长兴县雨水排涝规划模型现状分析及改造建议

陈辰斌,林常春,周胜昔

(浙江省城乡规划设计研究院,浙江 杭州 310030)

近年来,全国范围内各大城市极端降雨导致的内涝事件频发, 对人民群众的生命与财产安全产生了巨大的威胁。在浙江省,尤其是2013年第23号强台风“菲特”更是对余姚等城市造成了巨大的经济损失。根据2013年6月住建部的《关于印发城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲的通知》,各地纷纷开展了城市排水(雨水)防涝综合规划的编制工作。在编制大纲的要求下,此轮的规划编制与传统的雨水规划编制相比,又有了更高的要求,需要使用模型软件对城市的排水防涝能力进行动态分析和综合评估。本文以笔者参与编制的浙江省长兴县《长兴县中心城区排水(雨水)防涝综合规划》为例,对在规划编制中模型软件的使用展开探讨与分析。

1 建模软件及方法

本次规划编制过程中使用丹麦水资源及水环境研究所(DHI)公司的MIKE系列软件,主要包含一维河网的MIKE11,城市管网模型MIKE URBAN；二维河口和地表水体的MIKE21等模块。将城市的整体地形标高、管网情况、河道情况、降雨参数等数据综合输入模型后进行动态模拟,从而分析得出城市内涝发生时的实际积水位置、积水范围、积水深度、积水时间等信息,然后对城市排水防涝能力进行综合评估,并找出内涝高风险区块。

由于规划区域面积较大,整体建模的参数资料也很多,为了提高建模效率，缩短建模工作时间,在本次规划的过程中,对于模型软件的使用分为两个层次。第一层次为大尺度的对城市整体的内涝情况进行粗分析,找出内涝风险较高的区域；第二层次为对内涝风险较高区域进行单独小区块的细化模型模拟,提高模型的精度使模型模拟情况更贴合实际,并根据现场实际情况调研,提出相应的改造建议。

1.1 大尺度整体模型的建立

长兴县中心城区现状建成区总面积约47 km2,根据2015年4月最新的长兴县中心城区管网普查调查的管道资料,已建成雨水管渠主干管总长度约193.4 km,合4 115 m/km2。现状雨水管渠服务面积约46.43 km2,基本做到了雨水管渠的全覆盖。由于城市面积较大,管渠资料较多,需要对管道资料进行适当的概化,以减少第一层次大尺度模型建立时的工作量。将管渠资料中的检查井数量概化至100～200 m一个,既可以反映出管道的大致走向、标高、坡度、管径变化等信息,也可以将管渠资料导入的工作量减少至原先的三分之一左右。现状地形资料采用长兴县中心城区1∶500地形图,导入ArcGis后转化为10 m×10 m网格大小的模型可使用的地形文件,可使模型在耦合模拟时的运算时间不至于太长,避免影响项目进度。降雨资料分为长历时(24 h)降雨资料和短历时(2 h)暴雨资料。长历时降雨资料采用长兴县气象站提供的1980以来的每年实测最大暴雨资料,根据排序筛选,选择20年降雨重现期的实测24 h内每小时降雨量资料输入模型。短历时暴雨资料采用《浙江省各城市暴雨强度公式表》中湖州市长兴县暴雨强度公式,分别计算重现期为1年、2年、3年、5年的2 h暴雨降雨量,并采用芝加哥降雨雨型进行模拟,产生短历时模拟暴雨2 h内降雨量资料作为边界条件输入模型[1]。下垫面参数由于并无ArcGis地形图层资料,无法直接使用软件计算每个集水区的径流系数,故在中心城区每个行政区域内分别选择典型区块计算其综合径流系数,用来代表此行政区域整体的综合径流系数代入模型。由于没有详细的河道断面形式以及动态水位等数据,此处模拟暂设置水位固定为20年重现期洪水水位[2]。

根据2 h短历时暴雨模拟结果,统计得出长兴县中心城区雨水管渠的重现期分布情况见表1。

表1 管道重现期统计表

再根据模型模拟的长历时24 h降雨情况,根据积水的深度及时间，积水区块所处的位置，区块用地性质，人口密集程度等各因素叠加排序后,划分出几块存在高内涝风险的区域[3]。由于长兴县本身城市建设时对地面标高的控制较好,地面标高普遍高于河道常水位标高较多,所以虽然管道重现期小于1年的雨水管渠比例大于一半,但在长历时模拟的结果看来存在长时间积水的区域仍然不是很多,整体的排水防涝能力较好。本次模拟只选出内涝风险相对较高的6处区域,分布情况见图1及表2。

图1 城市高风险区域位置分布图

编号所属街道所处位置片区面积/hm2用地性质人口密集程度①经济开发区合溪新港路、长兴大道区块18.20居住用地中等②经济开发区白溪大道、圣旨庙港之间区块40.52工业用地中等③经济开发区图影大道、张王塘港区块20.59居住、学校用地密集④回龙山新区花园路、画溪大道之间区块13.93居住用地中等⑤老城区县前西街、紫金路区块10.69居住用地密集⑥老城区太湖东路、金竹路之间区块7.63居住、商业用地密集

接下来再分别对这几个区块进行第二层次的细化模型模拟分析。本文由于篇幅受限,暂选择长兴县中心城区护城河范围内的老城区区块为例,其余区块的分析方法也与此相同,暂不赘述。

1.2 小范围详细模型的建立

长兴县老城区区块面积约为0.85 km2,四周被护城河环绕,为长兴县最核心区块,人口密集,重要性高,且由于区块被护城河环绕,边界条件相对独立,不易受周围其他区块的内涝影响,适合进行详细模拟分析。详细模型所需的管渠资料有别于大尺度模型的管渠资料,需重新导入模型。导入过程无需进行概化,应按照实际管网普查情况,依次将每个检查井(约30～50 m间隔)的详细标高等参数导入模型,真实地反映管渠的实际走向、标高、坡度、管径变化等信息，以提高模型模拟的准确性。现状地形资料采用长兴县中心城区1∶500地形图老城区范围内地形,导入ArcGis后转化为5 m×5 m网格大小的模型可使用的地形文件,由于详细模型的模拟范围面积较大尺度模型要小很多,所以虽然提高了地形精度也不至于使耦合模拟时的运算时间太长。下垫面参数根据1∶500地形图上的信息,分为房屋、硬化地面、道路、绿地、河流水体,分别框出边界范围并设定不同的径流系数,通过软件计算得出每个集水区准确的径流系数,使得模拟结果更贴近实际。在之前建立大尺度整体模型时,根据选取的典型区块计算得出老城区附近核心区块的整体综合径流系数为0.7,根据本次详细模型计算得出的每个集水区的面积及径流系数值,反算得出老城区整体综合径流系数为0.67,与之前大尺度模型中估算的值相差不大。其他降雨参数、河道水位参数与大尺度模型模拟时保持一致。

2 模拟结果分析及建议改造方案

2.1 模拟结果分析

根据模拟结果以及现场调研情况,确认老城区范围内在重现期5年一遇的短历时暴雨情况下会短时出现150 mm以上积水的区域主要有4处,在重现期20年一遇的长历时暴雨情况下会较长时间存在150 mm以上积水的区域主要有1处。详细模拟结果见图2、图3,模拟结果分析见表3。

项目区域位置道园路长兴县机关幼儿园门口长春北路与东鱼巷交叉口附近县前中街与金陵中路交叉口东南侧米行弄南侧小区内积水时间/min80909075最大积水深度/m0.250.40.40.3积水面积/m21 8002 2756 1002 950内涝成因路面局部下凹0.2～0.4 m,且周边地块标高较高,暴雨时在路面局部形成较深积水路面标高大大低于周围0.7～1.2 m,暴雨时易形成较深积水路面标高低于周围两条主干道标高0.3 m,导致暴雨时无法排尽的雨水斗汇流到此处低洼带老小区内部标高低于外围新建道路标高,且内部雨水管网不完善,易形成积水建议改造方案[4]将路面局部低洼处填平,并将路边绿化带做下沉式改造将道路西侧绿化带改造为下沉式绿化带作为临时调蓄,并结合远期东侧地块改造适当抬高路面标高将人民中路与洲桥街交叉口的标高适当降低,使暴雨时雨水可通过路面行泄至区块2处设置的下沉式绿化带中远期为规划道路,改造时根据规划道路标高抬高地面,并按照规划计算铺设相应管径的雨水管道

2.2 改造方案效果评估

根据提出的改造方案及建议,将模型参数与资料调整后,再次运行后得出新的模拟结果见图4、图5,结果分析见表4。

表4 改造后模拟结果分析表

图4 短历时降雨模拟结果图(改造后)

图5 长历时降雨模拟结果图(改造后)

根据模拟结果可以分析得出,如能按建议的改造方法对存在积水风险的区域进行适当的改造,积水时间、深度以及积水面积都会相应的减少,暴雨时来不及排尽的雨水多被积蓄在设置的下沉式绿化带内,使得道路上的积水深度大大减小,可满足车辆通行的要求,减少对交通的影响。文中所述的推荐改造方案,仅是从规划层面出发,对高风险内涝点提出的建议性改造措施,在实际的城市内涝点改造过程中,还应根据实际情况详细分析改造措施的可行性,制定切实可行的工程实施方案,使改造后的排涝措施能更好地发挥作用,真正提高城市的应急排涝能力。

3 结 语

本文所述的模拟分析方法适用于规划面积较大城市的排水(雨水)防涝综合规划的编制工作,将规划的建模工作分为大尺度整体模型和小范围详细模型两个层次,旨在提高整体建模工作效率,同时也保证模型的准确性,使得模拟结果能较好地贴合实际。文中所述的几种改造措施仅为笔者在参与编制《长兴县中心城区排水(雨水)防涝综合规划》时,根据长兴县的情况思考的几种推荐方案,并不一定具备普遍适用性,各地还是应结合地方实际,充分分析内涝形成原因,寻求符合自身实际条件的解决方案。此外,文中所述模型的准确性以及改造方案的有效性也有待后续的实践来检验。