随着我国城市化进程逐渐加快,地面硬化度提高,城市排水管网面临很大的压力。近年来多地频发雨涝灾害,给居民生活带来诸多不便。为此,住房和城乡建设部要求各城市结合当地实际情况,参照《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》要求编制城市排水(雨水)防涝规划。

　　 解决城市内涝的有效方法一种为大量更新雨水管道,另一种为选择合适地点建立雨水调蓄,并适当改造雨水管网。在建成区大量更新雨水管网可能由于道路狭窄、建筑布局等原因难以实现,且施工过程中会给居民生活带来不便,因此应优先选择建立雨水调蓄池的方案^[1]。目前专家学者对调蓄池研究越来越重视,研究发现雨水调蓄池的位置设定在城市排水系统的上、中游附近优于下游^[2,3]。我国学者主要从城市雨水利用的方面分析了雨水调蓄池容积实用算法,其中主要为降雨量估算法、降雨强度曲线计算法及统计降雨频率累计法^[4]。

　　 城市排水管网模型和软件的飞速发展为排水管网的优化设计提供了重要的辅助手段,目前国内外应用较多的相关模型主要包括SWMM、Infoworks、MOUSE等,为城市排水规划提供了重要的支持^[5,6]。笔者结合山西省河曲县排水防涝规划,应用Infoworks ICM软件建立城区排水管网模型,可以方便地模拟城市降雨过程,在尽量降低城市改造成本的基础上,结合海绵城市理论,研究了调蓄池位置的优选方法,发现利用软件辅助可为城市排水方案调蓄池的位置选定及调蓄池容量的初步设定提供有效帮助。

　　 城市综合流域排水模型的模拟是建立具有代表性城市排水管网系统和河流系统的电脑模型,利用模型测试系统对不同条件的反映,可全面了解城市降水所形成的产流、汇流过程以及排水系统相应效果的过程,也可更真实地反映排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。

　　 Infoworks ICM包含排水管网系统水力模型、河道系统水力模型和二维城市/流域洪涝淹没模型,采用分布式模型模拟降雨-径流,基于详细的子集水区空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算。主要计算单元包括:初期损失、产流计算、汇流模型。汇流模型采用SWMM径流模型,通常与Horton或者Green-Ampt透水表面体积模型连用,采用非线性水库和运动波方程计算坡面流,也称为非线性水库方法。

　　 山西省河曲县地处晋西北黄河东岸,境内地貌为黄土高原,沟壑纵横、梁峁起伏,构成全境基本地貌特征。河曲县城地势北高南低,东高中间低,县城的北、西、南邻黄河,益民路为县城最低区域。在合流制排水体系下,排水分区主要分为4个区:北部区域均沿地势由东向西排入黄河;东部区域经管道和暗渠收集排入麻黄沟;中部区域经管道收集后向南排入黄河;西部区域汇水由东向西排入黄河河道。现状排水管渠主要分布在黄河大街、益民路、向阳街、开元路、圆通街、唐坪路、站后路等主干道下。海拔高度在836~1 637 m,平均海拔1 240 m。地层总体为向西缓倾的单斜构造,区域总体构造线方向为北东向。河曲县属大陆性季风气候,年平均降水350mm,雨量主要集中在夏季。

　　 河曲县城城区下垫面主要以中低层建筑为主,低层住宅主要是城区中的城中村,多层住宅主要是企事业单位及家属楼。现状建成区外围为农田或草林地。对现状建成区的下垫面分析来看,目前现状建成区主要以新(改)建二类居住小区、未改建的三类居住小区、公建区、工业仓储区、广场、道路、草地林地和其他一些用地类型。河曲县城区现状建成区面积727.75hm²,已建排水(雨水)管道总长为54km,不考虑新增雨污分流管道中的污水管,具有排除雨水能力的排水管道总长约41km,平均每平方公里建设排水管道5 640m,排水管渠覆盖率平均不足40%。整个排水管网目前尚未完全实现雨污分流,实际运行状况是多数排水管网仍为合流制,雨污混流、污水接入雨水管网和排洪渠的现象极其常见。

　　 建立Infoworks ICM水力计算模型需要以CAD图中数据为基础,首先需要提取管网节点编号、坐标、地面标高,以及管线上下游管底高程、管径、上下游节点编号。将节点管线导入ICM,然后通过CAD将城区划分汇水分区,利用arcgis map将CAD图转化为shp文件,将汇水分区导入ICM;其次检查地面标高数据,剔除明显错误数据点,导入模型软件,建立城市地面模型。 最后根据暴雨强度公式建立降雨事件。 将地块导入模型后,按土地用途将其分类,并分别设定雨水汇流参数与径流参数,若有调蓄池、泵站,则需设定其运行参数。

　　 模拟中首先根据城市地势、地块分类以及新老城区将县城分为4大汇水分区,在4片汇水分区中分别采用泰森多边形法划分子集水区。

　　 在雨水管网设计中有诸多可用于计算地表雨水汇流量的方法:常用的有等雨量线法、算术平均法、三角形法、格点法、泰森多边形法等。查阅国内外资料发现,泰森多边形划分法比算术平均法在流域面雨量计算中的精度要高^[7],且基于软件自动划分泰森多边形可避免人为划分的不确定性,较为严谨与方便。

　　 由于研究区域面积较小,雨水汇流迅速,短历时高强度的暴雨对雨水系统的影响较大,所以选用以暴雨强度作为雨洪控制设施的评价标准^[8]。因此,选定短历时240min为设计暴雨历时。

　　 本水力模型选用芝加哥降雨过程线法推求重现期分别为1年、2年、3年、5年以及20年的设计降雨过程。根据2010~2014年间县城记录降雨数据,确定雨峰系数取0.4,观察各处溢水地表,发现暴雨强度第1小时附近达到最高,强度平均持续1个小时左右。

　　 其暴雨强度公式见式(1):

　　 式中q———暴雨强度,L/(s·hm²);

　　 t———降雨历时,a;

　　 T———设计重现期,min。

　　 本次设计根据土地用途性质依次划分为:居住用地、商业用地、绿地、广场用地、工厂用地、道路用地,剩余部分按空余用地处理。其中居住用地面积为622.4hm²;商业用地面积为196.1hm²;绿地面积为402.5hm²;广场用地面积为34.3hm²;工厂用地面积为308.9hm²;道路用地面积为352.7hm²;其他用地面积为344.99hm²。

　　 本文产汇流模型,采用固定径流系数+非线性水库的模式,本次设计参数根据地块的划分设定,见表1。

　　 由编制大纲要求,城市规划雨水管道在20年一遇暴雨强度下满足路面积水不超过15cm。图1为县城总体积水最大状态下情形,其中街区浅色表示水深满足要求,深色则表示水深已超过15cm。由模拟结果可得,Ⅰ区雨水主要为由东向西排入黄河,Ⅱ区雨水主要排入县城西南方向黄河中,Ⅲ区雨水汇流后大部分经唐坪南路排入黄河,Ⅳ区雨水主要排入县城东部麻黄沟。其中Ⅰ、Ⅳ区地表积水满足规范要求,Ⅱ、Ⅲ区域存在地表积水,排水能力不足。下面分别详细阐述 Ⅱ 与 Ⅲ 区域集水情况及解决方案。

　　 对于Ⅱ区域,根据图1中模拟结果可得A处积水已不满足要求,A处位于黄河大街,敷设有双800mm管径管道,根据模型测定A处地表积水深度已超过15cm。观察降雨历时过程水流效果,发现该处的地表积水主要由陶新街与益民路汇流而来,益民路地表水主要来自于长城大街,陶新街地表水主要来自于兆林街通过延瑞路与青年路流到黄河大街东部的地表水。

　　 对于Ⅲ区域,通过观察雨水模拟中水流方向即可发现,图中C处地表积水主要来源于开元路与光明街管道溢流所致,其中开元路敷设双管,管径均为DN600。根据模型中管道水力状态可得,开元路与光明街管线已满管,并且路面均有溢水。由于管道两边均已居住,若选择改造管线,需要将开元路长度为1 219m的管线全部重新敷设,成本很高,同时给居民生活造成诸多不便。

　　 首先根据河曲县基本资料可得,黄河绕河曲西南方向,水流由西向东。对于 Ⅱ 区域,根据图1 可得,A集水不满足点距离河道远,且A处下游翠峰路、南环街均已满管。若采用加大管径的措施,由于距离较远,会导致造价较高。考虑调蓄池可以起到调峰作用,同时造价相比加大翠峰路管径来说要低,故决定对Ⅱ区域采用设置调蓄池方式解决内涝。根据ICM降雨过程分析,发现B处为水量汇集处,存在空地,且地表积水经过过B处后则会沿益民路与陶新街方向重新分散,根据图1积水颜色可得B处地表水积水深度低于A处深度,所以B处水量少于A处,同时由于A、B均处于老城区,用地紧张,所以若在B处设立调蓄池,既可满足调蓄池容积占地面积可低于A处,同时可以缓解A处下游陶新街管道的排水压力,所以定于B处设置调蓄池。

　　 对于Ⅲ区域,根据河曲县资料及图1 可得,C处集水经唐坪南路排入黄河,不满足的集水点离河道并不远,且下游影响面积也很小。考虑经济、效果等因素,建议此处设立抽水泵站,加大下游管径,即可达到规范要求。

　　 (1)根据河曲县城雨水管道和地面实际情况构建的基于Infoworks ICM的模型能够较准确地反映实际降雨过程,模拟结果可评估整个县城的排水能力强弱和形成内涝的位置,并可分析得出现状管网所存在不足之处。

　　 (2)利用Infoworks ICM模型可分析不同重现期下城市路面的水流过程,可以优选调蓄池位置以及预估调蓄池容量。

　　 (3)因地制宜建立排水调蓄池可有效实现控污、防灾、雨水资源化和城市生态修复等综合目标,有利于在城市化进程中减少改造成本,促进环境、生态、社会的和谐发展。