巨型城市內澇片區(qū)排水管網(wǎng)排水能力分析評估研究*

張萬輝 張蓉 安關峰 李波 王譚

（廣州市市政集團有限公司 510060）

引言

隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展，城市的數(shù)量、規(guī)模和人口有了大規(guī)模增長。城市的擴張，不透水表面增加，造成徑流量系數(shù)增大、雨水匯流速度加大，導致城市防洪排澇日趨緊張［1－3］，給城市居民的生命、財產(chǎn)構成巨大的威脅。城區(qū)排水管道設計標準偏低［4－6］，老舊排水管道病害問題凸顯［7］，進一步加劇了城市內澇問題。

世界各國在解決城市內澇的實踐中，提出諸如“低影響開發(fā)技術”、“水敏感城市治理技術”、“可持續(xù)利用技術”和“生態(tài)海綿技術”等［8－11］。但在老城區(qū)，因建筑密集、管線分布復雜、交通壓力大，這些理念難以大規(guī)模推行，出路仍然是恢復和擴大排水管道的能力。

本文選取廣州市一典型內澇區(qū)為研究對象，用模擬方法分析排水管道在理想狀態(tài)及實際病害狀態(tài)下的排水能力，探尋內澇產(chǎn)生的主控因素，在此基礎上提出內澇治理措施。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（紅衛(wèi)新村）位于廣州市海珠區(qū)江海街道辦管轄范圍以內、新安街以南、江海大道以東、石榴崗路以北、紫苑路以西，面積約17.5hm2，如圖1所示。該區(qū)域中，紅衛(wèi)新村直街是主要的內澇區(qū)域。

圖1 研究區(qū)域位置及土地利用示意Fig.1 Study area location and land use

1.2 子匯水區(qū)劃分及排水管網(wǎng)概化

本研究采用SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）對排水管道的排水能力進行評估。SWMM模型是美國環(huán)保局為了設計和管理城市暴雨而研制的綜合性數(shù)學模型，可以模擬完整的城市降雨徑流運動過程。該模型包括徑流模塊、輸送模塊、擴展的輸送模塊、調蓄／處理模塊和受納水體模塊等主要模塊，可以對單場降雨或者連續(xù)降雨而產(chǎn)生的坡面徑流及其匯入排水管網(wǎng)系統(tǒng)后的水量和水質變化進行動態(tài)模擬，也可以進行排水系統(tǒng)中節(jié)點、管道以及其他排水構筑物的流量、水深和流速等時間序列的仿真模擬［12］。

在GIS中利用3D工具生成TIN表面，并轉換成DEM數(shù)據(jù)；用流向分析工具從DEM圖層獲取流向分析結果；用水文分析中的Basins工具提取自然匯水區(qū)，借助Thiessen多邊形工具對自然匯水區(qū)進行二次劃分，使每一個出水口對應一個匯水區(qū)；通過GIS分析提取相關數(shù)據(jù)，并經(jīng)修正后輸入到SWMM模型中。

研究區(qū)域被劃分為70個子匯水區(qū)，面積為0.06hm2～2.17hm2。每個子匯水區(qū)對應一種土地利用類型，其地表徑流直接排入到最近的井節(jié)點。根據(jù)上述GIS的劃分結果以及該區(qū)域排水管網(wǎng)資料，遵循管徑、管材、坡度基本保持不變的原則，將研究區(qū)域內管網(wǎng)概化為161條管道（渠）、148個節(jié)點和2個出水口，建模區(qū)概化結果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域匯水區(qū)劃分Fig.2 The regional catchment area division of study area

2 研究結果

2.1 排水管網(wǎng)總布局

1.周邊排水情況

研究區(qū)外圍與之相聯(lián)系的水體和管網(wǎng)主要有：

（1）西側為江海大道，其雨水管沿道路方向往南排入龍?zhí)队績?，污水管沿著道路往南排入南洲路的瀝滘污水處理廠。需下游泵站抽水方能加快雨污管道內的流速。

（2）南側為龍?zhí)队拷匚酃?，?005年建成，負責收集龍?zhí)队績蓚染用裆钗鬯?，龍?zhí)队拷匚酃芙?jīng)過新滘路后接入江海大道污水管中。龍?zhí)队拷匚酃芙?jīng)常因生活垃圾而淤塞，越往下游越嚴重，需要經(jīng)常清疏。

2.排水管網(wǎng)分布

研究區(qū)總體排水方向為自北往南，最終匯入南華大街十巷南面與新安街交界處的2.5m×2m箱涵內，然后往南穿過花季華庭排入龍?zhí)队?。該箱涵在花季華庭檢查井（距龍?zhí)队考s150m）的水面高程為5.70m，雨天時水面高程為6.90m，渠箱水流速度較快，排水狀況良好。箱涵出口底高程約為6.5m，與龍?zhí)队康某Ｋ?.47m基本持平，原設有三個拍門，防止龍?zhí)队康乃构唷?/p>

研究區(qū)內排水管網(wǎng)概化為148條主要的管道，主要有1號、2號、3號三條主干管，如圖3所示。1號和2號為D400管，3號為D1000管，其他支管主要為D400～D600管。

2.2 排水能力分析

1.排水管網(wǎng)模擬計算

在SWMM模型中節(jié)點發(fā)生積水之后，積水先蓄積在節(jié)點范圍之內，節(jié)點的模擬水位就會上升，甚至到最大深度，下游管線排水緩解后，積水再排出。反映在實際的情況中，如節(jié)點積水出現(xiàn)較長時間而不能及時排出，積水就會溢流出節(jié)點，造成附近道路或低洼地水浸，從而形成城鎮(zhèn)內澇。

圖3 研究區(qū)管網(wǎng)分布示意Fig.3 Distribution of pipe network instudy area

在一年一遇暴雨強度下，有27個檢查井節(jié)點出現(xiàn)不同程度的積水，占檢查井總數(shù)的18%；其中16個檢查井節(jié)點的積水時間在30min以上，占降雨歷時的61%～87%，為該區(qū)域的易澇區(qū)；J54、J82和J84井積水時間超過60min，為澇水重點控制區(qū)。計算結果與2014年5月的一年一遇降雨的觀測結果吻合。此外，有18條管道出現(xiàn)滿流情況，滿流時間超過60min的有三個管段，如圖4所示。發(fā)生滿流的管道上游節(jié)點都出現(xiàn)不同程度的積水以致內澇情況。

在3年、5年、10年一遇暴雨強度下，研究區(qū)出現(xiàn)積水的節(jié)點分別為34個、38個和43個，出現(xiàn)滿流的管道數(shù)分別為23條、24條、28條，其中位于主干管的滿流管道數(shù)分別為8條、8條、10條。說明本區(qū)域管道的設計標準較低；部分管段的管徑設計不合理，主干管線中個別管段的滿流導致上游管段排水不暢，形成積水。

圖4 研究區(qū)主干管在一年一遇暴雨強度下充滿度情況Fig.4 The depth ration ofmain pipe under One-year return period rainstorm

2.排水管網(wǎng)病害模擬與評價

城區(qū)發(fā)生內澇的原因除氣候外，另一個重要原因是排水管道過流能力不足，這可能是設計造成的，也可能是管道破壞、變形造成的［13］。CCTV（閉路電視）檢測發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內中華大街處管道嚴重淤積并有部分管道（4號管）較上游管道高，排水不暢通；3號干管淤積大量的污泥，過水斷面一半被淤死。在進行模型計算時，通過抬升4號管兩端節(jié)點標高的方法模擬管段的抬升，通過縮小3號管和4號管管徑、提高兩端節(jié)點標高的方式模擬管道的淤積。圖5、表1顯示了管道發(fā)生病害前后內澇點的分布及管道充滿的變化情況。在一年一遇暴雨強度下，考慮管道病害后產(chǎn)生35個內澇點，新增加的內澇點多位于病害管段的上游部位；新出現(xiàn)滿流管段10個。在3年～10年一遇暴雨情況下，管道病害后內澇點增加6個～8個，滿流管段數(shù)增加8條～9條。

表1 研究區(qū)管段病害前后不同暴雨強度下內澇點和滿流管段數(shù)Tab.1 The compare of waterlogging points and full flow pipes before and after the disease

圖5 研究區(qū)主干管在一年一遇暴雨強度下病害前后內澇點情況Fig.5 The change of waterlogging point before and after the disease under One-year return period rainstorm

2.3 內澇成因分析及治理措施模擬

1.內澇成因分析

通過對研究區(qū)域內管網(wǎng)現(xiàn)狀及地表情況的實地勘測，采用SWMM模型進行模擬評價，綜合分析得出研究區(qū)域內澇的成因。一是管線設計標準偏低，多數(shù)管線的設計標準為一年一遇；紅衛(wèi)新村直街處于該區(qū)域的地勢最低處，形成漏斗地。二是地表硬化率較高，缺少雨水口。三是南華大街二十巷的排水管管底高程在雨污分流改造工程中被抬升至6.97m，而上游紅衛(wèi)新村直街最低處的地面標高為7.10m，導致排水不暢。四是南華大街十巷的排水管道內淤積大量的生活垃圾，降低了管道的排水能力。

2.內澇治理方案

主要治理措施為：人工和機械清淤，恢復排水管過流能力；增加街道上，特別是低洼處紅衛(wèi)新村直街的雨水口的數(shù)量，減少雨水在地表的積水時間；拆除南華大街二十巷的高管段，新建與下游管底高程一致的管道。對積水點最多的1號管和4號管，增加如下改造方案：將1號管和2號管的下游管段的管徑由400mm增加至600mm，將管線4的渠箱尺寸由800mm×800mm改為1200mm×1200mm。

以SWMM模型作為分析手段，計算上述治理方案的排水效果，以2號管為例計算結果見圖6。管網(wǎng)的排水能力得到提升，例如管道經(jīng)過改造后，J82在一年一遇降雨情況下，雨水最大流速由0.11m3／s提高至 0.17m3／s。對于一年一遇暴雨，治理前積水點有27個，治理后積水點只剩下6個，內澇較為嚴重的紅衛(wèi)新村直街的內澇點全部消失；改造后，3～5年一遇暴雨仍出現(xiàn)約20個積水點，但積水時間小于5min。

圖6 研究區(qū)實施治理后主干管壓力分布Fig.6 The pressure distribution of themain pipe after treatment

4 結語

在不同降雨強度下，研究區(qū)內出現(xiàn)不同程度的內澇，經(jīng)過計算分析是由于本區(qū)域管道的設計標準較低，部分管段的管徑設計不合理，主干管線中個別管段的滿流導致上游管段排水不暢，形成積水。通過CCTV檢測和管網(wǎng)模擬評估發(fā)現(xiàn)，管道淤積是研究區(qū)內管道主要的病害，是形成研究區(qū)域內澇的另一重要原因。針對管道病害，采用人工和機械清淤，可恢復排水管過流能力；增加街道上低洼處雨水口的數(shù)量，可減少雨水在地表的積水時間；拆除高管段、新建與下游管底高程一致的管道、局部加大管徑后，可基本防治1年一遇暴雨，顯著改善3～5年一遇暴雨的排水狀況。

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