臨江城市防洪排澇水系規(guī)劃設(shè)計(jì)分析

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）

引言

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。

1 規(guī)劃區(qū)域概況

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。

2 防洪排澇水系規(guī)劃

2.1 規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)分析

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。

2.2 水系總體布局

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

2.3 水系水文分析計(jì)算

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

2.4 年徑流總量控制分析

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。

結(jié)束語

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)。