張萬輝,安關(guān)峰,李 波
(1.廣州市市政集團有限公司,廣州 510060;2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)
城鎮(zhèn)化是人類社會發(fā)展的重要過程,主要表現(xiàn)在城區(qū)人口迅速集中,工業(yè)化規(guī)模不斷擴大,城市面積急劇膨脹,使城區(qū)及其附近區(qū)域的自然、文化和生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)生了顯著的改變,這其中也包括對水文過程所產(chǎn)生的影響。城鎮(zhèn)化發(fā)展改變了城鎮(zhèn)局部的自然地貌,使原先相當(dāng)部分的自然流域被不透水表面所覆蓋,造成雨水匯流速度加大,從而導(dǎo)致一系列相異于天然流域的城鎮(zhèn)水文問題[1-3]。加之近年來暴雨頻發(fā),暴雨內(nèi)澇對城鎮(zhèn)的基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大的破壞,對城鎮(zhèn)居民的生命安全和財產(chǎn)構(gòu)成巨大的威脅。
面對日益嚴重的城鎮(zhèn)內(nèi)澇問題,世界各國積極開展對城市內(nèi)澇的實踐及研究。利用數(shù)學(xué)模型模擬城鎮(zhèn)雨水的產(chǎn)生和輸移規(guī)律,進而有針對性采取必要的工程措施是進行城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治的有效手段。自20世紀80年代,國外已進行了計算機模型的研究和開發(fā)。并建立了大量的統(tǒng)計模型、機理模型和規(guī)劃模型[4],其中應(yīng)用較為廣泛的是SWMM模型,其是一款動態(tài)的降雨-徑流模型,可以進行城鎮(zhèn)地區(qū)某一場次或長期的水量和水質(zhì)的模擬。該模型自開發(fā)以來,已廣泛應(yīng)用于排水系統(tǒng)的規(guī)劃、評估和管理養(yǎng)護[5,6],曾在我國北京、上海、天津、昆明、深圳、東莞等城市都有成功的應(yīng)用[7-12],為我國城鎮(zhèn)解決其面臨的嚴峻內(nèi)澇問題提供了新的技術(shù)方法。但是,目前針對村鎮(zhèn)內(nèi)澇的研究和工程實踐較少,村鎮(zhèn)的內(nèi)澇治理仍是采用內(nèi)澇點疏通的原始方法或新建管線這種傳統(tǒng)的做法,但是受村鎮(zhèn)經(jīng)濟水平和建設(shè)場地的限制,這些內(nèi)澇治理措施最終都未達到理想的效果。
本文選取廣州市正積極開展美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的移民新村作為研究對象,采用SWMM模型以實際降雨和不同強度的設(shè)計暴雨對本區(qū)域內(nèi)澇進行模擬,探尋內(nèi)澇產(chǎn)生的原因和主控因素,在此基礎(chǔ)上提出有效的內(nèi)澇控制對策,以期為我國華南地區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)澇控制提供新的思路。
選取廣州市一移民村進行模擬分析,總面積1.86 hm2,地勢西高東低,地面情況相對較為簡單,主要有房屋、道路和空地,如圖1所示。其中不透水面積1.77 hm2,占總面積的95%,透水部分占總面積的5%。區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)主要沿道路設(shè)置,沿村內(nèi)主干道下鋪有一DN300的干管,接入村東側(cè)雨水口排入河流;村北側(cè)東西向路下鋪有一條DN300干管,至南北主干道雨水口排入河流;村內(nèi)采用0.1 m×0.1 m混凝土排水明渠或DN300的混凝土雨水管經(jīng)東西走向街道接入南北主干道的雨水口,然后排入河流。
圖1 研究區(qū)域位置及土地利用圖Fig.1 Location and land using map of study area
子匯水區(qū)的劃分方法為:將導(dǎo)入到GIS的CAD圖換算成矢量數(shù)據(jù),添加相關(guān)屬性后,利用3D分析生成TIN表面,然后再轉(zhuǎn)換成DEM數(shù)據(jù);采用流向分析工具從DEM圖層獲取流向分析結(jié)果;然后利用水文分析中的Basins工具提取自然匯水區(qū),并借助Thiessen多邊形工具對獲得的自然匯水區(qū)進行二次劃分,使每一個出水口對應(yīng)一個匯水區(qū);最后通過GIS分析提取相關(guān)數(shù)據(jù),并經(jīng)修正后輸入到SWMM模型中。
通過上述方法將研究區(qū)域劃分為12個子匯水區(qū)(面積變化范圍0.1~0.94 hm2),各子匯水區(qū)的地表徑流直接排入到最近的排水設(shè)施檢查井節(jié)點,每個子匯水區(qū)對應(yīng)一種土地利用類型。根據(jù)上述GIS的劃分結(jié)果以及該流域排水管網(wǎng)資料,遵循管徑、管材、坡度基本保持不變的原則,將研究區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)概化為24條管道(渠)、28個節(jié)點和4個出水口(河流入口),建模區(qū)概化結(jié)果見圖2。
圖2 建模區(qū)概化結(jié)果Fig.2 Generalized map of study area
每個排水小區(qū)分為透水區(qū)域和不透水區(qū)域,根據(jù)實地勘察和以往研究,其地表徑流的曼寧系數(shù)分別定為0.012和0.24[13],填洼量分別定為5 mm和2 mm;選擇Horton法計算入滲,土質(zhì)為壤土,取最大入滲率f0=103.81 mm/h,最小入滲率f∞=11.44 mm/h,衰減系數(shù)a=8.45h-1。模擬過程采用動力波法進行流量計算。
SWMM模型中,地表徑流采用Green-Ampt、SCS和Horton 3種模式,其中Green-Ampt模式對土壤的要求較高,SCS模式適用于大流域,Horton模式所需資料較少[14],因此本研究采用Horton模式。
SWMM模型中所需參數(shù)包括水文模型參數(shù)和水力模型參數(shù)。水文模型參數(shù)直接測量或根據(jù)實測資料推求;水力模型參數(shù)主要為排水管網(wǎng)特性數(shù)據(jù),通過查詢本移民新村排水管網(wǎng)資料獲取。
按照上述原則確定參數(shù)的取值,模型模擬計算采用Dynamic Wave,計算時間步長為30 s。SWMM模型中的主要參數(shù)見表1。
表1 SWMM模型基準(zhǔn)參數(shù)值Tab.1 Parameter values of the SWMM model
廣州地區(qū)市政雨水管渠的設(shè)計中,通常采用降雨強度最大降雨量作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),這種降雨的特點為降雨強度大,歷時短,降雨面積小[15],該方法設(shè)計簡單,目前在設(shè)計單位普遍采用。但是,根據(jù)暴雨強度公式計算出的降雨強度隨著降雨時間的增加而逐漸減小,即降雨強度的最大值發(fā)生在降雨初始時刻,而根據(jù)降雨實測資料的統(tǒng)計,降雨強度的峰值一般發(fā)生了降雨歷時的0.3~0.5倍時刻[16],則利用暴雨強度公式計算出的降雨強度隨時間的變化過程與實際降雨不相符合。因此,為使設(shè)計降雨量最大限度地與時間降水相一致,需要利用合適的雨型對暴雨公式進行時程分配。
芝加哥雨型模擬結(jié)果與降雨實際較為接近,能滿足精度要求,且參數(shù)較少,因此本文基于廣州暴雨強度公式和雨峰系數(shù)的非恒定降雨情景合成方法,采用芝加哥降雨過程線模型合成本地區(qū)降雨情景。采用的廣州市暴雨強度公式和芝加哥降雨強度公式如下。
降雨強度公式:
(1)
芝加哥降雨強度過程公式:
(2)
(3)
式中:i為降雨強度;H為降雨量;T為降雨總歷時;r為雨峰系數(shù);b、c為常數(shù);t為降雨時間。
為模擬本地區(qū)在不同降雨情景下的內(nèi)澇狀態(tài),根據(jù)公式(1)~(3)設(shè)計典型的暴雨重現(xiàn)期分別為1、3、5、10和50 a,歷時2 h的5種不同的典型降雨過程線見圖3。
圖3 不同暴雨重現(xiàn)期降雨強度分布Fig.3 The rain distribution under different rainfall intensity
按照我國氣象局規(guī)定:24 h內(nèi)降雨量稱之為日降雨量,日降雨量≤10 mm為小雨,10~24.9 mm為中雨,25~49.9 mm為大雨,50~99.9 mm為暴雨,100~250 mm為大暴雨,超過250 mm為特大暴雨[17]。本設(shè)計暴雨中重現(xiàn)期為1、3和5 a屬于暴雨,重現(xiàn)期為10、20和50 a屬于大暴雨。
3.1.1污水入流
研究對象為雨污合流制管道,其流量包括污水入流量和雨水入流量兩部分。根據(jù)《廣州市城市污水治理總體規(guī)劃修編》,該移民村范圍內(nèi)人均綜合生活用水量取350 L/(人·d),根據(jù)當(dāng)?shù)卮逦瘯峁┵Y料,該移民村常住人口數(shù)為1 923人,則本范圍內(nèi)的居民總污水量為:(350×1 923)/86 400=7.79 L/s。生活污水量的總變化系數(shù)根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB50014-2006中的規(guī)定選用2.3,則本范圍內(nèi)污水總量為7.79 L/s×2.3=17.92 L/s。
選擇S1、S6、S9和S10這4個典型的子匯水區(qū)進行排水管道流量監(jiān)測,推算該移民村相應(yīng)的污水變化系數(shù)模式曲線。結(jié)果顯示,居民區(qū)的污水排放峰值出現(xiàn)在9∶00和18∶00左右。
3.1.2流量模擬
選用2013年7月廣州市的一場典型暴雨過程作為降雨條件,模擬在本降雨情況下該移民村的內(nèi)澇與實際狀況的差別。本次平均降雨量為65 mm,降雨歷時120 min(12∶00-13∶50),瞬時最大降雨強度為120 mm/h。選取S1(典型居民區(qū))子匯水區(qū)的流量進行模擬,并與實際監(jiān)測值進行對比,如圖4所示。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)對模擬結(jié)果進行評價,本次降雨S1的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.75,表明SWMM模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬本地雨水徑流情況。
從圖4可以看出,本次降雨過程在雨核出現(xiàn)在12∶40,這部分降雨將是地表徑流的主要來源,出口的模擬流量峰值和監(jiān)測流量峰值均滯后于降雨峰值的出現(xiàn)時間。S1子匯水區(qū)流量的模擬峰值出現(xiàn)在12∶50,這主要由于地表下滲、屋頂蓄積和地表徑流滯后了洪峰落后于雨峰出現(xiàn)的時間。出水口監(jiān)測流量峰值出現(xiàn)在13∶00,滯后于模擬流量峰值,這主要是由于兩出水口為合流制管渠,在12∶00-13∶50時刻為午飯和午休時間,兩子匯水區(qū)出水口同時接納移民村生活污水和雨水,管渠中污水的匯入對雨水峰值的出現(xiàn)起滯緩左右;另,移民村內(nèi)的合流制管渠有5 a左右的建設(shè)和運行歷史,現(xiàn)管渠內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的淤積、阻塞和銹蝕等現(xiàn)象,致使監(jiān)測流量峰值的時間有所滯后。
圖4 實際降雨下S1出水口流量監(jiān)測與模擬結(jié)果對比Fig.4 Results of flow monitoring and simulation of outlet S1
由于該移民村地表硬化率較高,大部分在95%,只有S3、S6和S12在80%左右,兩區(qū)域雨水滲透量為20%和31%外,其余各子區(qū)域雨水的滲透量均小于4%,見表2。高的地表硬化率導(dǎo)致雨水主要通過地表徑流進行排放,形成較大的入水口徑流量,這對排入管道也造成巨大壓力,進而導(dǎo)致內(nèi)澇發(fā)生。
表2 不同暴雨重現(xiàn)期內(nèi)澇模擬結(jié)果對比Tab.2 Simulating results of study area under different rainfall intensity
3.1.3內(nèi)澇情況及易澇節(jié)點識別
在SWMM模型中節(jié)點發(fā)生積水之后,積水先在蓄積在節(jié)點范圍之內(nèi),節(jié)點的模擬水位就會上升,甚至到最大深度,下游管線排水緩解后,積水再排出。反映在實際的情況中,如節(jié)點積水出現(xiàn)較長時間而不能及時排出,積水就會溢流處節(jié)點,造成附近道路或低洼地水浸,從而形成城鎮(zhèn)內(nèi)澇。表3和表4分別列出了本次降雨下模擬節(jié)點和管渠的水力狀況。
表3 模擬情形下部分節(jié)點的水力狀況Tab.3 Hydraulic cases of nodes under simulation
表4 模擬情形下部分管渠的水力狀況Tab.4 Hydraulic cases of sections under simulation
通過模擬發(fā)現(xiàn),在2013年7月的本次降雨過程中,有11個檢查井節(jié)點出現(xiàn)不同程度的積水,占檢查井總數(shù)的45.8%;其中6個檢查井節(jié)點的積水時間在30 min以上,3個檢查井(J18、J19和J21)積水超過60 min,分別占降雨歷時的56%、58%和66%,因此這6個節(jié)點為移民村的易澇區(qū),J8、J19和J21為澇水重點控制區(qū)。根據(jù)實地觀測,在本次降雨過程中這6個節(jié)點處均出現(xiàn)了不同程度的積水時間,尤其是3個重點控制區(qū)出現(xiàn)了相對較長時間的積水。
本次降雨過程中,有6條管道存在滿流情況,占總管渠數(shù)的25%。管道出現(xiàn)滿管的時間較短,管段滿流時間超過60 min的只有C16和C19。發(fā)生滿流的管道其上游節(jié)點都發(fā)生不同程度的積水,以致發(fā)生內(nèi)澇,且管道長時間處于高負荷狀態(tài)下運行容易發(fā)生破損。通過分析發(fā)現(xiàn),子匯水區(qū)硬化率過高、管徑較小是移民村內(nèi)管道長時間滿管的主要原因。
隨著城鎮(zhèn)化進程的加速,一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的城鎮(zhèn)原有的農(nóng)田、溝渠逐漸被建筑物取代。在這一過程中城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的建設(shè)滯后,大部分排水管道的設(shè)計排水能力偏低。以廣州市中心城區(qū)為例,1年一遇標(biāo)準(zhǔn)的排水管網(wǎng)占總量的83%,達到2年一遇標(biāo)準(zhǔn)的僅有9%,部分地區(qū)排水管網(wǎng)的重現(xiàn)期僅為0.5 a[18]。為提高我國城鎮(zhèn)抗內(nèi)澇的風(fēng)險,國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB50014-2011明確提出城鎮(zhèn)排水管渠設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)采用1~3 a,重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴重后果的地區(qū)應(yīng)采用3~5 a。但是,隨著全球氣候的惡化,出現(xiàn)5年一遇、10年一遇甚至是50年一遇暴雨的概率逐年上升,廣州地區(qū)在一年內(nèi)甚至?xí)啻卧馐苓@些大暴雨的襲擊。因此,本研究以1、3、5、10和50 a設(shè)計暴雨來模擬本移民村遭受內(nèi)澇的情形,以探尋不同暴雨重現(xiàn)期雨量下內(nèi)澇點數(shù)量、積水程度和管網(wǎng)負荷。
表5 不同暴雨重現(xiàn)期內(nèi)澇模擬結(jié)果對比Tab.5 Simulating results under different rainfall intensity
由表5可以看出,入滲雨量占總雨量的比率較小在3.3%~5.8%,這主要是因為移民村中地表硬化率較高,各子匯水區(qū)的地表硬化率為50%~95%,以致雨水通過地表下滲量較少。在不同暴雨重現(xiàn)期下,雨水的入滲量介于4.3~4.6 mm之間,雨水的地表蓄積量介于2.8~4.1 mm之間,相差不大。暴雨量的增大雖然可以使匯水區(qū)停留時間較長,但由于地表入滲率、滲透系數(shù)和地表蓄水狀況一定的情況下,入滲量和蓄積量對降雨強度的敏感性較小,雨水的入滲量和地表蓄積量相對較為穩(wěn)定。因此,通過改變地表硬化率和地表條件可以起到消減地表徑流量和洪峰的目的。
在暴雨重現(xiàn)期為1 a的情況下,移民村積水點為10個,滿流管道6條;3 a和5 a暴雨重現(xiàn)期下,積水點14個,滿流管道7條;10 a重現(xiàn)期下,積水點15個,滿流管道8條;50 a暴雨重現(xiàn)期下,積水點17個,滿流管道8條。該移民村,由于管道規(guī)劃不合理、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低及地表因素等,管道系統(tǒng)功能不能充分發(fā)揮,內(nèi)澇情況比較嚴重??梢钥闯?,隨著暴雨量的增加,移民村的積水點和滿流管道不斷增加,1 a暴雨重現(xiàn)期到3 a和5 a暴雨重現(xiàn)期積水節(jié)點數(shù)發(fā)生突越,而從5 a重現(xiàn)期到10 a重現(xiàn)期,從10 a重現(xiàn)期到50 a雖然暴雨量有急劇增加,并未引起積水節(jié)點數(shù)和滿流管道數(shù)發(fā)生突越。因此,未來該村排水管道改造綜合考慮成本,采用3~5 a重現(xiàn)期較為合理。
經(jīng)不同暴雨重現(xiàn)期模擬和實際暴雨考察,移民村內(nèi)澇點多發(fā)生在了子匯水區(qū)入口節(jié)點和管線下游節(jié)點處。這主要是由于地表入水口數(shù)量不足,或是由于排水管道能力不足,以致積水不能及時排出,形成內(nèi)澇。
因該移民村建筑相對較為密集,且建筑物基礎(chǔ)較淺,不適合大規(guī)模進行管道開挖更換。另,移民村大部分地表都已硬化,采用增加地表滲透和蓄積的措施不現(xiàn)實。因此,該移民村的內(nèi)澇整治方案的制訂與優(yōu)化時,在暴雨重現(xiàn)期3 a的條件下,采用SWMM模型,進行管徑的設(shè)定和優(yōu)化。選擇出現(xiàn)積水點(J9-O3)最多的一條管線作為研究對象,模擬擴大下游管徑進行移民村內(nèi)澇防治。優(yōu)化方案為:將J9-O3管線中下游C15和C22管徑擴大到600 mm,將中間管段C2、C3、C15和C14管徑擴大到500 mm,管段C4管徑保持不變。由圖5可以看出,該管線優(yōu)化前有多條管段出現(xiàn)滿載,積水點有6個,經(jīng)優(yōu)化后該管線所有管段未出現(xiàn)滿載情況,積水點也全部消失。并且發(fā)現(xiàn),在5 a暴雨重現(xiàn)期下也未出現(xiàn)積水點,如圖6所示;雖然在10 a暴雨重現(xiàn)期下,該管線上節(jié)點J18出現(xiàn)積水現(xiàn)象,但其積水時間小于5 min;在50 a年重現(xiàn)期下,節(jié)點J5、J12、J17和J18出現(xiàn)積水,但最長積水時間小于10 min,并且該暴雨量下該管網(wǎng)并未出現(xiàn)滿載情況,這主要由于在大暴雨情況下,管道進水口數(shù)量不足是導(dǎo)致積水的重要原因。因此,該優(yōu)化方案不但可以用于防治3 a一遇的暴雨重現(xiàn)期,也可以抵制5~50年一遇暴雨的侵襲。
本文以廣州市暴雨強度公式為基礎(chǔ),采用芝加哥雨型將1~50 a重現(xiàn)期暴雨進行過程分布,建立了廣州市不同暴雨等級下的設(shè)計暴雨過程線,較為準(zhǔn)確地反映了該地區(qū)的降雨過程。采用SWMM模型對研究的移民村管網(wǎng)系統(tǒng)進行概化,模擬在實際降雨過程和設(shè)計暴雨下本區(qū)域的內(nèi)澇概況。通過特征入水口的流量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)模擬徑流量與監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好地吻合,其Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.75,表明SWMM模型可準(zhǔn)確地運用到本移民村的內(nèi)澇模擬。通過節(jié)點積水和管道承載力的模擬發(fā)現(xiàn)J8、J19和J21為澇水重點控制區(qū),該區(qū)域硬化率較高,下游管道管徑較小是主要的內(nèi)澇成因。通過比較3~50 a重現(xiàn)期暴雨下節(jié)點積水和管道滿載的情況,發(fā)現(xiàn)3~5 a重現(xiàn)期暴雨下積水節(jié)點數(shù)14個、管道滿載數(shù)8條,是本地區(qū)需要重點應(yīng)對的暴雨量。通過內(nèi)澇原因的分析,結(jié)合本地區(qū)地理和經(jīng)濟現(xiàn)狀,采用3 a重現(xiàn)期暴雨量制定了加大下游管段的內(nèi)澇控制方案,通過模擬優(yōu)化,下游管道采用DN600排水管,中間管道采用DN500排水管,該方案可消除所研究管線上的所有積水點。進一步模擬發(fā)現(xiàn),本方案不但能夠控制3 a重現(xiàn)期暴雨的內(nèi)澇,也可以抵御5~50 a重現(xiàn)期暴雨的侵襲。
圖6 不同暴雨重現(xiàn)期下優(yōu)化后的管網(wǎng)在徑流量最大時刻的充滿度情況Fig.6 The depth ratios of sections before and under the optimization under different rainfall intensity
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