極端氣候條件下沿海平原建成區(qū)管網(wǎng)容量評(píng)估分析

陳 露

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

0 引言

由于全球氣候持續(xù)變暖，極端天氣事件持續(xù)增長。城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生，輕則城市癱瘓，重則洪水淹城，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。尤其自2020 年6 月以來，江南、華南、西南等地出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣，南方地區(qū)發(fā)生入汛以來最強(qiáng)降雨過程，江南大部、華南中北部及西南地區(qū)東部等地區(qū)降雨量打破歷史記錄。隨著城市開發(fā)進(jìn)程加快，硬質(zhì)路面及雨水排放系統(tǒng)基本已完善，在建城區(qū)對(duì)雨水管網(wǎng)全面提標(biāo)改造基本不具備實(shí)施條件。此外沿海平原地區(qū)河網(wǎng)密集，河道水位較高，對(duì)傳統(tǒng)重力為主的自排系統(tǒng)影響較大，城市水安全面臨更大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的推理公式法無法對(duì)內(nèi)澇進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，借助模型采用降雨資料對(duì)片區(qū)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析，對(duì)造成內(nèi)澇的原因進(jìn)行分析，為提出合理經(jīng)濟(jì)的提升改造措施提供參考依據(jù)。

1 工程概況

該文選用連云港市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)地塊進(jìn)行案例分析，該地塊位于連云港徐圩新區(qū)，地塊范圍為228 國道以東（含228 國道）、復(fù)堆河以西、西港河以南、南復(fù)堆河以北，四周均有水系，不受外部轉(zhuǎn)輸雨水的影響，屬于一個(gè)獨(dú)立的雨水排放體系。地塊性質(zhì)屬于沿海平原，地塊內(nèi)道路管網(wǎng)基本已建成，地塊內(nèi)建設(shè)正在有序推進(jìn)。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 規(guī)劃河道控制水位過高

城市排水安全不僅取決于排水系統(tǒng)的排水能力，還在取決于排放水體的水位控制。參考當(dāng)?shù)胤篮槌凉骋?guī)劃修編，在20 年一遇暴雨強(qiáng)度下，西港河最高水位約2.39m，其余河道約2.35m（85 高程）。該模擬采用30 年一遇暴雨，因此該模擬水位暫按經(jīng)驗(yàn)選?。何鞲酆?.49m，其余河道2.45m（85 高程）。地塊標(biāo)高為3.5m～4m，在地勢(shì)平坦地區(qū)，水頭越小對(duì)排水越不利。

2.2 管道重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)偏低

隨著建設(shè)強(qiáng)度的逐步增加，徑流量逐步加大，匯流時(shí)間逐步減少，圩區(qū)內(nèi)管網(wǎng)排放壓力進(jìn)一步增大。該地塊內(nèi)路網(wǎng)及管網(wǎng)基本已建成，地塊內(nèi)道路及地下雨水管網(wǎng)建設(shè)時(shí)期較早，原雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)均采用1-2 年，基地內(nèi)已建或在建企業(yè)11 家，均采用雨污分流制，基本采用2 年一遇的暴雨重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，今年來隨著雨水專項(xiàng)規(guī)劃修編，道路雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已提高至5 年，但該片區(qū)內(nèi)道路占比很少。隨著地塊內(nèi)企業(yè)入駐，下墊面硬化率不斷提高，原設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)無法滿足地塊及道路雨水排放需求。采用推理公式并結(jié)合Infoworks ICM 模型模擬方法，對(duì)該片區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，現(xiàn)狀超過95%的管道排水能力低于2 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 內(nèi)澇防治及超標(biāo)雨水系統(tǒng)不明確

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021)，連云港屬于大城市，內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，該地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期最高標(biāo)準(zhǔn)僅為5 年，其超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨水均為超標(biāo)雨水，該地塊內(nèi)僅部分地塊設(shè)置了應(yīng)急事故水池，還沒有考慮該部分的雨水，無法判斷應(yīng)對(duì)極端暴雨的能力。

3 技術(shù)方案

3.1 總體方案

總體方案為：1）對(duì)地塊及道路雨水排放需求進(jìn)行分析，采用推理公式法校核規(guī)劃管徑，然后采用模型法進(jìn)行內(nèi)澇校核，并與實(shí)際情況進(jìn)行率定，如與實(shí)際情況基本吻合，則校核的成果能被采用。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)降雨通過雨水管渠系統(tǒng)合理排放，不發(fā)生內(nèi)澇積水。對(duì)無法滿足內(nèi)澇排放需求的管徑進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，合理布局雨水排水系統(tǒng)，消除內(nèi)澇隱患。同時(shí)提出詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，為企業(yè)地塊內(nèi)部排水系統(tǒng)建設(shè)、改造等提供參考。2）市政道路雨水根據(jù)受納水體的分布、地形地勢(shì)的條件，結(jié)合已建企業(yè)集中排放情況，本著就近、分散排放的原則劃分雨水排水分區(qū)，就近排入水系內(nèi)。3）新建企業(yè)和市政雨水項(xiàng)目應(yīng)按規(guī)劃確定的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施雨水系統(tǒng)的建設(shè)，已實(shí)施完成、且低于規(guī)劃重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的道路和企業(yè)雨水系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合大修改造計(jì)劃，分批、逐步達(dá)到規(guī)劃重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。4）結(jié)合實(shí)際道路管網(wǎng)情況，提出方案應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，盡量減少對(duì)道路交通的影響，采用施工難度較小的工程措施。

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該設(shè)計(jì)采用連云港暴雨強(qiáng)度公式：

式中：-降雨強(qiáng)度（mm/min）；-設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（/s·hm）；-降雨歷時(shí)（min），=+；-地面集水時(shí)間，取10min；-管道內(nèi)流行時(shí)間；-設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為道路雨水管取5年，地塊雨水管取3 年。

式中：-雨水設(shè)計(jì)流量（L/s）；-地面綜合徑流系數(shù)，一般取值為0.65，硬質(zhì)路面取值0.8；-匯水面積（hm）。

圣·維南方程組如下。

式中：-過流斷面流量；-距水道某固定斷面沿流程的距離；-時(shí)間；-重力加速度；-過流斷面的面積；-過流斷面平均流速；-過流斷面的水深；J-由于摩阻損失而引起的能量比降。

該方案采用芝加哥雨型進(jìn)行模擬研究，參考當(dāng)?shù)爻鞘袃?nèi)澇治理系統(tǒng)化實(shí)施方案，雨峰系數(shù)取0.4，30 年一遇3h 時(shí)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度如圖1 所示。

圖1 連云港市30 年一遇3 小時(shí)芝加哥雨型降雨強(qiáng)度

該方案內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)如下：在30 年一遇3h 設(shè)計(jì)降雨條件下，地塊雨水可以通過預(yù)留通道排出，且不造成地塊內(nèi)積水；若地塊積水超過30cm，則確定該處為積澇點(diǎn)，須進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.3 工程方案

根據(jù)實(shí)際情況，該研究范圍內(nèi)道路建設(shè)時(shí)間較早，管道采用有HDPE 管及鋼筋混凝土管、石砌方溝，管材質(zhì)量較差，同時(shí)管道老化、破損情況嚴(yán)重。該片區(qū)地質(zhì)比較特殊，為淤泥質(zhì)，管道沉降嚴(yán)重，管道多處出現(xiàn)堵塞、逆坡等情況，也是導(dǎo)致管道排放能力不足、道路及地塊產(chǎn)生積淹情況的原因之一。具體情況需要結(jié)合CCTV 報(bào)告進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)當(dāng)?shù)厥a(chǎn)業(yè)基地雨水專項(xiàng)規(guī)劃修編：規(guī)劃將現(xiàn)狀損壞嚴(yán)重、基本喪失排水功能的雨水管道以及有路沒管部分安排在2020 —2025 年實(shí)施；將沒路沒管或者有路有管，但不滿足=3 年一遇重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的部分安排在2026—2030 年實(shí)施。其余滿足規(guī)劃=3 年一遇重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的部分建議保留利用。

對(duì)片區(qū)內(nèi)8 條道路下雨水管道全部校核，僅蘇海路的S228 至石化三路路段、陬山二路的S228 至港前大道路段、陬山路的S228 至海濱大道路段、石化七路的港前大道至海濱大道路段、港前大道的蘇海路至陬山二路路段、石化三路的蘇海路至復(fù)堆河路路段下雨水管網(wǎng)管徑滿足排水需求，其余路段均不滿足重現(xiàn)期要求，均須在后期的建設(shè)計(jì)劃中進(jìn)行提標(biāo)改造。

該地塊內(nèi)道路下管網(wǎng)除極個(gè)別道路的雨水管網(wǎng)須轉(zhuǎn)輸?shù)貕K水，其余道路僅收集路面雨水。在對(duì)道路下雨水管道進(jìn)行校驗(yàn)后，確保雨水管道基本能滿足路面雨水排放需求。在此前提下，有關(guān)地塊積淹問題主要為轉(zhuǎn)輸?shù)貕K集中水量時(shí)排水通道不滿足需求造成的，所以地塊排水校驗(yàn)主要分析地塊雨水預(yù)埋通道過流能力。

根據(jù)當(dāng)?shù)厥a(chǎn)業(yè)基地雨水專項(xiàng)規(guī)劃修編，首先采用推理公式法對(duì)地塊采用3 年重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃企業(yè)排口進(jìn)行校核及規(guī)劃，然后采用Infoworks ICM 軟件對(duì)校核后主要排水通道及現(xiàn)狀過路管涵進(jìn)行模型校核，若片區(qū)內(nèi)主要排水通道可以滿足內(nèi)澇防治要求，則該方案以規(guī)劃為主；若存在積淹水點(diǎn)，則對(duì)該段管道進(jìn)行優(yōu)化，以解決片區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

選用Infoworks ICM 軟件進(jìn)行模擬，Infoworks ICM 的水力計(jì)算采用完全求解的圣.維南方程模擬管道，對(duì)超負(fù)荷的模擬采用Preissmann Slot 方法，能仿真各種復(fù)雜的水力狀況。利用貯存容量合理補(bǔ)償反應(yīng)管網(wǎng)儲(chǔ)量，避免對(duì)管道超荷載、洪災(zāi)錯(cuò)誤預(yù)計(jì)。

該工程采用連云港市暴雨強(qiáng)度公式，采用芝加哥雨型，30 年一遇3h 降雨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)片區(qū)內(nèi)主要排水通道進(jìn)行校驗(yàn)，雨峰系數(shù)取0.4。該設(shè)計(jì)范圍內(nèi)地塊性質(zhì)主要為工業(yè)用地和倉儲(chǔ)用地，考慮廠區(qū)多數(shù)為硬質(zhì)路面，因此該模擬地塊匯流參數(shù)（地面曼寧粗糙系數(shù)）取0.013。規(guī)劃重力管道坡度以1‰計(jì)，現(xiàn)狀管道以現(xiàn)狀坡度進(jìn)行模擬。管材均選用鋼筋混凝土管，管道粗糙系數(shù)選取0.013。檢查井地面高程以4m 計(jì)。排口標(biāo)高除現(xiàn)狀以外，均以0.4m 計(jì)。該設(shè)計(jì)范圍內(nèi)涉及河道有：西港河、深港河、復(fù)堆河、南復(fù)堆河、新復(fù)堆河，共5 條河道。參考當(dāng)?shù)胤篮槌凉骋?guī)劃修編，在20 年一遇暴雨強(qiáng)度下，西港河最高水位約2.39m，其余河道約2.35m（85 高程）。該模擬采用30 年一遇暴雨，因此本次模擬水位暫按經(jīng)驗(yàn)選取為西港河2.49m，其余河道2.45m（85 高程）。

模型建立步驟如下：1）管線、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入。將本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)主要排水通道管長、管徑、管底高程以及檢查井的地面高程、檢查井深度等空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入Infoworks ICM 模型。2）匯水區(qū)劃分。根據(jù)地塊進(jìn)行匯水87 區(qū)域的劃分，將劃分后的匯水分區(qū)導(dǎo)入Infoworks ICM 模型。3）運(yùn)行軟件校核雨水管道排水能力。

根據(jù)模擬結(jié)果，該片區(qū)內(nèi)共有4 處排水通道存在積淹水情況，如圖2 所示。1）A 廠區(qū)存在2 根壓力管無法滿足雨水排放需求，DN1800 壓力管處積水深度0.42m，積水時(shí)間約35min；DN1500 壓力管處積水深度0.3m，積水時(shí)間約25min。2）B 廠周邊道路為已建道路，現(xiàn)狀有兩處預(yù)留管道。通過模擬可知，該廠區(qū)通過2 根已建過路管涵進(jìn)行排放時(shí)，1100mm×1200mm 現(xiàn)狀管涵無法滿足排澇標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)產(chǎn)生積水，積水深度約0.56m，積水時(shí)間約45min。C 廠規(guī)劃3000mm×1600mm 通道接入西側(cè)3×d1500mm 雨水管網(wǎng)。根據(jù)模擬結(jié)果，該處在30 年一遇3h 降雨時(shí)存在嚴(yán)重積水，積水深度超1m，積水時(shí)間約100min。

圖2 廠區(qū)積淹位置圖

3.4 澇點(diǎn)地塊分析

該廠區(qū)模擬前為DN1800 和DN1500 壓力管存在積水問題，現(xiàn)管徑優(yōu)化為DN2200 和DN1800。經(jīng)過模擬，該處內(nèi)澇已消除，可以滿足內(nèi)澇防治要求。

設(shè)計(jì)將衛(wèi)星石化二期現(xiàn)狀1100mm×1200mm排水通道調(diào)整為2000mm×1400mm，可以消除內(nèi)澇，滿足內(nèi)澇防治要求。

雨水須經(jīng)雨水管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸后排入河道，企業(yè)排口距排出口距離較遠(yuǎn)，約1km；同時(shí)該地塊高程較低僅為3.5m，與河道最高水位水頭差為1.05m，當(dāng)滿管流時(shí)水力坡度與管道埋設(shè)坡度基本一致。方案一：須將雨水管道調(diào)整為4000mm×2000mm才能消除積澇，該方案須將該段雨水管網(wǎng)全部廢除，工程量較大；方案二：該地塊解決內(nèi)澇的措施為新增一處排口，位于該地塊東南角，該處距河道較近，受河道水位影響較小，新增通道規(guī)模為3200mm×1600mm，地塊內(nèi)部采用壓力管道進(jìn)行強(qiáng)排至該出口處?？紤]經(jīng)濟(jì)、施工難度等因素，本次選用方案二。

3.5 工程措施總結(jié)

該地塊內(nèi)河道基本已完成開挖，但現(xiàn)狀地坪標(biāo)高與河道規(guī)劃控制水位的高差過小是影響片區(qū)內(nèi)排水防澇安全的焦點(diǎn)問題之一，建議多途徑多措施并進(jìn)，控制地坪標(biāo)高與河道水位的安全高差，以提高排水安全性?，F(xiàn)編防洪除澇規(guī)劃仍采用水利上的20 年標(biāo)準(zhǔn)，建議對(duì)防洪除澇規(guī)劃進(jìn)行修編，提出滿足30 年內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)的控制水位；同時(shí)須在內(nèi)外河交界處設(shè)置閘站，降低外圩水位及潮汐等對(duì)內(nèi)河水位的影響。

雖然該片區(qū)內(nèi)河道開挖，但河底標(biāo)高均高于規(guī)劃標(biāo)高，須對(duì)河道進(jìn)行清淤疏浚，增加河道的調(diào)蓄空間，確保排澇通道的暢通無阻。

根據(jù)規(guī)劃及該校核結(jié)果，按照建設(shè)計(jì)劃對(duì)地塊內(nèi)道路下雨水管網(wǎng)進(jìn)行分階段改造，打通從地塊到河道的通路，確保設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)降雨條件下排水通暢。

該地塊企業(yè)排口均為超標(biāo)雨水通道，將校核后的企業(yè)排口改造及規(guī)模方案納入管網(wǎng)改造建設(shè)計(jì)劃內(nèi)，實(shí)現(xiàn)極端條件下，地塊在內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)下大雨無積澇。

4 結(jié)論

沿海平原地區(qū)具有地勢(shì)平坦、水系發(fā)達(dá)、河道水位高等特點(diǎn)，在極端暴雨條件下，雨水管道基本為滿管流狀態(tài)，水力坡降與管道坡度基本一致，數(shù)學(xué)模型法相對(duì)推理公式法更貼近實(shí)際降雨情況。該研究可為沿海平原已建成地區(qū)排水防澇提供參考。