河道水位优化在高密度建成区海绵城市建设中的应用
0前言
“小雨不积水、大雨不内涝”是我国海绵城市建设的要求,对于高密度建成区而言,仅通过雨水管道的翻建来实现雨水系统的提标既不现实也不经济。如何针对问题和短板,通过现有系统的优化来最大程度地提高区域排水防涝能力,结合多种措施,尽量避免大规模翻建,是我国高密度建成区海绵城市建设中迫切需要解决的问题[1,2]。
河网地区一般建成区密度高、地势平坦,河网密布,水流缓慢[3]。河网地区往往根据河网的分布及地面高程,利用水利设施将区域分成不同的排涝分区,并确定独立的控制水位,以保障区域的排涝安全。圩区的排水模式为雨水由排水管网自排入圩区内河,并通过区域的排涝泵站排至外河[4]。然而,河网地区所特有的水位控制模式以及地形特征使得城市雨水管网实际排水条件与设计工况不一致,部分雨水管网内长期有水,既减少了管道容量,增加了区域内涝风险,同时影响管道冲刷速率,加速管道淤积[5]。
鉴于此,本文以南通地区的部分建成区为例,探讨通过对内河水位的优化来最大程度地提高区域排水防涝能力的可行性,以期为类似区域的海绵城市建设提供参考。
1 计算方法与边界条件
1.1 计算模型
本研究采用国内外使用较为广泛的Wallingford软件公司开发的城市综合流域排水模型(Integrated Catchment Management,Infoworks ICM)来进行模拟[6]。
1.2 研究区域
南通市地处江苏省东南部,东濒黄海,南临长江,境内长江地处长江口感潮河段,易受潮汐作用影响。根据地面高程,南通主城区分成高水系、中水系和低水系,不同水系之间利用涵闸控制河道水位。本研究区域建成区A和建成区B分别位于高水系区域和低水系区域(见图1),雨水由排水管自排入河道,管道排水能力受河道水位影响。
建成区A模型中雨水系统(见图2a)保留了166个排放口,主要道路管网总长度约为56.2km,最大管径为d1 400(其中d200~500的管道长约为21km;d600~1 000的管道长约为33.4km;d1 200~1 400的管道长约为1.8km)。建成区B模型中雨水系统(见图2b)保留了126个排放口,主要道路管网总长度约为43.5km,最大管径为d2 000(其中d200~550的管道长约为31.3km;d600~1 000的管道长约为12.1km;d2 000的管道长为0.1km)。
图1 研究区域位置
图2 建成区A、B模型范围内雨水管网
1.3 边界条件及参数设置
气候参数包括雨量单元的降雨过程和温度、蒸发量等。降雨过程分成实际降雨数据和模拟降雨数据,温度及蒸发量数据缺省。
实际降雨数据来源于自动监测降雨资料。南通市综合暴雨强度公式选用南通市营船港闸1981~2011年连续31年数据,采用年最大值法选样编制,见式(1),式中各参数意义略。
由于研究区域尚无雨型资料,因此模型中的模式雨型选择较常用的芝加哥雨型,雨峰系数r=0.4,降雨历时取3h,暴雨重现期分别选择1年、2年、3年、5年(见图3)。
图3 研究区域芝加哥雨型曲线
实际河道水位数据来源于南通市水位监测资料。此外,根据《南通市城市防洪规划》,高水系区域河道的正常水位控制为2.2m,警戒水位为2.6m;低水系区域河道的正常水位控制为1.2 m,警戒水位控制为1.6m。
每个模拟区的径流系数由人工根据现状和规划地表状况按照《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)的规定确定。管网系统中每个节点(检查井)的汇水范围通过泰森多边形法自动确定,之后根据实际情况加以人工修正。
2 结果与讨论
根据实际监测数据对模型进行率定和验证,并使用通过验证后的模型模拟不同河道水位下雨水管的排水能力,分析河道水位对排水管渠排水能力的影响。
2.1 模型的率定与验证
利用2014年8月7~8日降雨数据、河道水位边界等对已建模型进行反复率定,主要积水区域基本吻合,率定结果表明已建模型满足精度要求(见图4)。
利用2014年8月4日降雨对率定好的管网模型进行验证,计算结果与实际相符,满足验证要求。模型可用于现状和改造方案的分析和评估。
2.2 现状排水能力评估
基于已建模型,对研究区域现状雨水管网设施进行评估,综合分析区域内雨水排水系统实际排水能力。依据《室外排水设计规范》中规定,雨水管按满管流设计。因而管网排水能力评估将依据管段是否发生压力流来分析。
图4 建成区A、B模拟率定结果
2.2.1 高水系区域
建成区A(高水系区域)现状管网总长度约56.2km,排水能力小于1年一遇的管网长度为5.5km,占总管长的9.8%;排水能力1~2年一遇的管网长度为13.8km,占总管长的24.5%;排水能力2~3年一遇的管网长度为25.7km,占总管长的45.8%;排水能力3~5年一遇的管网长度为7.5km,占总管长的13.4%;排水能力大于5年一遇的管网长度为3.6km,占总管长的6.5%(见图5)。
2.2.2 低水系区域
建成区B为低水系现状管网总长度约43.5km,排水能力小于1年一遇的管网长度为6.6km,占总管长的15.1%;排水能力1~2年一遇的管网长度为10.8km,占总管长的24.8%;排水能力2~3年一遇的管网长度为17.6km,占总管长的40.5%;排水能力3~5年一遇的管网长度为5.3km,占总管长的12.3%;排水能力大于5年一遇的管网长度为3.2km,占总管长的7.3%(见图6)。
图5 建成区A现状管网排水能力评估情况(河道常水位2.2m)
图6 建成区B现状管网排水能力评估情况(河道常水位1.2m)
2.3 高低水系河道水位优化控制
2.3.1 高水系区域
建成区A(高水系区域)常水位为2.2m,模拟水位预降0.2m并保持在2.0m时的排水能力情况,模拟结果见表1。对比常水位,水位预降0.2m后排水能力小于1年一遇的管网比例从9.8%减少至5.8%,降低了4%;同时排水能力大于5年一遇的管网比例从6.5%上升至14.7%,提高了8.2%。
表1 建成区A现状雨水管网排水能力
若对河道水位再预降0.3 m(此时河道水位保持在1.7m),结果见表1。排水能力小于1年一遇的管网比例为2.8%,比2.0 m水位的情况降低了3%;同时排水能力大于5年一遇的管网比例从14.7%上升至25.9%,提高了11.2%。建成区A水位较高,若能在降雨时再预降水位,能显著提高管网排水能力。
2.3.2 低水系区域
建成区B为低水系,常水位为1.2m,模拟水位预降0.4m并保持在0.8m时的排水能力情况,结果见表2。对比常水位,水位预降0.4m后排水能力小于1年一遇的管网比例从15.1%减少至12.9%,降低了2.2%;同时排水能力大于5年一遇的管网比例从7.3%上升至7.6%,仅提高了0.3%。
表2 建成区B现状雨水管网排水能力
若对河道水位再预降0.3 m(此时河道水位保持在0.5m),结果见表2。排水能力小于1年一遇的管网比例为11.5%,比0.8m水位的情况降低了1.4%;同时排水能力大于5年一遇的管网比例从7.6%上升至9.4%,提高了1.8%。
2.4 结果分析
由上述模拟结果可知,河道水位下降对城市高水系和低水系区域排水管渠的排水能力有不同程度的影响,建成区A(高水系区域)河道水位下降对排水管渠的排水能力直接影响较大,而建成区B(低水系区域)受影响较小。分析建成区B检查井的地面高程与片区水位(见图7),检查井最低地面高程为2.968 m,最高地面高程为7.272 m,平均高程3.863m。该区河流较多,排水距离大多200~800m,按0.2%~0.3%的坡度计算,自排坡降高程差约为1.25 m,最小有效自排水位=最低地面高程-自排坡降高程差=1.718 m,比常水位1.2m高,因此水位预降对该片排水管渠排水能力的影响有限。
图7 建成区B检查井的地面高程与片区水位关系
根据2014年版《室外排水设计规范》的规定,南通属于大城市,中心城区雨水管渠设计重现期应为2~5年一遇[7]。高密度建成区由于管位紧张、改造难度大等原因,管渠翻建标准取低标准,即经评估排水能力低于2年一遇的排水管渠应逐步翻建。
根据评估结果,高水系区域在河道保持常水位时34.4%雨水管渠需翻建,河道水位下降0.2m时翻建比例为20.3%,河道水位再下降0.3 m时翻建比例为13.3%;低水系区域在河道保持常水位时39.9%雨水管渠需翻建,河道水位下降0.4m时翻建比例为37.3%,河道水位再下降0.3 m时翻建比例为34.5%。河道水位下降时,高水系区域排水管渠需翻建的比例下降程度较低水系区域大,即不同区域河道水位优化时应同时考虑对排水管渠排水能力的影响,提出最优的河道水位控制方案。
3 结论
本文以南通市高水系和低水系地区典型区域为例,基于Infoworks ICM模型,分别模拟不同水位下不同设计暴雨重现期时系统的排水能力,并分析河道水位优化对管网排水能力的影响,得到以下结论和建议:
(1)对于南通低水系区域,河道水位预降对管道排水能力的影响有限;而对于高水系区域,河道水位对管道排水能力的影响较大。高水系区域排水管渠需翻建的比例下降程度较低水系区域大,河道水位优化应综合考虑城市排水管渠的排水能力。
(2)对其他自排系统的高密度建成区,河道水位对管网排水能力有一定影响。而对于内河水位可受闸泵优化控制的河网地区,河道水位变化与排涝泵站的设计规模直接相关,泵站排涝能力越强,河道水位的下降越快[8]。对这些地区来说,可通过对现有河道水位进行优化,最大程度地提高区域排水防涝能力。