基于PCSWMM模型的山體水安全治理研究

李洋洋 張崴棟 鄒福建 黃 偉 蘇 永 魏海峰

（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 2.徐州市銅山區(qū)房村水利站 徐州 221100）

1 引言

2012年4月，《2012 低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》首次提到了“海綿城市”這一概念。2013年12月，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》的講話中所強(qiáng)調(diào)：“要讓城市融入大自然，不要花大氣力去劈山填海，很多山城、水城很有特色，完全可以依托現(xiàn)有山水脈絡(luò)等獨(dú)特風(fēng)光，讓居民望得見山、看得見水、記得住鄉(xiāng)愁；解決城市缺水問題，必須順應(yīng)自然。”為了貫徹和落實(shí)總書記講話和會議精神，2013年徐州市全面開展海綿城市建設(shè)工作。2016年7月，江蘇省第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市新增加一座城市——徐州市。

2 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于徐州市主城區(qū)西部。項(xiàng)目區(qū)建設(shè)重要的內(nèi)容為截水溝工程，更是該區(qū)域澇防治的重要措施。截水溝工程范圍內(nèi)遍布多條道路，人口聚集，山體面積較大，項(xiàng)目區(qū)地面高程起伏較大，是淹、澇的重災(zāi)區(qū)，并且由于徐州市發(fā)展建設(shè)、地塊開發(fā)，區(qū)內(nèi)多條排澇溝渠被填埋，使項(xiàng)目區(qū)的防洪排澇任務(wù)加重。為消除項(xiàng)目區(qū)山體的排澇問題，保護(hù)周邊居民的人身財(cái)產(chǎn)安全、提高城市品位以及促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

3 模型介紹

為進(jìn)一步復(fù)核、初擬截水溝斷面數(shù)據(jù)是否可以滿足海綿城市對水安全的要求，本次采用PCSWMM軟件，二維模擬淹水程度來對其進(jìn)行分析。

該軟件是加拿大水利局根據(jù)EPA SWMM 軟件，集成了其各種功能之后進(jìn)行再的一款用于商也用途的軟件，使其模擬過程更加方便、更加明了。

其被應(yīng)用于綠色工程設(shè)施設(shè)計(jì)、2D 建模、整體模型、水質(zhì)分析、防洪排澇系統(tǒng)計(jì)算、實(shí)時控制管理和洪水風(fēng)險(xiǎn)分析等方面。該軟件擁有模塊有水文模擬、水動力模擬，能夠模擬降雨地表產(chǎn)流、地表匯流，支持1D、2D 模型的耦合，可模擬降雨產(chǎn)生的水流及水流中雜物移動的過程，對其進(jìn)行動態(tài)模擬，也可對因暴雨產(chǎn)生的水流有關(guān)的水量及水質(zhì)問題進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 方案設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

4.1 水文分析

4.1.1 降雨數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)際情況，選用SWMM 模型建立研究截水溝集水范圍內(nèi)暴雨產(chǎn)匯流模型，并根據(jù)模型結(jié)果進(jìn)行截水溝工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。由《江蘇省暴雨參數(shù)圖集》（2005年），查算徐州市24h 歷時5年一遇、10年一遇、20年一遇以及30年一遇的點(diǎn)雨量，經(jīng)點(diǎn)面轉(zhuǎn)換得到不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降雨量。

采用江蘇省暴雨等值線圖法對各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨進(jìn)行時程分配，將其作為產(chǎn)匯流模型的輸入降雨。軟件計(jì)算采用30年一遇24h 的設(shè)計(jì)降水過程，見圖1。

4.1.2 模型構(gòu)建及分析

SWMM 模型參數(shù)分為兩部分，產(chǎn)流過程參數(shù)、匯流過程參數(shù)。根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式及降雨雨型，結(jié)合海綿示范區(qū)規(guī)劃地形以及受納水體30年一遇設(shè)計(jì)洪水位，利用SWMM 研究海綿示范區(qū)截水溝設(shè)計(jì)集水范圍內(nèi)的產(chǎn)、匯流情況，通過模型進(jìn)一步優(yōu)化截水溝斷面設(shè)計(jì)。

圖1 徐州市30年一遇24h 的降水過程圖

圖2 現(xiàn)狀內(nèi)澇積水深度示意圖

圖3 A 線截水溝模擬結(jié)果圖

圖4 B 線截水溝模擬結(jié)果圖

圖5 C 線截水溝模擬結(jié)果圖

圖6 D 線截水溝模擬結(jié)果圖

圖7 設(shè)置截水溝后的積水區(qū)域分布圖

表1 集水范圍表

表2 現(xiàn)狀內(nèi)澇積水深度表

4.1.3 匯水分析

根據(jù)排水規(guī)劃圖紙、規(guī)劃豎向以及規(guī)劃用地屬性等參數(shù)建立SWMM 模型，依據(jù)截水溝空間范圍，劃分截水溝的服務(wù)范圍，集水范圍共計(jì)2.79km2，見表1。

4.2 現(xiàn)狀內(nèi)澇分析

現(xiàn)狀試點(diǎn)區(qū)內(nèi)在30年一遇重現(xiàn)期降雨條件下，整體內(nèi)澇較嚴(yán)重，主要原因是未開發(fā)地塊存在局部低點(diǎn)，管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)低，導(dǎo)致排水不暢；另外現(xiàn)狀王窯河排水能力不足，影響上游管網(wǎng)排水導(dǎo)致周邊地塊積水。按區(qū)域主要分5 個區(qū)域，見表2。現(xiàn)狀內(nèi)澇積水深度見圖2。

4.3 工程布置

結(jié)合周圍地塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3～5年的規(guī)劃管網(wǎng)布置，本文在試點(diǎn)區(qū)內(nèi)山腳下設(shè)置截水溝，以便于將山體澇水轉(zhuǎn)輸至附近海綿濕地中。

4.3.1 截水溝平面布置

海綿城市截水溝工程主要包括：泉潤大道東段截水溝（D1～D6 段0.703km）、泉潤大道中段截水溝（B2～B3 段0.912km）、車輛段南側(cè)東段截水溝（B1～B2段0.776km）、車輛段南側(cè)西段截水溝（A1～A2 段0.664km）、車輛段西側(cè)截水溝（A2～A3 段0.407km）、支路10 截水溝（C1～C3 段1.582km）和入泉潤公園箱涵（A3～A4 段0.888km）。

4.3.2 模擬結(jié)果

利用PCSWMM 軟件計(jì)算復(fù)核截水溝斷面尺寸。經(jīng)過PCSWMM 模型模擬，截水溝30年一遇降雨情況下設(shè)計(jì)水面線均低于地面高程。相應(yīng)各段截水溝水力計(jì)算結(jié)果詳見圖3～圖6。

4.3.3 積水深度

通過PCSWMM 建模模擬計(jì)算，截水溝實(shí)施后，在規(guī)劃管網(wǎng)建設(shè)完備后，截水溝匯水區(qū)范圍內(nèi)的內(nèi)澇情況有顯著改善，見圖7。其中，區(qū)域1 積水減少，積水在16～34cm；區(qū)域2 徐蕭公路除澇效果良好；區(qū)域3 無截水溝，積水與規(guī)劃管網(wǎng)條件下的情況基本一致；區(qū)域4 產(chǎn)生的效果明顯，積水基本在18～38cm

5 結(jié)語

通過PCSWMM 建模軟件計(jì)算了徐州市海綿城市試點(diǎn)區(qū)內(nèi)山體周邊現(xiàn)狀內(nèi)澇情況，并結(jié)合截水溝工程布置，利用PCSWMM 軟件將項(xiàng)目區(qū)內(nèi)澇情況控制在城市建設(shè)要求范圍內(nèi)■