近年来,我国各大城市发生了严重的雨洪灾害,对人们生活和财产造成了严重的影响。雨洪灾害的发生原因有很多,既有排水管网设施埋在地下,无法通过常规地上巡视的方法查看它的运行状态;排水区域发生了改变,造成区域地势地形及原有排水管网的变化,导致排水管网无法满足现在的排水需求;也有在设计排水管网之初,选择的重现期偏小等。应对雨洪灾害,不仅需要采取扩大透水性地面,改建或扩建管网等工程措施;还需要建立管网监测预警系统,加强排水管网运行管理,及时清除管网隐患。

　　 物联网(IOT)技术的兴起,掀起了在各个领域的应用热潮^[1] 。国内有许多专家学者进行了物联网应用于排水系统的研究,该研究可实现对城市排水系统的实时监测。赵冬泉等^[2] 建立了清华大学SmartWater在线监测预警系统,该系统可为溢流内涝风险提供及时的预警;刘旭辉等^[3] 建立了深圳市福田保税区的排水管网物联网系统,该系统可实现对排水管网的运行状况进行综合评估;祝君乔等^[4] 建立了无锡新区的排水综合管控信息系统,该系统可对污水收集和处理各环节进行实时监控。

　　 可以看出,上述研究主要集中于城市排水管网系统^[2,3,4,5] ,而针对深埋水下的隧道及其周边排水系统的研究比较少。基于此,本文利用InfoWorks ICM软件建立武汉长江隧道武昌段区域排水管网模型^[6] ,模拟研究降雨重现期为100年的降雨事件。根据模拟结果,能确定排水管网易积水的部位,并利用物联网技术,实时在线监测模拟区域关键部位的液位,建立隧道雨洪监测预警系统。

　　 武汉长江隧道武昌段止于友谊大道东侧,接线道路为楚汉路,有4个出入口,分别为C、E匝道(入口)和D、F匝道(出口),所在区域是以建筑为主的主城区,研究面积约为44.3hm²。隧道主通道和E、F匝道两侧均设有一体式盖板沟,隧道主通道入口和中部分别设有2道雨水横截沟和污水横截沟,C、D匝道入口处设有2道横截沟。长江隧道武昌段排水系统平面如图1(图中箭头表示水流方向)所示,雨水横截沟收集的雨水由雨水泵房向外抽排,当雨水超过横截沟的拦截量时,雨水将沿着隧道路面向内漫流至废水横截沟,由废水泵房收集,排出至市政管网。当隧道内漫流的雨水总量超出废水泵房所能容纳的水量时,若未及时采取措施,将发生严重的雨洪灾害。

　　 雨水泵房设有4台自动搅匀排污泵,3用1备,单泵流量为1 265m³/h,扬程13m,功率110kW,开启水位分别为12.6m、12.85m、13.1m,警戒水位为13.308m;废水泵房有3台潜污泵,平时1台使用,消防时2用1备,事故时同时使用,单泵流量为42L/s,扬程36m,功率37kW;集水池最大容量约为95m³。

　　 隧道周边雨水管网属于沙湖系统中的友谊大道南子系统。如图2所示,以Google earth为背景,根据《长江隧道应急排水工程可行性研究报告》附录中对汇水区的划分,将隧道武昌匝道口周边区域(五九铁路~武车路)划分为6个小的汇水区域。

　　 Ⅰ区:西至武九铁路,东至长江隧道D匝道,北至理工大河校小区,南至友谊大道路中,7.77hm²。

　　 Ⅱ区:西至环湖路西南段、东至沙湖公园,北至友谊大道以南、南至环湖路北段,5.01hm²。

　　 Ⅲ区:西至沙湖公园,东至沙湖大桥,北至理工大河校小区,南至环湖路中段,11.47hm²,D、F匝道位于该区。

　　 Ⅳ区:西至沙湖大桥,东至武昌车管所,北至航天首府,南至环湖路中段,12.93hm²,C、E匝道位于该区。

　　 Ⅴ区:西至C匝道口,东至武车路,北至福星惠誉水岸国际小区,南至美城清芷园小区,6.84hm²。

　　 Ⅵ区:西至武昌车管所,东至武车路,北至美城清芷园小区,南至环湖路中段,12.42hm²。

　　 汇水区域的主要雨水出水口有:

　　 (1)南出口:友谊大道南侧DN1 500雨水管排入新生路雨水泵房抽排出江。

　　 (2)中出口:沙湖大桥下两排DN1 000和DN400雨水管收集沿线雨水后排入沙湖。

　　 (3)环湖路排水箱涵BH=2.2m×2m汇入新生路雨水泵房抽排出江。

　　 基于汇水区域的划分情况,通过实地调研,确定模型的模拟区域。

　　 将模拟区域的检查井、地面高程点的坐标和高程、管道的长度、管径等信息录入并制成CSV格式的数据文件,建立排水系统数据库。

　　 由于缺乏地形资料,只能依据模拟区域排水管网CAD图纸上的地面高程点,获取高程点数据635个,并以TXT文本格式保存,在ICM中建立的TIN地面模型,根据实际地形地貌,通过手动绘制测量线的方法,对地面模型进行修正。修正后的地面高程模型如图3所示。

　　 以地面模型为边界,绘制2D区间,设定2D区间的最大、最小三角形面积和边界类型,模拟结果中水流的运动是以三角形为单位,三角形的大小决定了计算的精度,同时对计算机的性能有一定要求。ICM提供的边界类型有多种,选取的是normal condition。设定2D区间的参数之后,对其进行网格化,此时2D区域被分成很多小的三角网格。

　　 长江隧道武昌段区域地势比较平坦,故可用ICM中泰森多边形法则自动划分模拟区域,并根据实际汇水情况进行调整,如图4所示,共划分为136个汇水子区域,区域内有雨水管道137根,检查井145个。在主通道及C、D匝道入口处设有雨水横截沟,根据实际的测量,雨水横截沟的宽度是0.4m,深度为0.7m,主通道两道雨水横截沟的间距7m,在E、F匝道两侧及沙湖大桥入隧道口的主通道两侧均设有盖板沟,在模型里将其设为明渠形式。

　　 实地考察长江隧道武昌段后,可将该模拟区域地表产流类型划分为沥青道路、屋面和其他区域3大类。依据实际情况,并参考InfoWorks ICM帮助手册和室外排水设计规范(GB50014-2006),径流系数和汇流参数的设置如表1所示。

　　 利用InfoWorks ICM建立长江隧道武昌段区域的排水系统模型,建立的排水系统模型如图5所示。

　　 运用芝加哥雨型合成重现期为100年的降雨过程线,合成方法选择KC法,降雨历时为2h。通过InfoWorks ICM模拟此降雨事件,模拟时间为4h。模拟结果显示降雨开始后的1h5min,模拟区域积水最为严重如图6所示,图中管线周围深色区域为积水区域,颜色越深表明积水越深。由图6可知,友谊大道积水并未从友谊大道倒灌入C、D、E、F匝道。降雨开始后的41min到1h18min,主通道第一道雨水横截沟水位高于隧道路面;降雨开始后的48min到1h4min,主通道第二道雨水横截沟水位高于隧道路面。在此时间段内,雨水不能全部被雨水横截沟拦截,不断沿着隧道路面向内漫流。

　　 由图7可知,在重现期为100年的降雨中,隧道内积水量最大值为360m³,远远大于废水泵房集水池所能容纳的体积(95m³)。此时情况下,隧道会发生较严重的洪涝灾害。

　　 从模拟结果可以看出,当降雨超过一定强度后,路面径流不能完全被横截沟所截留,会通过路面漫流至江中,一旦超过江中排水泵房的排水能力时就会造成洪涝灾害,同时漫流过程中也会造成行车路面的水渍危害,影响行车安全。

　　 2013年7月5~7日,武汉长江隧道及其周边遭遇了持续强降雨,由于隧道地势低,雨水同时通过多个匝道向隧道内涌入,虽然隧道公司根据雨势情况采取了封道、筑坝、封堵的措施,但采取措施不及时,已经有大量雨水涌入工作井,估计造成150万元左右的直接经济损失。基于上述雨洪灾害经验教训,为了提高隧道抵御雨洪灾害的能力,并可实时监测隧道横截沟、水泵房以及模拟结果中隧道周边易积水管段的检查井等关键点的液位,基于物联网技术,建立隧道雨洪监测预警系统。

　　 如图8所示,雨洪监测预警系统主要包括4个部分:液位监测主机装置即智能传感器设备,监测中继器装置,数据中心和指挥调度中心。液位监测主机装置采用压力传感器对监测点的液位进行每分钟的在线监测,可获取每分钟的连续液位监测数据。通过Zigbee近距离无线通讯网络将监测数据传输给监测中继器装置,当监测液位低于预警值时,数据传输间隔为15 min;当监测液位高于预警值时,数据传输间隔为1min。监测中继器装置将接收到的监测数据通过GPRS或CDMA远距离无线通讯网络传输给数据中心。数据中心可为独立的计算机服务器或云端服务器,将接收到的监测数据存入数据库,并对数据进行统计分析。与以往的监测数据进行对比,如发现监测点的液位有异常现象,向指挥调度中心发布预警信息,指挥调度中心根据预警信息和液位状况采取不同的应急预案。

　　 依据模拟结果所显示区域积水最为严重情形,将液位监测点定在积水管段的检查井、隧道的雨水横截沟、废水横截沟和泵房集水井。可将智能在线监测液位装置应用于隧道雨洪监测预警系统。监测主机安装在监测点,淹没水深1m以内都能正常工作。监测中继器装置可安装在主机附近20m范围内的任何位置,并与太阳能充电系统连接。分体式安装,减少了维护的成本,增强了通讯信号强度。主机主要负责数据采集和向中继器传输无线数据,因此主机电池耗电量小,维护工作少。中继器结合太阳能供电系统,保证了数据传输的稳定性和及时性,不用更换电池。可在检查井、集水井井壁处和横截沟沟壁处设置液位监测主机。井底处安装固定量程10m的压力式液位传感器,在线实时监测正常液位;距离井口0.5m处安装固定量程3m的压力式液位传感器,用于超警戒水位的预警监测。横截沟沟底处安装固定量程3m压力式液位传感器,在线实时监测正常液位;距离横截沟沟面0.1m处安装固定量程3m的压力液位传感器,用于超警戒水位的预警监测。通过智能识别监测到的数据选择传输间隔,并通过Zigbbe无线通讯网络传输给附近的中继器,中继器装置通过GPRS无线通讯技术传输给数据中心。基于云平台建立统一的数据中心,指挥调度中心可以通过网页浏览器登陆数据中心,查看监测点液位在线监测值,当监测点液位超过预警值,雨洪监测预警系统将自动报警。

　　 基于隧道雨洪灾害的严重程度即监测点液位预警状况,响应工作由低到高划分一般(Ⅲ级)、较严重(Ⅱ级)、严重(Ⅰ级)。响应启动条件如表2所示。

　　 根据表2响应启动的条件,实时在线监测隧道主通道横截沟和泵房集水井液位,可实现隧道雨洪监测系统3种程度的预警。与3级预警对应的响应行动:

　　 (1)Ⅲ级:若雨水从隧道周边高水系统大量倒灌入隧道所在低水系统,及时报告,并采取措施进行封堵、排渍。

　　 (2)Ⅱ级:组织抢险设备的调配并清运到现场,在不影响正常交通的情况下,进行雨水拦截排渍工作。隧道显示屏及广播等方式发布隧道暴雨渍水信息,并建议市民最好绕行隧道。

　　 (3)Ⅰ级:若险情出现在隧道武昌段主通道,则封闭长江隧道武昌段主通道及E、F匝道;若雨洪灾害出现在隧道汉口段主通道、A匝道、B匝道、C匝道或D匝道,则应封闭相应的隧道道口,禁止车辆驶入。

　　 本文以武汉长江隧道武昌段及其周边的雨水排水系统为研究对象,利用InfoWorks ICM软件建立了雨水排水系统模型,并模拟重现期为100年的降雨事件。依据模拟结果选择了液位监测点,通过对监测点液位的实时在线监测,以及预警信息的动态推送和发布,建立了隧道的雨洪监测预警系统。该预警系统提升了隧道对雨洪灾害的快速响应,实现了对隧道雨洪灾害的3级预警,提高了隧道雨洪灾害的处理效率。