南昌市青山湖片區(qū)防澇安全下邊界設計水位的優(yōu)化

李保建，詹 健

（1.江西省電力設計院，江西南昌 330096；2.南昌大學建筑工程學院，江西南昌 330031）

近年來，極端天氣時有發(fā)生，給我國很多大城市帶來了頻繁的洪澇災害，暴雨強度也屢創(chuàng)新高［1］。據(jù)統(tǒng)計［2］，我國492座城市有著防洪任務，但僅有35.98%的城市滿足規(guī)定的防洪標準。2016年6月，南昌遭遇暴雨襲擊，城區(qū)多個低洼路段出現(xiàn)內(nèi)澇積水，部分居民小區(qū)路面水深達1 m，嚴重威脅著當?shù)厝藗兊呢敭a(chǎn)安全甚至生命。在當前城市化的發(fā)展過程中，必須重視新的城市公共安全問題，即洪澇災害［3］。目前，大量的國內(nèi)外學者已經(jīng)建立了許多城市雨洪模型，其中SWMM模型應用較為廣泛［4-8］。

南昌作為江西省會城市，內(nèi)澇問題日益突出，目前針對南昌市構(gòu)建雨洪管理模型方面的研究仍鮮有報道，青山湖片區(qū)是南昌市內(nèi)澇災害的重災區(qū)，將其作為南昌市內(nèi)澇問題的研究對象具有很強的現(xiàn)實意義。本次研究通過分析南昌市青山湖片區(qū)雨洪特點，利用SWMM建立南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型，并結(jié)合青山湖排澇泵站運行情況，對青山湖片區(qū)防澇安全下邊界設計水位進行分析優(yōu)化。

1 研究區(qū)域概況

南昌市地處江西北部，市域地形以平原為主，約占總面積的36%，西北部丘陵分布較多，東南地勢比較平坦，水系河湖分布廣泛。南昌市為亞熱帶季風氣候，一年之中夏冬兩季較春秋兩季長，全年日照比較充足。南昌市年平均降水量約1 500 mm，全年平均降水時間約合3個月，平均暴雨天數(shù)約5.6 d。

本次研究選擇的區(qū)域是南昌市多次降雨的主要積水區(qū)，具體范圍為：子固路、十字街、船山路以及井岡山大道以東，青山湖大道以西，廣州路、佛塔路以北，富有大堤以南，區(qū)域面積為52 km2。青山湖片區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 青山湖片區(qū)范圍Fig.1 Range of Qingshan Lake Area

2 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

本次研究通過排水管網(wǎng)概化（圖2）、模型背景圖創(chuàng)建（圖3）、子匯水區(qū)劃分（圖4）、模型初值預估4個環(huán)節(jié)初步建立南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型。

圖2 管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topological Structure Diagram of Pipeline Network

圖3 模型背景圖Fig.3 Model Background Image

圖4 子匯水區(qū)劃分圖Fig.4 Sub-Catchment Area Map

選用南昌市有代表性的2場暴雨過程對模型參數(shù)進行率定，同時選用南昌市有代表性的1場暴雨過程對模型進行驗證，最終確定該模型參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)率定結(jié)果表Tab.1 Calibration Results of Main Parameters for the Model

3 不同降雨情景模擬

3.1 不同降雨情景設計

設計暴雨是人工合成的降雨，它的合成依據(jù)主要有兩個，即確定的降雨重現(xiàn)期和降雨歷時。它可以用來模擬不同降雨情景下的地下管流、坡面流，進一步檢驗現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力。設計暴雨主要對兩方面內(nèi)容進行設計，即暴雨的時空分布、平均強度，其中暴雨的時空分布是由暴雨雨型來表示的。不同的暴雨雨型直接關系著流域的洪峰流量以及具體的流量過程。在平均降雨強度相同的條件下，均勻雨型與雨峰在中后部的三角形雨型相比，洪峰可以減小30%。

由南昌市的降雨資料可知，在有記錄的短歷時強降雨中，單峰雨型占多數(shù)，雨峰一般在前中部，且雨峰位置大多在0.3～0.4，基本符合芝加哥雨型的特點，選用該雨型比較合適，本次研究雨峰系數(shù)取0.4。

南昌市暴雨強度如式（1）。

其中：q—暴雨強度，L ／（s·hm2）；

T—重現(xiàn)期，a；

t—降雨歷時，min。將式（1）以雨強形式表示，則南昌市暴雨強度公式可變換為式（2）。

其中：i—雨強，mm／min。

根據(jù)芝加哥雨型公式，如式（3）。

對應式（2），得出 a＝8.316（1＋ 0.69 lg T），b＝1.4，c＝ 0.64。

根據(jù)南昌市青山湖片區(qū)的實際情況，經(jīng)綜合考慮，按重現(xiàn)期分別為 0.5、1、2、5、10 a五種重現(xiàn)期下、120 min歷時的降雨作為設計暴雨。將整個降雨歷程離散為 5 min 的序列，將 t1＝ 5、10、15、20、25、30、35、40、45 min，t2＝ 50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120 min 化作以鋒為起點的降雨，可得設計暴雨雨強的具體結(jié)果，如表2所示。設計暴雨降雨過程線如圖5所示。

表2 暴雨雨強計算結(jié)果匯總表Tab.2 Summary Sheet of Calculation Results for Rainstorm Intensity

續(xù) 表

圖5 設計暴雨降雨過程線Fig.5 Design Rainstorm Rainfall Process Line

3.2 青山湖水位變化情景設計

對于子匯水區(qū)，單次降雨是其上游邊界條件，雨水口的入流過程是其下游邊界條件。對于管網(wǎng)，雨水口的入流過程是其上游邊界條件，下游管道出水口水流狀態(tài)是其下游邊界條件。從整個排水系統(tǒng)來看，具體的降雨情景是研究區(qū)域的上游邊界條件，排出口的水流狀態(tài)是其下游邊界條件，這里主要是指青山湖的水位，下游邊界條件青山湖水位為常水位17.50 m。

對于在青山湖湖畔的雨水排放口，其下游出流條件與青山湖水位密切相關，因此選用不同的青山湖水位來描述雨水排水系統(tǒng)的下游邊界條件。青山湖水位由青山閘、青山湖電排站調(diào)控，本次模擬采用恒定的水位值作為下游的邊界條件。模擬中采用青山湖的3個特征水位，即汛期最高水位19.50 m，監(jiān)測最低水位16.02 m，以及常水位17.50 m。

南京東路尾端出水口的底部標高為16.63 m，出水管的管徑為1.4 m。結(jié)合青山湖的3個特征水位可以發(fā)現(xiàn)，該排放口分別為完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態(tài)。水位變化設計情景如表3所示。

表3 水位變化設計情景表Tab.3 Design Scenes of Water Level Variation

4 雨洪聯(lián)合調(diào)度方案研究

4.1 青山湖水位變化的影響

在特定的降雨情景下，通過觀察出水口水深變化過程線、流量變化過程線，可發(fā)現(xiàn)不同青山湖水位對出水口出流量的影響。具體影響為：當出水口被完全淹沒時，由于青山湖內(nèi)水體的頂托作用，排水管網(wǎng)的排水能力受到了很大的影響；當出水口在半淹沒狀態(tài)下時，剛開始受青山湖內(nèi)水體的影響，排水過程有小幅度的震蕩，但從整體上看與出水口處于自由出流狀態(tài)時基本沒有差別，因此出水口在半淹沒狀態(tài)時，青山湖內(nèi)水體對排水管網(wǎng)的排水能力影響不是很大。具體出水口水深變化過程與流量過程如圖6、圖7所示。

4.2 青山湖片區(qū)防澇安全下邊界水位分析及優(yōu)化

在本研究中，模擬排出口全淹沒狀態(tài)開始時，離排出口最近的兩管段由于回灌的青山湖湖水，模擬管道中就已經(jīng)有水了，并且節(jié)點開始蓄水，整個降雨過程中，管道內(nèi)的水位幾乎沒有什么變化。當出水口完全淹沒時，排水管網(wǎng)的排水能力明顯下降的主要原因為下游水位一直不能下降。當青山湖水位較高致使排出口處于全淹沒狀態(tài)時，雨水徑流無法順利地直排，因此，為了滿足強降雨條件下雨水徑流的排放任務，必須保證青山湖電排站的機排能力，適時地對青山湖水位進行調(diào)整。

圖6 出水口水深變化過程線Fig.6 Change Process Line of Outlet Water Depth

圖7 出水口流量變化過程線Fig.7 Change Process Line of Outlet Flow

分析以上研究，在排水管網(wǎng)自身滿足排水能力的前提下，還應考慮受納水體對排水管網(wǎng)的作用，即排出口須處在自由出流、半淹沒狀態(tài)下，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力才能較好地發(fā)揮出來。由青山湖片區(qū)的區(qū)域面積以及在不同重現(xiàn)期下的實際徑流量，計算出不同重現(xiàn)期條件下的匯入量，將匯入量以青山湖水深的形式表述，結(jié)合排出口的標高關系，可得青山湖的控制水位，最終確定雨洪聯(lián)合調(diào)度方案。具體計算如表4所示。

表4 青山湖控制水位計算表Tab.4 Calculation of Water Control Level of Qingshan Lake

由表4可知，當重現(xiàn)期為0.5、1 a時，青山湖需控制的水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足雨水量要求；但當重現(xiàn)期為2、5、10 a時，青山湖需控制的水位分別為 17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位，此時應結(jié)合氣象預報等技術手段，根據(jù)可能發(fā)生的降雨等級預先響應，青山湖部分水量通過排澇泵站排至贛江，使水位降至預定位置，避免出現(xiàn)淹沒出流導致下游頂托，從而大大影響管網(wǎng)排水能力，產(chǎn)生內(nèi)澇現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合南昌市青山湖片區(qū)概況，構(gòu)建南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型，利用芝加哥雨型及其合成方法，設計了 0.5、1、2、5、10 a 五種不同重現(xiàn)期下的降雨情景。根據(jù)青山湖最高水位、最低水位以及常水位，設計了排放口完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態(tài)3種狀態(tài)情景。當重現(xiàn)期為0.5、1 a時，青山湖所需控制水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足要求；但當重現(xiàn)期為2、5、10 a時，青山湖所需控制水位分別為17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位17.50 m，此時需通過青山湖電排站進行調(diào)節(jié)，以免發(fā)生內(nèi)澇。

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