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      基于Infoworks ICM的全流域排水模型構(gòu)建及分析—以青島市黃島區(qū)小辛河-長安河流域?yàn)槔?/h1>
      2019-08-15 01:25:48孫建海
      城鄉(xiāng)建設(shè) 2019年15期
      關(guān)鍵詞:黃島區(qū)長安管網(wǎng)

      ■ 孫建海 王 琳

      一、區(qū)域背景及管網(wǎng)現(xiàn)狀

      小辛河-長安河流域位于青島市西海岸新區(qū),西起海西中路,東到小辛河、大盧河與小辛河、豆金河之間的分水嶺,北起沈海高速,南到風(fēng)河,面積26.8平方公里。流域總體高程5~50米之間,地形北高南低,北部為低矮丘陵,南部地勢(shì)平坦。小辛河、長安河是該區(qū)域主要排洪河道。長安河干流長2.4公里,坡降0.34%,小辛河全長6.4公里,小辛河西支流全長4.1公里現(xiàn)狀長安河、小辛河支流及小辛河上游河道在旱季基本干枯,小辛河下游河道在旱季水深約為1米左右。

      圖1 小辛河-長安河流域區(qū)位圖

      小辛河-長安河流域作為黃島區(qū)的中心城區(qū),已建成以合流制為主、分流制為輔的排水管網(wǎng),管網(wǎng)總長130.5公里。根據(jù)收集的有關(guān)部門管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,小辛河-長安河流域現(xiàn)狀雨水管線管徑管長分布如下:

      現(xiàn)狀排水系統(tǒng)存在的問題:

      1.部分管道建設(shè)年代較久遠(yuǎn),已經(jīng)達(dá)到使用年限;部分管線在穿越河道處污水管道破損,大量污水直接流入下游的河道,造成污染;部分管段淤積堵塞嚴(yán)重, 排水管渠缺乏有效養(yǎng)護(hù),造成排水出路不暢而形成積水。

      2.由于城中村問題非常嚴(yán)重,管線改造和鋪設(shè)的難度加大,有許多地區(qū)目前還沒有雨水管線,致使雨水散排,在道路低洼處形成積水。

      3.黃島區(qū)現(xiàn)有地塊開發(fā)時(shí)缺少相應(yīng)的防澇設(shè)計(jì),無法在源頭實(shí)現(xiàn)雨水量削減。豎向規(guī)劃與排水規(guī)劃不能有效銜接,造成地塊開發(fā)時(shí)出現(xiàn)局部低點(diǎn),或者局部低洼點(diǎn),盆地排水不暢,形成積水點(diǎn)。

      4.黃島區(qū)大部分河道直排入海,區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海,因此,發(fā)生天文大潮時(shí),河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托。潮水頂托時(shí),河道內(nèi)洪水無法及時(shí)排走。

      圖2 小辛河-長安河流域匯水范圍

      二、排水模型建立與分析

      本研究的目標(biāo)為對(duì)黃島小辛河-長安河流域現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)狀水力評(píng)估,輔助規(guī)劃改造方案的制定。

      (一)建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

      綜合數(shù)據(jù)收集、調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,小辛河-長安河流域排水模型數(shù)據(jù)包括以下材料:

      1.現(xiàn)有排水系統(tǒng)資料:包含了小辛河-長安河流域排水系統(tǒng)的管道和檢查井信息;

      2.道路規(guī)劃資料:包括道路規(guī)劃和排水規(guī)劃;

      3.下墊面資料:包括了用地屬性數(shù)據(jù),匯水區(qū)數(shù)據(jù);

      4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料: 包括現(xiàn)狀管線淤塞情況、河流水位等;

      5.地面模型資料:包括現(xiàn)狀地面模型和規(guī)劃地面模型;

      6.降雨資料:黃島區(qū)最新暴雨強(qiáng)度公式;

      7.潮位數(shù)據(jù);

      8.電子地形圖等。

      (二)一維模型的建立

      1.數(shù)據(jù)導(dǎo)入及處理

      將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充,并修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù),建立管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),劃分匯水分區(qū),構(gòu)建小辛河-長安河流域排水模型。區(qū)域面積約30平方公里,北至沈海高速,南到風(fēng)河北路,東到海西路,西至高城路。匯水范圍詳見圖2。

      2.水量模擬

      以芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)雨型,根據(jù)最新黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度,得到不同的暴雨重現(xiàn)期下2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線。

      黃島區(qū)暴雨強(qiáng)度公式如下:

      式中:q-降雨強(qiáng)度(L/S·Ha)

      t-降雨歷時(shí)(min)

      P-重現(xiàn)期(年)

      計(jì)算得出1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇情況下的2小時(shí)時(shí)長的降雨過程線,如圖3所示。

      (三)二維模型的建立

      1地面高程模型的建立

      本次地面高程模型的原始數(shù)據(jù)主要來自于CAD測(cè)繪數(shù)據(jù)中的高程點(diǎn),并結(jié)合實(shí)際測(cè)量對(duì)誤差點(diǎn)進(jìn)行修正。

      2.全流域2D模擬

      圖3 不同暴雨重現(xiàn)期下降雨過程線

      通過現(xiàn)場(chǎng)勘查,結(jié)合電子地形圖,將包括路邊石,擋墻和河道等在內(nèi)的2D 輔助模擬對(duì)象添加至模型中,得到全流域的2D模擬模型,如圖4。

      3.河道潮位模擬

      流域內(nèi)小辛河及長安河均經(jīng)風(fēng)河入海,區(qū)內(nèi)部分雨水管網(wǎng)也直排入海,因此,發(fā)生天文大潮時(shí),河道及部分管網(wǎng)容易受到潮水頂托,加劇內(nèi)澇。本次評(píng)估將潮位數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)系統(tǒng)末端邊界水力條件來模擬,進(jìn)行內(nèi)澇分析時(shí),考慮潮位對(duì)內(nèi)澇的影響。

      (四)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)評(píng)估

      以現(xiàn)狀排水管線的尺寸、坡度為原始數(shù)據(jù),結(jié)合匯水面積,對(duì)小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估。引入重現(xiàn)期分別為1、2、3、5年120 分鐘的設(shè)計(jì)降雨,分別計(jì)算不同重現(xiàn)期下各管網(wǎng)的管道充滿度,以此得到管道的管道充滿或超負(fù)荷評(píng)價(jià)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,將流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管道分為排水能力小于1年一遇、1到2年一遇、2到3年一遇、3到5年一遇、大于5年一遇五類,其各類占比見下表2,在流域內(nèi)的分布情況見下圖5。

      圖4 全流域的2D 模擬模型

      表2 流域內(nèi)不同排水能力管道占比

      圖5 不同排水能力管道在流域內(nèi)分布圖

      由表2得知,小辛河-長安河流域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)中,約 50%的管道不滿足1年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,大約70%的管道不滿足2年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,整體排水能力差。

      由圖5可以看出,不滿足1年一遇重現(xiàn)期的管道大部分位于西側(cè)老城區(qū)及城中村內(nèi),這些區(qū)域建設(shè)較早,排水管線配套不完善,管徑較小,且區(qū)域內(nèi)硬化的土地占比較大,地勢(shì)較為起伏,影響了雨水的行泄。

      (五)現(xiàn)狀管網(wǎng)內(nèi)澇積水評(píng)估

      1.內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)

      黃島區(qū)城市建設(shè)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、區(qū)域公共設(shè)施用地和特殊用地發(fā)生以下情況時(shí),即可認(rèn)為發(fā)生內(nèi)澇:

      (1)發(fā)生50年一遇的降雨時(shí),在降雨停止30min后道路中一條車行道的積水深度超過15cm,積水面積超過150m2;

      (2)發(fā)生50年一遇的降雨時(shí),在降雨停止30min后道路中心積水,且積水面積超過150m2;

      (3)發(fā)生50年一遇的降雨時(shí),在降雨過程中或者降雨停止后居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層進(jìn)水。

      圖6 長歷時(shí)雨型分配

      圖7 50年一遇長歷時(shí)降雨過程線

      2.內(nèi)澇分析

      由于黃島目前還沒有長歷時(shí)的市政雨型,50年一遇的降雨采用水利行業(yè)的長歷時(shí)雨型,總降雨245mm,歷時(shí)18小時(shí),最大雨強(qiáng)196mm/h。雨型分配及降雨過程線見圖6、圖7所示。

      根據(jù)模擬50年一遇長歷時(shí)暴雨數(shù)據(jù)和模型分析,在長歷時(shí)暴雨18小時(shí)的情況下(降雨量達(dá)到245mm),超過20%的街道積水超過20cm。大約 60%的檢查井滿管。

      50年一遇長歷時(shí)暴雨下小辛河-長安河流域內(nèi)內(nèi)澇積水情況模擬見圖8。

      圖8 現(xiàn)狀50年一遇長歷時(shí)降雨內(nèi)澇情況

      圖9 規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況

      三、管網(wǎng)規(guī)劃方案及評(píng)估

      (一)管網(wǎng)規(guī)劃方案

      針對(duì)現(xiàn)狀小辛河-長安河流域現(xiàn)狀管網(wǎng)存在的問題,根據(jù)青島西海岸新區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃,對(duì)流域內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì),以解決流域內(nèi)存在的內(nèi)澇問題。

      將流域分為16個(gè)匯水分區(qū),結(jié)合各區(qū)域的實(shí)際特點(diǎn)及管網(wǎng)現(xiàn)狀,結(jié)合地形地貌進(jìn)行針對(duì)性地管網(wǎng)改造。最終排水采用雨污分流制,新建137km 的雨水管網(wǎng),將雨水就近排入小辛河、長安河,最后匯入風(fēng)河入海。

      (二)規(guī)劃管網(wǎng)排水能力評(píng)估

      根據(jù)規(guī)劃的雨水管網(wǎng),建立水力模擬模型。采用1、2、3、5年一遇降雨的芝加哥雨型線,對(duì)規(guī)劃管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估。通過模擬發(fā)現(xiàn),規(guī)劃排水管網(wǎng)僅有8.8%管道不滿足3年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,大約46%的管道能滿足5年一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃改造后不同排水能力管道在流域內(nèi)分布情況見圖9,規(guī)劃改造前、改造后不同排水能力管道占比對(duì)比見下表3。

      表3 規(guī)劃改造前后不同排水能力管道占比對(duì)比

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