李 熙
(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川 成都)
隨著“生態(tài)水利”的提出,我國在水利建設(shè)工程中愈發(fā)重視城市水系規(guī)劃利用,合理的水系規(guī)劃利用不僅可以改善城市水生態(tài)[1],而且在城市的防洪排澇方面具有重要作用。21 世紀(jì)以來,我國臨江城市是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好且城市化進(jìn)程較快的區(qū)域,但工業(yè)的高速發(fā)展促使污水與廢水排放量與日俱增,城市水域受到嚴(yán)重污染,不僅影響了城市景觀、生態(tài)等功能的正常發(fā)揮,而且威脅著城市的防洪與排澇效果。所以我國臨江城市水系規(guī)劃利用至關(guān)重要[2]。臨江城市水系規(guī)劃的對(duì)象是城市內(nèi)各類水體,主要目的在于通過對(duì)水景觀的規(guī)劃與水利設(shè)施的建設(shè),實(shí)現(xiàn)城市水生態(tài)的修復(fù)以及防洪排澇。當(dāng)下,發(fā)展生態(tài)水利建設(shè)將是世界各國實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,因此相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,如楊海燕等人[3]從整體到局部3 個(gè)層次的防洪排澇體系,并運(yùn)用SWMM 模型分析了多種降雨-洪水-潮水遭遇情況下現(xiàn)狀水系及防洪排澇規(guī)劃方案的排水能力,但是該研究的年徑流總量控制率較低。周廣宇等人[4]構(gòu)建了綜合排澇體系,分析并指出體系的建設(shè)要點(diǎn),并且通過多情景分析,指出內(nèi)河、滯澇區(qū)實(shí)際使率較高,制定了相應(yīng)解決措施,但是該方法在消減洪峰方面的效果不佳。Radim Vitek 等人[5]研究的重點(diǎn)是實(shí)施前兩個(gè)階段的綜合防洪措施,該項(xiàng)目旨在保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn),并總體上使受影響地區(qū)更具吸引力。但是該研究不夠詳細(xì),分析夠深入,導(dǎo)致徑流總量控制效果不佳。針對(duì)上述問題,結(jié)合臨江城市水系,所以本文分析并研究臨江城市防洪排澇水系規(guī)劃利用,期望可以為類似水系的綜合規(guī)劃提供參考與借鑒。
本文研究規(guī)劃區(qū)域位于雅安市草壩區(qū),示意如圖1 所示。
圖1 規(guī)劃區(qū)域范圍及現(xiàn)狀水系分布
經(jīng)過綜合分析,該規(guī)劃區(qū)內(nèi)水系的防洪體系仍不完善,無法滿足防洪、排澇要求,其中水系總體布局不夠完善,缺少防洪排澇設(shè)施,部分已經(jīng)達(dá)標(biāo)的防洪排澇建筑由于時(shí)間較長,存在安全隱患,需要進(jìn)一步加固和改造,并且存在一定程度的下水道系統(tǒng)老化、自然河流的改道和堵塞等問題。這些問題對(duì)城市居民的生產(chǎn)與生活存在一定威脅。因此,需要對(duì)該規(guī)劃區(qū)內(nèi)防洪排澇水系進(jìn)行重新規(guī)劃利用。
本文根據(jù)規(guī)劃區(qū)域特性,一是片區(qū)緊鄰青衣江;二是區(qū)域內(nèi)有上游山洪沖溝流經(jīng)規(guī)劃區(qū),排入青衣江;三是規(guī)劃區(qū)內(nèi)還有部分現(xiàn)狀農(nóng)田排澇水系排入青衣江?;诖嗽谠搮^(qū)域遠(yuǎn)期建成后,應(yīng)同時(shí)滿足規(guī)劃片區(qū)青衣江堤防50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)、山洪防治標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇,城市防洪工程等別為III 等;內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)20 年、片區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)10 年、雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3-5年。
在對(duì)規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀水系不進(jìn)行大的變動(dòng)的前提下,科學(xué)、合理地提出規(guī)劃區(qū)的水系總體布局方案,并且對(duì)水系進(jìn)行分類,其分類原則根據(jù)《城市總體規(guī)劃》及區(qū)內(nèi)水系特點(diǎn)及其主要功能,將片區(qū)內(nèi)水系分為兩類。
一類:該類河道是排洪的主河道,同時(shí)兼顧排澇和景觀功能。
二類:該類河道是城建區(qū)雨水排放的主通道,同時(shí)兼顧景觀功能。
規(guī)劃分類根據(jù)水系分類原則,將規(guī)劃片區(qū)五條水系進(jìn)行劃分:
一類:規(guī)劃水系二、規(guī)劃水系三、新增規(guī)劃水系四。這些是片區(qū)重要的排洪排澇通道,兼顧有景觀、生態(tài)、防洪等綜合功能水系景觀應(yīng)結(jié)合區(qū)域開發(fā)匹配建設(shè)。
二類:規(guī)劃水系一及廢舊電站尾水渠。這些水系為城區(qū)內(nèi)部核心區(qū)主要水系通道,不收集片區(qū)外側(cè)山洪,主要承擔(dān)排澇的任務(wù),還應(yīng)兼顧景觀、生態(tài)、休閑、旅游等綜合功能。結(jié)合上述水系分類,總體布局規(guī)劃區(qū)的防洪排澇水系,示意如圖2 所示。
圖2 規(guī)劃區(qū)的防洪排澇水系總體布局示意
規(guī)劃片區(qū)外和片區(qū)內(nèi)可能存在以下差異:
(1) 地形和地貌差異:規(guī)劃片區(qū)外通常涉及更大范圍的地理環(huán)境,地形和地貌可能與規(guī)劃片區(qū)內(nèi)存在明顯的差異。這可能導(dǎo)致不同的水文過程和水力特性,需要考慮不同的計(jì)算方法。
(2) 數(shù)據(jù)可用性和精度:規(guī)劃片區(qū)外的數(shù)據(jù)獲取和處理可能受到更多挑戰(zhàn)。例如,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分布稀疏,數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定性等。因此,模型的差異化使用可以基于可用數(shù)據(jù)的精確性和適用性。
針對(duì)這些差異,通過水文疊加的形式完成計(jì)算。該計(jì)算方法對(duì)于片區(qū)外和片區(qū)內(nèi)的算法,可以將其水文結(jié)果疊加,以獲得整體的水文情況。例如,可以利用片區(qū)外計(jì)算的流量、徑流等信息作為片區(qū)內(nèi)模型的入流條件,從而綜合考慮整個(gè)流域的水文過程。
本文中的規(guī)劃水系在進(jìn)入規(guī)劃區(qū)域前收集的是山洪匯水,進(jìn)入規(guī)劃區(qū)域內(nèi)收集的為片區(qū)雨水,因此在計(jì)算水量時(shí)應(yīng)根據(jù)水系所處的區(qū)域和產(chǎn)匯流方式分別計(jì)算水系設(shè)計(jì)排水水量。
a.規(guī)劃區(qū)內(nèi)水文計(jì)算
規(guī)劃區(qū)域內(nèi)水系實(shí)際上為城市雨水管網(wǎng)的主干通道,從產(chǎn)匯流方式上與城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)更為接近,可以比做為城市雨水主管,因此規(guī)劃區(qū)域內(nèi)水文計(jì)算模型參照雨水管渠,規(guī)劃區(qū)內(nèi)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式:
式中:q 表示規(guī)劃區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度;P 表示暴雨重現(xiàn)期;t 表示暴雨歷時(shí)。二根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》以片區(qū)控規(guī),設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P 并確定綜合徑流系數(shù) ψ。三根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算出規(guī)劃區(qū)內(nèi)暴雨總流量,計(jì)算公式如下所示:
式中:Q 表示規(guī)劃區(qū)域內(nèi)總降雨量;F 表示規(guī)劃區(qū)域內(nèi)集雨面積。
b.規(guī)劃區(qū)外水文計(jì)算
在進(jìn)入規(guī)劃區(qū)范圍前,部分規(guī)劃水系為山洪,因此產(chǎn)匯流方式應(yīng)按照中小流域的河道模型進(jìn)行計(jì)算,在規(guī)劃水系區(qū)域外水文計(jì)算中,規(guī)劃水系的起端為現(xiàn)狀山洪沖溝末端,因此可通過計(jì)算各山洪沖溝末端洪水便可得到規(guī)劃水系起端設(shè)計(jì)排洪流量。采用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》推薦的推理法計(jì)算公式,適用于全面產(chǎn)流條件下的全面匯流和部分匯流兩種情況,公式的形式為:
式中:α 表示洪峰流量系數(shù);S 表示暴雨雨力,即最大1 小時(shí)暴雨量;τ 表示流域匯流時(shí)間;n 表示暴雨公式指數(shù);A 表示集雨面積;i 表示最大平均暴雨強(qiáng)度。
c.計(jì)算結(jié)果
按照上述兩種計(jì)算方法,將水系流量劃分為澇水與洪水,澇水為片區(qū)內(nèi)通過城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排入水系的雨水;洪水為在規(guī)劃區(qū)域外通過山洪沖溝收集后排入水系的山洪水,通過兩部分流量的疊加耦合得到的結(jié)果如表1 所示。
表1 設(shè)計(jì)流量成果
本文在評(píng)估規(guī)劃區(qū)年徑流總量控制率時(shí),計(jì)算得到的假設(shè)降雨歷時(shí)為4 h,暴雨重現(xiàn)期分別為2 年、3年、5 年、8 年及10 年,具體信息如表2 所示。
表2 規(guī)劃區(qū)降雨數(shù)據(jù)一覽表
為驗(yàn)證文中上述內(nèi)容設(shè)計(jì)的臨江城市防洪排澇水系規(guī)劃利用方案的正確性,在上述基礎(chǔ)上,以年徑流總量控制率為評(píng)估指標(biāo),計(jì)算公式如下所示:
式中:κ 表示年徑流總量控制率;Q0表示規(guī)劃區(qū)防洪排澇體系的外部出流量。
本章將進(jìn)行規(guī)劃前后城市年徑流總量控制率的評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果來判斷設(shè)計(jì)方案下的防洪排澇規(guī)劃效果。根據(jù)我國臨江城市防洪排澇水系規(guī)劃要求可知,年徑流總量控制率需達(dá)到Ⅳ區(qū),也就是其范圍為70%~85%?;谏鲜鲇?jì)算的降雨強(qiáng)度與降雨量,結(jié)合公式(4),分別計(jì)算出規(guī)劃區(qū)在采用本文設(shè)計(jì)防洪排澇水系規(guī)劃利用方案前后的年徑流總量控制率,然后對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3 所示。
圖3 規(guī)劃區(qū)的年徑流總量控制率
從圖3 中可以看出,未對(duì)規(guī)劃區(qū)進(jìn)行防洪排澇水系規(guī)劃利用時(shí),城市的年徑流總量控制率為40%~65%,不滿足我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),而采用本文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行防洪排澇水系規(guī)劃利用后,城市的年徑流總量控制率為75%~88%,較規(guī)劃前提升了23%~35%,且達(dá)到我國臨江城市防洪排澇水系規(guī)劃要求,由此可以說明,本文設(shè)計(jì)的防洪排澇水系規(guī)劃利用方案是有效且正確的,可以降低臨江城市的雨水徑流并削減洪峰。
為了提高防洪排澇水系規(guī)劃效果,從而增加防洪排澇能力,本文主要針對(duì)臨江城市的防洪排澇水系規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析與研究,文中依托雅安市上位規(guī)劃,將理論研究應(yīng)用于實(shí)際案例中,對(duì)雅安市草壩區(qū)水系整體布局、防洪排澇體系的建設(shè)進(jìn)行探討,一是針對(duì)臨江城市的內(nèi)部水系防洪排澇問題及總體規(guī)劃布局提出了有效的策略方法;二是針對(duì)不同產(chǎn)匯流方式的內(nèi)部水系和外部水系的水分分析提供了計(jì)算模型的耦合與疊加;三是通過統(tǒng)計(jì)規(guī)劃前后的年徑流總量控制率來評(píng)估本文設(shè)計(jì)規(guī)劃方案在城區(qū)徑流控制的實(shí)際應(yīng)用效果。本次研究可以為片區(qū)水系建設(shè)及其他項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)施提供規(guī)劃依據(jù)。