長興縣雨水排澇規(guī)劃模型現(xiàn)狀分析及改造建議

陳辰斌,林常春,周勝昔

(浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 杭州 310030)

近年來,全國范圍內(nèi)各大城市極端降雨導致的內(nèi)澇事件頻發(fā), 對人民群眾的生命與財產(chǎn)安全產(chǎn)生了巨大的威脅。在浙江省,尤其是2013年第23號強臺風“菲特”更是對余姚等城市造成了巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)2013年6月住建部的《關(guān)于印發(fā)城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱的通知》,各地紛紛開展了城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃的編制工作。在編制大綱的要求下,此輪的規(guī)劃編制與傳統(tǒng)的雨水規(guī)劃編制相比,又有了更高的要求,需要使用模型軟件對城市的排水防澇能力進行動態(tài)分析和綜合評估。本文以筆者參與編制的浙江省長興縣《長興縣中心城區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》為例,對在規(guī)劃編制中模型軟件的使用展開探討與分析。

1 建模軟件及方法

本次規(guī)劃編制過程中使用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)公司的MIKE系列軟件,主要包含一維河網(wǎng)的MIKE11,城市管網(wǎng)模型MIKE URBAN；二維河口和地表水體的MIKE21等模塊。將城市的整體地形標高、管網(wǎng)情況、河道情況、降雨參數(shù)等數(shù)據(jù)綜合輸入模型后進行動態(tài)模擬,從而分析得出城市內(nèi)澇發(fā)生時的實際積水位置、積水范圍、積水深度、積水時間等信息,然后對城市排水防澇能力進行綜合評估,并找出內(nèi)澇高風險區(qū)塊。

由于規(guī)劃區(qū)域面積較大,整體建模的參數(shù)資料也很多,為了提高建模效率，縮短建模工作時間,在本次規(guī)劃的過程中,對于模型軟件的使用分為兩個層次。第一層次為大尺度的對城市整體的內(nèi)澇情況進行粗分析,找出內(nèi)澇風險較高的區(qū)域；第二層次為對內(nèi)澇風險較高區(qū)域進行單獨小區(qū)塊的細化模型模擬,提高模型的精度使模型模擬情況更貼合實際,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)研,提出相應(yīng)的改造建議。

1.1 大尺度整體模型的建立

長興縣中心城區(qū)現(xiàn)狀建成區(qū)總面積約47 km2,根據(jù)2015年4月最新的長興縣中心城區(qū)管網(wǎng)普查調(diào)查的管道資料,已建成雨水管渠主干管總長度約193.4 km,合4 115 m/km2?，F(xiàn)狀雨水管渠服務(wù)面積約46.43 km2,基本做到了雨水管渠的全覆蓋。由于城市面積較大,管渠資料較多,需要對管道資料進行適當?shù)母呕?以減少第一層次大尺度模型建立時的工作量。將管渠資料中的檢查井數(shù)量概化至100～200 m一個,既可以反映出管道的大致走向、標高、坡度、管徑變化等信息,也可以將管渠資料導入的工作量減少至原先的三分之一左右?，F(xiàn)狀地形資料采用長興縣中心城區(qū)1∶500地形圖,導入ArcGis后轉(zhuǎn)化為10 m×10 m網(wǎng)格大小的模型可使用的地形文件,可使模型在耦合模擬時的運算時間不至于太長,避免影響項目進度。降雨資料分為長歷時(24 h)降雨資料和短歷時(2 h)暴雨資料。長歷時降雨資料采用長興縣氣象站提供的1980以來的每年實測最大暴雨資料,根據(jù)排序篩選,選擇20年降雨重現(xiàn)期的實測24 h內(nèi)每小時降雨量資料輸入模型。短歷時暴雨資料采用《浙江省各城市暴雨強度公式表》中湖州市長興縣暴雨強度公式,分別計算重現(xiàn)期為1年、2年、3年、5年的2 h暴雨降雨量,并采用芝加哥降雨雨型進行模擬,產(chǎn)生短歷時模擬暴雨2 h內(nèi)降雨量資料作為邊界條件輸入模型[1]。下墊面參數(shù)由于并無ArcGis地形圖層資料,無法直接使用軟件計算每個集水區(qū)的徑流系數(shù),故在中心城區(qū)每個行政區(qū)域內(nèi)分別選擇典型區(qū)塊計算其綜合徑流系數(shù),用來代表此行政區(qū)域整體的綜合徑流系數(shù)代入模型。由于沒有詳細的河道斷面形式以及動態(tài)水位等數(shù)據(jù),此處模擬暫設(shè)置水位固定為20年重現(xiàn)期洪水水位[2]。

根據(jù)2 h短歷時暴雨模擬結(jié)果,統(tǒng)計得出長興縣中心城區(qū)雨水管渠的重現(xiàn)期分布情況見表1。

表1 管道重現(xiàn)期統(tǒng)計表

再根據(jù)模型模擬的長歷時24 h降雨情況,根據(jù)積水的深度及時間，積水區(qū)塊所處的位置，區(qū)塊用地性質(zhì)，人口密集程度等各因素疊加排序后,劃分出幾塊存在高內(nèi)澇風險的區(qū)域[3]。由于長興縣本身城市建設(shè)時對地面標高的控制較好,地面標高普遍高于河道常水位標高較多,所以雖然管道重現(xiàn)期小于1年的雨水管渠比例大于一半,但在長歷時模擬的結(jié)果看來存在長時間積水的區(qū)域仍然不是很多,整體的排水防澇能力較好。本次模擬只選出內(nèi)澇風險相對較高的6處區(qū)域,分布情況見圖1及表2。

圖1 城市高風險區(qū)域位置分布圖

編號所屬街道所處位置片區(qū)面積/hm2用地性質(zhì)人口密集程度①經(jīng)濟開發(fā)區(qū)合溪新港路、長興大道區(qū)塊18.20居住用地中等②經(jīng)濟開發(fā)區(qū)白溪大道、圣旨廟港之間區(qū)塊40.52工業(yè)用地中等③經(jīng)濟開發(fā)區(qū)圖影大道、張王塘港區(qū)塊20.59居住、學校用地密集④回龍山新區(qū)花園路、畫溪大道之間區(qū)塊13.93居住用地中等⑤老城區(qū)縣前西街、紫金路區(qū)塊10.69居住用地密集⑥老城區(qū)太湖東路、金竹路之間區(qū)塊7.63居住、商業(yè)用地密集

接下來再分別對這幾個區(qū)塊進行第二層次的細化模型模擬分析。本文由于篇幅受限,暫選擇長興縣中心城區(qū)護城河范圍內(nèi)的老城區(qū)區(qū)塊為例,其余區(qū)塊的分析方法也與此相同,暫不贅述。

1.2 小范圍詳細模型的建立

長興縣老城區(qū)區(qū)塊面積約為0.85 km2,四周被護城河環(huán)繞,為長興縣最核心區(qū)塊,人口密集,重要性高,且由于區(qū)塊被護城河環(huán)繞,邊界條件相對獨立,不易受周圍其他區(qū)塊的內(nèi)澇影響,適合進行詳細模擬分析。詳細模型所需的管渠資料有別于大尺度模型的管渠資料,需重新導入模型。導入過程無需進行概化,應(yīng)按照實際管網(wǎng)普查情況,依次將每個檢查井(約30～50 m間隔)的詳細標高等參數(shù)導入模型,真實地反映管渠的實際走向、標高、坡度、管徑變化等信息，以提高模型模擬的準確性。現(xiàn)狀地形資料采用長興縣中心城區(qū)1∶500地形圖老城區(qū)范圍內(nèi)地形,導入ArcGis后轉(zhuǎn)化為5 m×5 m網(wǎng)格大小的模型可使用的地形文件,由于詳細模型的模擬范圍面積較大尺度模型要小很多,所以雖然提高了地形精度也不至于使耦合模擬時的運算時間太長。下墊面參數(shù)根據(jù)1∶500地形圖上的信息,分為房屋、硬化地面、道路、綠地、河流水體,分別框出邊界范圍并設(shè)定不同的徑流系數(shù),通過軟件計算得出每個集水區(qū)準確的徑流系數(shù),使得模擬結(jié)果更貼近實際。在之前建立大尺度整體模型時,根據(jù)選取的典型區(qū)塊計算得出老城區(qū)附近核心區(qū)塊的整體綜合徑流系數(shù)為0.7,根據(jù)本次詳細模型計算得出的每個集水區(qū)的面積及徑流系數(shù)值,反算得出老城區(qū)整體綜合徑流系數(shù)為0.67,與之前大尺度模型中估算的值相差不大。其他降雨參數(shù)、河道水位參數(shù)與大尺度模型模擬時保持一致。

2 模擬結(jié)果分析及建議改造方案

2.1 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果以及現(xiàn)場調(diào)研情況,確認老城區(qū)范圍內(nèi)在重現(xiàn)期5年一遇的短歷時暴雨情況下會短時出現(xiàn)150 mm以上積水的區(qū)域主要有4處,在重現(xiàn)期20年一遇的長歷時暴雨情況下會較長時間存在150 mm以上積水的區(qū)域主要有1處。詳細模擬結(jié)果見圖2、圖3,模擬結(jié)果分析見表3。

項目區(qū)域位置道園路長興縣機關(guān)幼兒園門口長春北路與東魚巷交叉口附近縣前中街與金陵中路交叉口東南側(cè)米行弄南側(cè)小區(qū)內(nèi)積水時間/min80909075最大積水深度/m0.250.40.40.3積水面積/m21 8002 2756 1002 950內(nèi)澇成因路面局部下凹0.2～0.4 m,且周邊地塊標高較高,暴雨時在路面局部形成較深積水路面標高大大低于周圍0.7～1.2 m,暴雨時易形成較深積水路面標高低于周圍兩條主干道標高0.3 m,導致暴雨時無法排盡的雨水斗匯流到此處低洼帶老小區(qū)內(nèi)部標高低于外圍新建道路標高,且內(nèi)部雨水管網(wǎng)不完善,易形成積水建議改造方案[4]將路面局部低洼處填平,并將路邊綠化帶做下沉式改造將道路西側(cè)綠化帶改造為下沉式綠化帶作為臨時調(diào)蓄,并結(jié)合遠期東側(cè)地塊改造適當抬高路面標高將人民中路與洲橋街交叉口的標高適當降低,使暴雨時雨水可通過路面行泄至區(qū)塊2處設(shè)置的下沉式綠化帶中遠期為規(guī)劃道路,改造時根據(jù)規(guī)劃道路標高抬高地面,并按照規(guī)劃計算鋪設(shè)相應(yīng)管徑的雨水管道

2.2 改造方案效果評估

根據(jù)提出的改造方案及建議,將模型參數(shù)與資料調(diào)整后,再次運行后得出新的模擬結(jié)果見圖4、圖5,結(jié)果分析見表4。

表4 改造后模擬結(jié)果分析表

圖4 短歷時降雨模擬結(jié)果圖(改造后)

圖5 長歷時降雨模擬結(jié)果圖(改造后)

根據(jù)模擬結(jié)果可以分析得出,如能按建議的改造方法對存在積水風險的區(qū)域進行適當?shù)母脑?積水時間、深度以及積水面積都會相應(yīng)的減少,暴雨時來不及排盡的雨水多被積蓄在設(shè)置的下沉式綠化帶內(nèi),使得道路上的積水深度大大減小,可滿足車輛通行的要求,減少對交通的影響。文中所述的推薦改造方案,僅是從規(guī)劃層面出發(fā),對高風險內(nèi)澇點提出的建議性改造措施,在實際的城市內(nèi)澇點改造過程中,還應(yīng)根據(jù)實際情況詳細分析改造措施的可行性,制定切實可行的工程實施方案,使改造后的排澇措施能更好地發(fā)揮作用,真正提高城市的應(yīng)急排澇能力。

3 結(jié) 語

本文所述的模擬分析方法適用于規(guī)劃面積較大城市的排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃的編制工作,將規(guī)劃的建模工作分為大尺度整體模型和小范圍詳細模型兩個層次,旨在提高整體建模工作效率,同時也保證模型的準確性,使得模擬結(jié)果能較好地貼合實際。文中所述的幾種改造措施僅為筆者在參與編制《長興縣中心城區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》時,根據(jù)長興縣的情況思考的幾種推薦方案,并不一定具備普遍適用性,各地還是應(yīng)結(jié)合地方實際,充分分析內(nèi)澇形成原因,尋求符合自身實際條件的解決方案。此外,文中所述模型的準確性以及改造方案的有效性也有待后續(xù)的實踐來檢驗。