基于徑流模型的排澇泵站優(yōu)化設(shè)計研究

應(yīng)曉路，杜 超，郭 帥

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

近年來，伴隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市不透水面積占比越來越高，加之全球氣候變化，城市所面臨的內(nèi)澇問題越發(fā)嚴(yán)峻[1～3]。為防止城市內(nèi)澇發(fā)生，提高城市排水、防澇能力，各地越來越重視排澇防洪的規(guī)劃設(shè)計，國家也推出了海綿城市建設(shè)相關(guān)理念、政策和規(guī)范，以期提升前期雨水滯留能力，降低城市下游排水壓力[4～6]。作為城市防洪排澇體系中至關(guān)重要的組成部分，在設(shè)計階段如何根據(jù)匯水區(qū)域特點，確定安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計流量，是國內(nèi)各項排澇泵站新建、擴(kuò)建工程的先行之舉。GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》中指出，排水泵站設(shè)計流量及其過程線可根據(jù)排澇標(biāo)準(zhǔn)、排澇方式、設(shè)計暴雨、排澇面積及調(diào)蓄容積等綜合分析計算確定。國內(nèi)常用的設(shè)計方法主要有市政短歷時計算方法、水利長歷時計算方法、排澇模數(shù)法及脫過系數(shù)法等[7]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建區(qū)域雨洪徑流模型的方法演算來水過程曲線，進(jìn)而由調(diào)蓄容積確定泵站設(shè)計流量的方法也逐漸應(yīng)用到實際工程中；如何選定合理的降雨工況作為模型輸入條件，是基于徑流模型的排澇泵站優(yōu)化設(shè)計中需要首先明確的問題，尤其是對于缺乏較完善水文、流量資料的城市，值得深入研究。

本文以安徽省A市狗形湖匯水區(qū)為研究對象，以8種不同降雨工況作為區(qū)域SWMM徑流模型的輸入條件，根據(jù)模擬結(jié)果分別進(jìn)行調(diào)蓄容積及泵站設(shè)計流量計算，研究探討徑流模型—調(diào)蓄容積—泵站設(shè)計方法與過程中的關(guān)鍵問題，重點分析設(shè)計降雨條件對泵站設(shè)計流量計算結(jié)果的影響。

1 區(qū)域概況與徑流模型構(gòu)建

安徽省A市狗形湖匯水區(qū)總面積約為217 hm2，采用SWMM模型對匯水區(qū)域的排水管網(wǎng)進(jìn)行概化，將整個匯水范圍分為4個大區(qū)：A區(qū)為已建成的新湖家園棲鳳美地小區(qū)，位于整個匯水區(qū)域的西北角，有相對完整的小區(qū)雨水管網(wǎng)信息；B區(qū)為正在規(guī)劃建設(shè)的魚頭地塊，目前已有較為細(xì)致的雨水管網(wǎng)規(guī)劃圖；C區(qū)為魚頭地塊以南的建成區(qū)，此地塊市政雨水管網(wǎng)設(shè)計資料比較完備；D區(qū)為沿新大道東部片區(qū)，多為綠地和水域。

通過對各個大區(qū)進(jìn)行子匯水區(qū)域的細(xì)分，將整個匯水范圍細(xì)分為153個子匯水區(qū)域，包含189個節(jié)點、89條管渠、6個排放口。見圖1和表1。

圖1 研究區(qū)域匯水分區(qū)劃分及SWMM模型

表1 狗形湖匯水區(qū)域SWMM模型中子匯水分區(qū)設(shè)置概況

由于缺乏建模地塊實際的降雨-徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究采用徑流系數(shù)法對模型的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和率定，見表2。

表2 徑流系數(shù)法進(jìn)行參數(shù)校核過程

2 降雨條件設(shè)置

《A市防洪規(guī)劃報告（2015—2030年）》和《A市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃（2013—2030）》中對區(qū)域排澇設(shè)施設(shè)計時的暴雨條件作出了說明：區(qū)域設(shè)計暴雨分為短歷時降雨和長歷時降雨，短歷時降雨為芝加哥設(shè)計雨型，分別為20 a一遇120 min降雨和50 a一遇120 min降雨；長歷時降雨根據(jù)市氣象站實測雨量資料頻率計算和查詢《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》兩種方法對比確定。

本文根據(jù)該市的規(guī)劃要求，分別從市政短歷時降雨模式和水利長歷時降雨模式兩方面，確定6種降雨模式作為模型輸入條件：首先使用芝加哥雨型生成器生成了峰值系數(shù)0.4，重現(xiàn)期分別為20、50 a的降雨事件；再利用《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》，確定了20 a一遇和50 a一遇降雨量分別為246、306 mm，通過查詢《1974安徽省水文手冊》得到兩種重現(xiàn)期降雨的時程分布。此外，選取了A市歷時雨量相仿的2場實測暴雨事件。見表3和圖2。

圖2 模擬工況降雨過程線

表3 降雨事件合集

3 結(jié)果與討論

3.1 各降雨工況下泵站設(shè)計流量差異

降雨總量直接影響排放口總出流量，工況①～④隨降雨重現(xiàn)期及降雨歷時的增加，出流總量呈增加的趨勢；工況④和工況⑥的設(shè)計降雨總量較為接近，兩者的總出流量也相差不多。見表4。

表4 各工況匯水區(qū)各排放口出流總量（入湖雨水量）m3

圖3可更清晰地看出各模擬工況下排放口入湖流量曲線與降雨曲線的響應(yīng)關(guān)系。圖3a-圖3d為根據(jù)A市暴雨強(qiáng)度公式生成的芝加哥雨型模擬結(jié)果，降雨強(qiáng)度峰值大、峰值持續(xù)時間短，得到的徑流模擬結(jié)果也具備相似特征。狗形湖的調(diào)蓄面積9.05 hm2，調(diào)蓄水位0.75 m，調(diào)蓄容積為6.8萬m3，采用調(diào)蓄容積計算法，得工況①～④的泵站設(shè)計流量分別為5.48、8.6、14.23、16.92 m3/s。圖3e和圖3f為查詢《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》及《1974安徽省水文手冊》得到的雨型模擬結(jié)果，降雨強(qiáng)度峰值持續(xù)1 h，小時降雨量占總降雨量的35%，入湖總流量峰值也較為集中，徑流模擬結(jié)果演算的排澇泵站設(shè)計流量分別為16.32、23.92 m3/s。

在50 a重現(xiàn)期、降雨歷時24 h的條件下，工況④和⑥的降雨總量接近（相差4%），但是工況⑥的泵站設(shè)計流量演算值比工況④高了7 m3/s，約為工況④的141%。分析發(fā)現(xiàn)：結(jié)合暴雨強(qiáng)度公式生成的工況④雖然具備較大的峰值流量，但其峰值持續(xù)時間極短，短時間內(nèi)并不會產(chǎn)生較大的徑流量，此外，調(diào)蓄容積計算法以小時為時間間隔，可能會掩蓋入流的峰值特征，導(dǎo)致計算的泵站設(shè)計流量偏?。还r⑥結(jié)合了歷年的暴雨事件特性，其降雨歷時、時程分布更具代表性，也更符合實際降雨情境。因此，由徑流模型法來計算城市排澇泵站設(shè)計流量時，采用暴雨強(qiáng)度公式生成的芝加哥雨型是不合適的，其與實際降雨情境可能是相悖的，保險起見，應(yīng)當(dāng)采用由歷年水文資料確定的水利長歷時降雨模式作為依據(jù)。

圖3g和圖3h為A市兩場實測暴雨的模擬結(jié)果，演算的泵站設(shè)計流量分別為11.2、8.33 m3/s，比設(shè)計降雨模擬工況小很多。分析發(fā)現(xiàn)，雖然兩場降雨的24 h雨量都達(dá)到了270 mm，與設(shè)計模擬降雨總量300 mm只相差10%左右，但其時程分布是多峰的、降雨是分散的，計算時起實際作用的只有峰值最大一段時間降雨，2013年的實測降雨最大峰值較1999年高，因此得出的泵站設(shè)計流量也高。這表明，以實際降雨作為泵站設(shè)計流量計算依據(jù)是不恰當(dāng)?shù)模枰C合考慮、評估降雨事件的代表性，不然可能導(dǎo)致計算的泵站設(shè)計流量偏低，排澇風(fēng)險較大。

圖3 各工況排放口入湖流量時程線

3.2 24 h凈雨時程分配調(diào)蓄演算

以《A市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃（2013—2030）》中設(shè)計的20 a一遇和50 a一遇24 h凈雨過程作為區(qū)域的澇水過程線，進(jìn)行狗形湖調(diào)蓄容積演算，降雨產(chǎn)流總量分別為381 996、488 786 m3，與工況⑤和工況⑥模擬結(jié)果接近，相差分別為5%、7%；設(shè)計流量分別為24.17、37.72 m3/s，相較工況⑤和工況⑥分別增加了48%、58%。分析原因：

1）以凈雨過程直接作為區(qū)域澇水過程演算，未考慮雨水的匯流過程及地面的滯留效應(yīng)，使得來水峰值過大，泵站排澇壓力過高；

2）在進(jìn)行區(qū)域降雨-徑流SWMM演算時，20、50 a重現(xiàn)期下，出現(xiàn)較多內(nèi)澇積水點，部分管段處于超負(fù)荷狀態(tài)，地面雨水轉(zhuǎn)輸不及時，約束了狗形湖的來水流量過程線，進(jìn)而使得演算的泵站設(shè)計流量稍小。

通過對A市各種規(guī)劃文件的梳理發(fā)現(xiàn)，區(qū)域的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期普遍為1～3 a，市中心城區(qū)為2～3 a，只有部分重要地區(qū)為3～5 a，而區(qū)域的排澇標(biāo)準(zhǔn)要求是50 a一遇；若不提高區(qū)域排水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期，單純的提高排澇泵站的設(shè)計重現(xiàn)期是比較低效的；而且，若現(xiàn)狀雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期偏低，以現(xiàn)狀雨水管渠構(gòu)建徑流模型，以模型結(jié)果作為排澇泵站設(shè)計流量演算依據(jù)，也會導(dǎo)致低估排澇泵站設(shè)計流量，為日后管網(wǎng)改建、擴(kuò)建后泵站埋下排澇能力不足的隱患。

4 結(jié)論

1）由徑流模型法演算城市排澇泵站設(shè)計流量時，采用暴雨強(qiáng)度公式生成的芝加哥雨型是不合適的，應(yīng)當(dāng)采用由歷年水文資料確定的水利長歷時降雨模式。

2）由實測單一降雨事件作為泵站設(shè)計流量計算依據(jù)時需謹(jǐn)慎，應(yīng)綜合分析、評估降雨事件的代表性。

3）區(qū)域雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期較低時，會約束徑流模型模擬徑流過程，進(jìn)而導(dǎo)致泵站設(shè)計流量演算結(jié)果偏小，達(dá)不到區(qū)域防澇規(guī)劃要求的泵站設(shè)計重現(xiàn)期要求，為日后管網(wǎng)改建、擴(kuò)建后泵站埋下排澇能力不足的隱患。