日流量監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證模型，NS效率系數(shù)分別為0.81和0.82（見圖2（b）），率定與驗證模型的NS效率系數(shù)均大于0.7，表明兩個模型均達到城市排水系統(tǒng)水力模型參數(shù)率定和驗證的要求，可用于城市內(nèi)澇風(fēng)險評估。

3 模型運用

3.1 內(nèi)澇風(fēng)險評估

內(nèi)澇風(fēng)險識別成果是主城區(qū)建設(shè)、用地規(guī)劃、水務(wù)工程和應(yīng)急管理的重要決策依據(jù)之一[9-11]。為識別研究區(qū)域在極端暴雨天氣下的積水風(fēng)險，本研究根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB 50014-2006）》（2014局部修訂版），對20年一遇24 h的降雨情景進行模擬，并結(jié)合內(nèi)澇積水的歷史資料，確定研究區(qū)域的溢流點和內(nèi)澇區(qū)。

3.1.1 SWMM模擬

SWMM在設(shè)計降雨情景下模擬管網(wǎng)的溢流狀況見圖3。區(qū)域溢流節(jié)點為22個，21個節(jié)點位于地塊之中。鄖陽路以北的溢流節(jié)點數(shù)為13個，其中解放路以東的節(jié)點數(shù)為9個，密集分布于黨校、法庭和政府家屬樓等處，且位于同一排水干管的上下游；其余9個節(jié)點分布于鄖陽路與獻珍路之間的中心城區(qū)，位置相對分散。

3.1.2 MIKE FLOOD模擬

據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB 50014-2006）》（2014局部修訂版），道路中的一條車道的積水深度不超過15 cm，進而對模擬結(jié)果進行等級劃分，見表2。城區(qū)出現(xiàn)高、中風(fēng)險區(qū)域的比例為4.38%，低風(fēng)險區(qū)域比例為95.62%。

MIKE FLOOD模擬降雨情景的內(nèi)澇區(qū)域見圖4。內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)有17處，內(nèi)澇中風(fēng)險區(qū)有9處，其余均為低風(fēng)險區(qū)。城北區(qū)域有三處（區(qū)黨校、法庭和政府家屬樓）大面積高風(fēng)險區(qū)和4處（交通規(guī)劃設(shè)計院、城關(guān)三小、實驗中學(xué)和龍景苑二期工程小區(qū)）中風(fēng)險區(qū)，主要分布于城區(qū)的人口密集位置；高、中內(nèi)澇區(qū)多數(shù)分布于城區(qū)邊緣，且地勢低洼，澇區(qū)內(nèi)部無排水管渠和外圍無接納管渠。多處高風(fēng)險區(qū)內(nèi)澇積水面積較大，暴雨突發(fā)時，災(zāi)害影響范圍較大。從分布情況來看，由于受到地勢高低起伏變化的影響，城區(qū)積水大部分發(fā)生于地塊中。

表3對MIKE FLOOD模擬研究區(qū)域內(nèi)澇情況進行統(tǒng)計（只針對高、中風(fēng)險區(qū)），包括內(nèi)澇點位置、內(nèi)澇面積和內(nèi)澇等級。

3.1.3 模擬結(jié)果分析

通過對比圖3和圖4，分別對研究區(qū)域進行整體和局部分析。就整體而言，區(qū)域管網(wǎng)溢流節(jié)點數(shù)目為22個，內(nèi)澇高、中風(fēng)險區(qū)為26個，中心城區(qū)和人口密集處均出現(xiàn)溢流節(jié)點和高風(fēng)險內(nèi)澇區(qū)，內(nèi)澇情況嚴重。從局部來看，鄖陽路以北的風(fēng)險區(qū)數(shù)目為13個且高風(fēng)險區(qū)積水面積為10.97 hm²；溢流點與內(nèi)澇區(qū)位置基本一致且大部分位于地塊中，同時法庭、政府家屬樓和寶南路施工地內(nèi)澇區(qū)分別出現(xiàn)3個、2個和2個溢流節(jié)點；朝陽南路內(nèi)澇區(qū)不存在溢流節(jié)點。分析原因如下。

（1）現(xiàn)狀管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期明顯偏小，與城市的內(nèi)澇防治重現(xiàn)期（20年一遇）不匹配，難以滿足設(shè)計降雨情景的內(nèi)澇防治要求。管渠的過流能力不足，檢查井承壓能力差，難以抑制洪水溢流。

（2）山洪涌入城區(qū)，造成鄖陽路以北區(qū)域大面積內(nèi)澇。研究區(qū)域地勢呈北高南低，黑石山南坡底部未設(shè)置雨水收集管網(wǎng)，導(dǎo)致山洪涌入城區(qū)。山洪無法及時排除，進而使得黑石山附近雨水管網(wǎng)出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇。

（3）地表匯流受到地勢影響，導(dǎo)致山地城市主要排水管渠位于地勢低凹處，同時也影響溢流點和內(nèi)澇區(qū)的分布。在正常排水狀況下，管渠內(nèi)雨水呈重力流。當下游管渠排水能力不足，雨水無法正常排除，進而形成壓力流，造成上游管渠回水，故內(nèi)澇區(qū)出現(xiàn)多個溢流點。

（4）結(jié)合區(qū)域地形分析，朝陽南路積水區(qū)域地勢較低，且地塊內(nèi)無雨水管渠，故而形成內(nèi)澇。

4 工程方案

在傳統(tǒng)的灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施中，雨水不能滲入地下，增加雨水徑流量和加劇水環(huán)境污染。而綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施可以減少城市排水管道系統(tǒng)的雨水徑流量，對雨水資源合理的滯蓄、滲透和利用，保障城市良性水循環(huán)[12-15]。推進綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及科學(xué)整合傳統(tǒng)的灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，才有利于城市排水防澇。根據(jù)模擬結(jié)果和踏勘情況，采用綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施和灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施對研究區(qū)域進行設(shè)計。

4.1 綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施

對城市土地利用和下墊面進行解析，結(jié)合城市用地空間布置綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，達到徑流污染控制和削減徑流總量的目的。研究區(qū)域綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計見圖5。城市匯水面分為屋面、綠地、廣場和道路四種。綠地設(shè)計為下沉式綠地，屋面雨水經(jīng)由雨落管排入到下沉式綠地中。廣場采用透水鋪裝入滲，溢流雨水經(jīng)下沉式綠地吸收后排入至市政管道。城區(qū)道路產(chǎn)生的雨水，排入路旁的生物滯留設(shè)施（包括生物滯留帶、樹池、雨水花園、雨水花壇），再溢流至市政管道。

按照設(shè)計要求進行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施布置后，采用MIKE FLOOD模型對效果進行模擬，結(jié)果見圖6。由圖4和圖6中的效果比較可知，加入綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施后，區(qū)域內(nèi)的高風(fēng)險區(qū)的數(shù)量和面積減小，部分內(nèi)澇中風(fēng)險區(qū)得到有效控制，但仍存在內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。

4.2 灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施

依據(jù)圖6中的模擬結(jié)果，為達到排水防澇的要求，有針對性地采取灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，具體措施如下。

（1）管渠改造設(shè)計。防止山洪的襲擊，在黑石山底部（城北東路北側(cè)）沿線設(shè)置截洪溝，減輕城區(qū)排水系統(tǒng)的負擔(dān)。在管渠排澇能力不足且改造條件合適的位置增大管渠尺寸或增設(shè)分流管；在無排水系統(tǒng)區(qū)域按照設(shè)計要求增設(shè)管渠（管渠設(shè)計重現(xiàn)期設(shè)為3年一遇）。

（2）箱涵設(shè)計。針對黨校、法庭和政府家屬樓三處易澇區(qū)，結(jié)合現(xiàn)有建筑和現(xiàn)狀管渠排澇能力分析，在政府家屬樓澇水區(qū)域設(shè)置箱涵，將上游雨水進行截流。見圖7。

（3）調(diào)蓄設(shè)計。在排水系統(tǒng)末端設(shè)置多功能雨水調(diào)蓄池，結(jié)合泵站抽排。既能對洪峰進行調(diào)蓄，實現(xiàn)雨水循環(huán)利用，又能避免初期雨水對承受水體的污染，還能對排水區(qū)域間的排水調(diào)度起到積極作用。對部分地勢低洼區(qū)域（獻珍路南、北易澇區(qū)），近期采用提升泵站排至附近管渠，遠期則采用調(diào)整地塊的場平標高方式，排除區(qū)域的積水。

在進行綜合設(shè)計和改造后，再次采用MIKE FLOOD模型進行模擬，結(jié)果見圖8。研究區(qū)域內(nèi)高、中風(fēng)險區(qū)域內(nèi)澇狀況明顯得到改善，轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)險區(qū)域。部分區(qū)域雖出現(xiàn)積水，但積水深度基本小于0.15 m，達到《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB 50014-2006）》（2014局部修訂版）的設(shè)計要求。結(jié)果表明工程方案具有可行性。

5 結(jié)論

（1）本文利用SWMM和MIKE FLOOD模型對山地城市排澇狀況進行動態(tài)模擬，分析城區(qū)的溢流節(jié)點和內(nèi)澇區(qū)分布，厘清城市內(nèi)澇原因。模擬結(jié)果具有一定地針對性，可減少工程造價。同時，模型結(jié)果符合實際情況，模型之間互相得到驗證，進一步證實模擬的可靠性。

（2）改變傳統(tǒng)的設(shè)計思維方式，優(yōu)先采用綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對雨水徑流的控制，然后有針對性地采取灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，進一步提升城區(qū)排澇能力。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施有效地減少不透水面積增加帶來的影響，為山地城市城鎮(zhèn)化進程中的排水防澇工作提供良好的技術(shù)手段。

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