基于水力模擬的排澇泵站設(shè)計(jì)規(guī)模復(fù)核評(píng)估

譚錦欣，林健新，勞釗明，劉江順，鄢 琳,*

(1.廣東愛(ài)科環(huán)境科技有限公司，廣東中山 528400；2.中山市氣象局，廣東中山 528400)

近年來(lái)，我國(guó)城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)。排澇泵站作為城市防澇體系的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)規(guī)模是否滿(mǎn)足實(shí)際需求，將直接影響城市內(nèi)澇現(xiàn)象嚴(yán)重與否[1-3]。目前，我國(guó)已有部分城市將水力模擬方法應(yīng)用于內(nèi)澇防治系統(tǒng)復(fù)核評(píng)估[4-7]。同時(shí)，2016年版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：“當(dāng)匯水面積超過(guò)2 km2時(shí)，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過(guò)程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量?！笨梢?jiàn)，水力模擬將成為城市內(nèi)澇防治體系的重要評(píng)估方法。

本文以中山市中心城區(qū)為研究區(qū)域，采用InfoWorks ICM建模軟件，對(duì)該區(qū)域的排澇系統(tǒng)進(jìn)行水力建模，通過(guò)水力模擬運(yùn)算對(duì)區(qū)域內(nèi)的排澇泵站設(shè)計(jì)規(guī)模進(jìn)行復(fù)核評(píng)估，求得各泵站的設(shè)計(jì)流量與實(shí)際需求的差距，從而為該區(qū)域排澇泵站的改造升級(jí)提供科學(xué)依據(jù)[8]。

1 水力模擬

傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)方法是基于恒定流計(jì)算的推理公式法，僅以極限流量為各管道設(shè)計(jì)依據(jù)，不能準(zhǔn)確反映排水管網(wǎng)的真實(shí)運(yùn)行情況[9]。水力模擬技術(shù)是基于圣維南方程組的非恒定流計(jì)算方法，是一個(gè)時(shí)間序列函數(shù)組合[10]。圣維南方程組由連續(xù)性方程和能量方程組成，如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中：A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

t——時(shí)間，s；

Q——流量，m3/s；

x——距離，m；

g——重力加速度，m/s2；

h——管內(nèi)水深，m；

Sf——阻力坡度；

S0——管道坡度。

圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，聯(lián)解方程組并使其符合特定的初始條件和邊界條件，即可計(jì)算出非恒定水流的流速和水深或其他因變量隨流程和時(shí)間的變化。因此，基于圣維南方程組的水力模擬方法能夠真實(shí)反映排水管網(wǎng)較復(fù)雜的非恒定流水力過(guò)程。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

本次研究區(qū)域如圖1所示，位于中山市中心城區(qū)，總面積為9.69 km2，排水管網(wǎng)總長(zhǎng)度為181.04 km。該區(qū)域用地類(lèi)型主要為住宅區(qū)與商業(yè)區(qū)，經(jīng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)共有3處歷史內(nèi)澇點(diǎn)，內(nèi)澇問(wèn)題較為嚴(yán)重。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Schematic Diagram of the Study Area

2.2 水力模型構(gòu)建

2.2.1 綜合排水模型構(gòu)建

(1)1 D排水模型構(gòu)建

研究區(qū)排水管網(wǎng)及排澇泵站分布如圖2所示。研究區(qū)域內(nèi)共分為5個(gè)排水分區(qū)，OUT1#～OUT4#這4處排口為泵站P1#～P4#強(qiáng)排出流口，OUT5#排口對(duì)應(yīng)排水分區(qū)為自流區(qū)域。各座泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，各座泵站泵臺(tái)數(shù)均在2～4，各臺(tái)泵運(yùn)行模式均為按照水位自動(dòng)啟停，所有泵均不設(shè)置延時(shí)開(kāi)啟或者關(guān)閉。

圖2 排水管網(wǎng)及排澇泵站1D模型構(gòu)建Fig.2 Construction of 1D Model of Drainage Network and Drainage Pumping Station

表1 排澇泵站主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main Design Parameters of Pumping Stations

(2)數(shù)字高程模型構(gòu)建

利用研究區(qū)1∶2 000地形測(cè)繪圖高程點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)字高程模型(DEM)，如圖3所示。除隧道區(qū)域外，研究區(qū)的地面高程為2～10 m，整體地形呈東北高西南低。

圖3 研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)Fig.3 Schematic Diagram of Digital Elevation Model (DEM)

2.2.2 模型主要參數(shù)設(shè)定

(1)降雨事件選定

降雨強(qiáng)度公式取自中山市氣象局2014年7月發(fā)布公式，具體如式(3)。雨型采用芝加哥雨型[11-13]，降雨歷時(shí)統(tǒng)一為2 h，模擬時(shí)長(zhǎng)為5 h，時(shí)間間隔為5 min。

(3)

其中：q——降雨強(qiáng)度，mm/min；

T——重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí)，min。

(2)其他模型參數(shù)選定

2D網(wǎng)格設(shè)置：模型2D網(wǎng)格的最大面積為100 m2，最小面積為5 m2。

地表產(chǎn)流模式：屋面、道路、水面的產(chǎn)流模式采用固定徑流系數(shù)法，綠地、鋪裝的產(chǎn)流模式采用Horton模型[14-17]。各產(chǎn)流模式具體參數(shù)如表2所示。

表2 產(chǎn)流模式參數(shù)表Tab.2 Parameters of Runoff Generation Pattern

地表匯流模式：采用SWMM非線性水庫(kù)模型，子集水區(qū)坡度取0.001，坡面曼寧系數(shù)取0.015。

管道水頭損失：砼管糙率n值取0.014，塑料管糙率n值取0.011；局部水頭損失系數(shù)采用InfoWorks ICM推斷工具進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算賦值。

管道沉積物厚度：參照管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)資料，以管徑10%進(jìn)行初始設(shè)置。

2.3 研究方法

2.3.1 排澇泵站運(yùn)行工況模擬

(1)降雨輸入條件：采用研究區(qū)的降雨強(qiáng)度公式，分別計(jì)算得出重現(xiàn)期為0.25、0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a的降雨量，再根據(jù)芝加哥雨型對(duì)其降雨量進(jìn)行時(shí)間分配，分配的時(shí)間間隔為5 min，以模擬不同降雨條件下排澇泵站的運(yùn)行工況。

(2)水力模擬條件：模擬時(shí)長(zhǎng)為5 h，以模擬整個(gè)降雨過(guò)程以及降雨過(guò)后3 h的雨后排澇過(guò)程，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。

2.3.2 排澇泵站設(shè)計(jì)規(guī)模復(fù)核

將泵連接去除，以模擬計(jì)算上述不同降雨條件下進(jìn)站管渠雨水在自然出流情況下的流量，并以此作為泵站設(shè)計(jì)規(guī)模是否滿(mǎn)足實(shí)際排澇需求的對(duì)比依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 排澇泵站對(duì)應(yīng)排水出口峰值流量分析

各排放口自由出流工況下峰值流量如圖4所示，按照P=5 a設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P1#～P4#泵站的現(xiàn)狀規(guī)模進(jìn)行復(fù)核評(píng)估，結(jié)果如下。

圖4 各排放口自由出流工況下峰值流量分析Fig.4 Peak Flows Analysis of Pumping Stations Outlets under the Condition of Free Outflow

(1)P1#泵站現(xiàn)狀規(guī)模為15.00 m3/s，P=5 a對(duì)應(yīng)峰值流量為19.13 m3/s，現(xiàn)狀規(guī)模不滿(mǎn)足P=5 a對(duì)應(yīng)排澇需求，規(guī)模缺口為4.13 m3/s，不足比例為27.53%。

(2)P2#泵站現(xiàn)狀規(guī)模為12.00 m3/s，P=5 a對(duì)應(yīng)峰值流量為11.29 m3/s，現(xiàn)狀規(guī)模滿(mǎn)足P=5 a對(duì)應(yīng)排澇需求，流量富余0.71 m3/s，富余比例為5.92%。

(3)P3#泵站現(xiàn)狀規(guī)模為9.00 m3/s，P=5 a對(duì)應(yīng)峰值流量為10.51 m3/s，現(xiàn)狀規(guī)模不滿(mǎn)足P=5 a對(duì)應(yīng)排澇需求，規(guī)模缺口為1.51 m3/s，不足比例為16.78%。

(4)P4#泵站現(xiàn)狀規(guī)模為18.00 m3/s，P=5 a對(duì)應(yīng)峰值流量為35.11 m3/s，現(xiàn)狀規(guī)模不滿(mǎn)足P=5 a對(duì)應(yīng)排澇需求，規(guī)模缺口為17.11 m3/s，不足比例為95.06%。

(5)P1#～P4#泵站現(xiàn)狀合計(jì)規(guī)模為54.00 m3/s，P=5 a對(duì)應(yīng)峰值流量合計(jì)為76.04 m3/s，規(guī)模缺口為22.04 m3/s，不足比例為40.81%。

3.2 排澇泵站升級(jí)前后內(nèi)澇程度影響分析

根據(jù)排澇泵站復(fù)核評(píng)價(jià)結(jié)果，重新設(shè)置P1#、P3#、P4#的泵站規(guī)模，分別為20、11、36 m3/s，并以P=5 a作為對(duì)比模擬計(jì)算工況，對(duì)比泵站規(guī)模升級(jí)前后的研究區(qū)內(nèi)澇改善情況。內(nèi)澇等級(jí)共分為兩級(jí)，0.15 m≤積水深度<0.4 m為輕度內(nèi)澇，積水深度≥0.4 m為重度內(nèi)澇。

泵站規(guī)模升級(jí)前后P=5 a的最大積水深度分布如圖5所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)狀泵站規(guī)模條件下，研究區(qū)內(nèi)輕度內(nèi)澇區(qū)域總面積為0.54 km2，重度內(nèi)澇區(qū)域總面積為0.08 km2；泵站規(guī)模升級(jí)后輕度內(nèi)澇區(qū)域總面積為0.41 km2，內(nèi)澇面積減少了24.1%，重度內(nèi)澇區(qū)域總面積為0.06 km2，內(nèi)澇面積減少了25%。內(nèi)澇緩解區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部，該區(qū)域內(nèi)澇情況的改善主要得益于P4#泵站的規(guī)模升級(jí)，排水系統(tǒng)所收集的雨水可及時(shí)轉(zhuǎn)輸強(qiáng)排至外河，有效緩解了內(nèi)澇問(wèn)題。

圖5 泵站規(guī)模升級(jí)前后P=5 a的最大積水深度分布 (a)升級(jí)前；(b)升級(jí)后Fig.5 Comparison of Maximum Waterlogging Area under the Condition of P=5 a before and after Scale Upgrading of Pumping Stations (a)before Upgrading；(b)after Upgrading

4 結(jié)論

本文以中山市中心城區(qū)為研究區(qū)域，構(gòu)建了綜合排水模型，通過(guò)水力模擬方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)4個(gè)排澇泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模進(jìn)行復(fù)核評(píng)估，得出以下結(jié)論。

(1)除P2#泵站，P1#、P3#、P4#泵站均不滿(mǎn)足P=5 a的排澇需求，4座泵站整體規(guī)模缺口為22.04 m3/s，不足比例達(dá)40.81%，排澇體系排澇能力明顯不足。

(2)P4#泵站規(guī)模缺口最大，不足比例達(dá)95.06%，應(yīng)優(yōu)先對(duì)P4#泵站進(jìn)行改造升級(jí)。

(3)通過(guò)水力模擬計(jì)算，泵站規(guī)模升級(jí)后P=5 a的輕度內(nèi)澇面積減少了24.1%，重度內(nèi)澇面積減少了25%，內(nèi)澇情況改善主要得益于P4#泵站的規(guī)模升級(jí)。