综合管廊雨水舱缓解城市内涝的效果分析

李雄飞，田 甜，程香菊,2，尹小玲，宋 琢

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510641； 3.广州市市政工程机械施工有限公司，广东 广州 510010)

近年来我国大力发展城市地下综合管廊，管廊的建设对改善城市交通状况、提升城市总体形象、创造城市和谐生态环境及提高城市防灾减灾能力均起到了积极推动作用[1-2]。针对多地爆发的洪涝灾害，习近平总书记、李克强总理多次对加快城市地下综合管廊建设、补齐城市防洪排涝能力不足短板作出重要指示[3]。2016年住房和城乡建设部发布《关于提高城市排水防涝能力推进城市地下综合管廊建设的通知》，2021年4月国务院办公厅印发《关于加强城市内涝治理的实施意见》，均对城市排水防涝体系的完善提出了要求。因此将地下综合管廊和排水防涝设施相结合以缓解城市洪涝灾害是十分必要和可行的[4]。

目前国内外地下综合管廊与排水防涝设施的结合主要采取雨水管渠入廊的工程措施。Canto-Perello等[5-6]对多种入廊管线存在的风险与危害进行了深入分析，指出排水系统的设计要考虑城市暴雨时的排水容量，地形、管廊内的雨污水管道、地块的利用价值都是影响管廊与高速路兼容性的因素。刘羽[7]建议雨水管采用单舱形式布置，在污水管直径较小且周边空间受限情况下可以采用雨污水管道共舱形式。曾庆红[8]提出了地下综合管廊与海绵城市相结合的污水零排放新型城市体系规划建设方案，研究结果表明，大的城市管廊系统可截留雨水总量达百万立方米。张国钟[9]以福州东部新区福泉高速A标段三舱综合管廊设计为例，分析了综合管廊断面布置、管道准入原则、雨水管廊设计方法和要点。邱壮等[10]结合已有工程案例，从雨水舱滞蓄雨水的角度出发，对雨水舱的断面和入廊雨水的水质、调蓄、回用等进行了研究。向帆等[11]以成都市某综合管廊工程为例，分析了雨污水管道入廊后的排水可行性。张瑞峰[12]采用了理想中心点多目标决策理论，建立了排水管道入廊适宜性评价体系，明确了排水管道入廊方案的主要优化方向。张韵等[13]认为可将海绵城市和综合管廊进行有机融合，利用管廊本体设置雨水舱。从文献资料可以看出，由于雨水排水管线一般按重力流排水系统设计，且管廊埋深和断面尺寸较大导致工程投资较多，为了使雨水管渠有效减缓内涝并节约投资成本，必须根据当地的气象、水文等信息，对雨水管渠的尺寸进行优化，分析综合管廊雨水舱缓解当地内涝的效果，为设计和施工部门提供定量数据依据。

本文以广州市杨梅河地下综合管廊为例，采用暴雨洪水管理模型[14-15](storm water management model, SWMM)构建不同工况水文模型，模拟不同设计降雨条件下杨梅河出口流量和典型内涝点溢流量，以揭示综合管廊雨水舱对研究区域防洪排涝的作用。

1 研究区概况

杨梅河研究区域位于广州市天河区，面积15.83 km2，北至天麓湖公园南端，南至车陂路，西至凌塘村，东至风信路，属南亚热带季风气候区，平均年降水量1 725 mm，雨量充沛，降雨多集中于4—9月，占全年降水量的81%。目前区域内没有水闸和泵站等排涝设施，排涝主要由市政管网和杨梅河承担。该区域内有4处易涝点(图1)，分别为位于杨梅河上游的柯目塱南路口和高唐石科技园以及位于杨梅河下游的新塘实验幼儿园和老虎佛村[16]。为了缓解区域内涝以及分担杨梅河下游洪水，计划实施天河智慧城地下综合管廊工程，在杨梅河下游(横六路处)新增雨水单舱，接入高唐路综合管廊(管廊横断面由三舱变四舱)，至高唐路综合管廊末端，再转变为雨水单舱，最后汇入杨梅河。工程包括4个部分(图1)：①G1段为雨水单舱，长度为 620 m；②G2段为高唐路段综合管廊，长度为670 m，共有4舱，分别为电力舱、综合舱、天然气舱和雨水舱；③G3段长度为160 m，布设直径为3 m的2根圆管；④G4段为雨水单舱，长度为750 m。

图1 杨梅河区域概况和综合管廊位置

2 研究方法

本文首先收集研究区地形地貌、管网、降雨等基础数据，基于SWMM模型，构建两种不同工况水文模型，并对模型进行率定和验证；通过改变雨水舱断面尺寸、设置情景工况进行模拟预测，分析不同断面雨水舱缓解区域内涝的效果，获得较优断面的雨水舱；再通过对比分析杨梅河出口流量和易涝点溢流量，探究综合管廊雨水舱缓解区域内涝的效果。

2.1 SWMM模型构建

2.1.1研究区概化

研究区概化如图2所示。根据高唐路综合管廊及杨梅河实际情况划定研究区范围后，由区域内现状管网的CAD图直接提取概化管网。概化后，市政管网目前包括节点132个、管道131条，管道断面形状为矩形或圆形，市政管网均排水至杨梅河。在模型中将杨梅河概化为明渠，概化后节点152个、河段数171条，断面形状为矩形、梯形或复合断面。综合管廊雨水舱概化后节点28个、管段数30条，断面形状为矩形或圆形。研究区排放口仅1个，为杨梅河出口。

图2 研究区概化结果和实测降雨条件下溢流点分布模拟结果

研究区内包括未开发的森林用地和已开发的城市用地，因此子汇水区的划分采用两种方式：未开发区域采用ArcGIS中的水文分析工具划分，已开发区域根据卫星图中的建筑物、交通道路分布和管网走向进行人工划分。整个研究区共划分出302个子汇水区，平均面积为0.052 km2，最大的子汇水区面积为0.4 km2。

2.1.2模型参数输入

子汇水区的确定性参数，如面积、特征宽度、平均坡度、不透水率等通过ArcGIS获取[17-18]；子汇水区的不确定性参数根据文献[19]并参考邻近地区经验数据获取，具体取值如下：透水和不透水地表曼宁系数分别为0.6、0.013，透水和不透水地表洼蓄深度分别为6.5 mm、2.1 mm，不透水区无洼蓄的不透水面积占比为30%，最大、最小入渗率分别为 115.511 mm/h、1.725 mm/h，衰减系数为6.1 h-1，管道及雨水舱糙率为0.012，杨梅河的边坡和底部糙率分别为0.03和0.015。管网水系的井底高程、管道起点和终点与井底的高程差、管道尺寸以及杨梅河断面尺寸等，通过CAD管网资料确定。

2.1.3设计降雨推求

广州市暴雨雨型70%是单峰型，均匀降雨很少，单峰降雨集中，容易造成洪涝危害[20]。目前常用的单峰雨型包括芝加哥雨型、Huff雨型、三角雨型等，其中芝加哥雨型模拟效果较好，一般能满足精度要求，且比较容易确定雨强过程，在国内外广泛应用，因此本文采用该雨型作为设计雨型[21]。杨梅河长6.7 km，考虑到河道有一定的滞蓄作用[22]，降雨历时取3 h，雨峰系数r取0.4[23]，采用广州市中心城区区间暴雨强度公式，得到降雨重现期(P)为 2 a、5 a、10 a和20 a时杨梅河区域的设计降雨过程线，如图3所示。

图3 不同降雨重现期设计降雨过程线

2.2 SWMM模型验证

采用广州萝岗国家气象观测站收集的2019年6月24日5:45—18:20的实测降雨资料对模型的适用性进行初步验证。利用模型对实测降雨条件下的现状排水系统溢流进行模拟分析，得到12:15—12:30实测峰值降水量下的模拟溢流点分布(图2)，溢流点主要分布在柯目塱南路口、高唐石科技园、新塘实验幼儿园和老虎佛村等4处。由于缺乏排水系统流量和水位的实测数据，参考杨梅河区域内涝调研资料[16，24]发现，模拟的溢流集中在实际的4处易涝点，表明模型模拟结果与实际情况相符，可用于研究区在不同降雨重现期下的防洪排涝效果评估。

3 雨水舱断面优化分析

基于上述已率定和验证的现状排水系统水文模型(简称XZ)，根据图1综合管廊工程的设计方案，增加雨水舱，构建现状排水系统和雨水舱相结合的水文模型(简称GL)，在4个降雨重现期(2 a、5 a、10 a 和20 a)下，改变雨水舱断面尺寸，评估不同断面雨水舱缓解区域内涝的效果，从而获得较优断面的雨水舱。考虑到综合管廊结构因素，保持雨水舱断面高度3.3 m不变，宽度设计为2～6 m，并以 0.4 m为间距改变。

3.1 研究区总溢流量分析

图4给出不同降雨重现期下研究区总溢流量与雨水舱断面宽度的关系。由图4可知，随着雨水舱断面宽度增大，研究区总溢流量逐步减小。断面宽度以0.4 m间距从2 m增至4 m时，在重现期分别为2 a、5 a、10 a和20 a降雨条件下，总溢流量通过不同断面削减的平均削减率分别为13.8%、11.0%、9.8%和8.7%；断面宽度以0.4 m间距从4 m增至 6 m 时，总溢流量变化趋于平缓，在重现期分别为 2 a、5 a、10 a和20 a降雨条件下，总溢流量通过不同断面削减的平均削减率分别为4.3%、3.0%、2.6%和2.1%。以上分析表明断面宽度扩大至4 m时，雨水舱对研究区内涝的缓解效果基本已达上限。

图4 不同降雨重现期下研究区总溢流量与雨水舱断面宽度的关系

3.2 典型易涝区溢流量分析

图5给出不同降雨重现期下典型易涝点新塘实验幼儿园和老虎佛村溢流量与雨水舱断面宽度的关系。由图5可知，随着雨水舱断面宽度增大，两处易涝点的溢流量均逐步减小。雨水舱断面宽度以 0.4 m 间距从2 m增至6 m时，在重现期分别为2 a、5 a、10 a和20 a降雨条件下，新塘实验幼儿园周边溢流量通过不同断面削减的平均削减率为26%～40%，老虎佛村溢流量平均削减率分别为3.7%、3.0%、2.4%和2.5%。由于新塘实验幼儿园位置离管廊较近，其溢流量下降趋势更明显，雨水舱断面宽度的改变对幼儿园周边溢流量的影响更大。

综上所述，随着雨水舱断面宽度增大，研究区总溢流量及两处典型内涝点的溢流量均逐步减小。当断面宽度增大至4 m后，总溢流量变化趋于平缓，此时雨水舱对研究区内涝的缓解效果基本已达上限；断面宽度变化对老虎佛村内涝影响不大，对新塘实验幼儿园周边内涝影响显著。考虑到工程投资及用地范围的限制，雨水舱较优断面设计为宽4 m、高3.3 m。

(a) 新塘实验幼儿园

(b) 老虎佛村

4 防洪排涝效果分析

4.1 杨梅河出口流量分析

选取研究区排放口即杨梅河出口进行流量过程分析，可较好地反映综合管廊雨水舱的防洪排涝效果。图6是重现期分别为2 a、5 a、10 a和20 a降雨条件下杨梅河出口降雨和径流过程。由图6可知，模型GL的峰值流量大于模型XZ，这是由于雨水舱作为分洪通道，可使杨梅河上游来水以及下游两岸的地表径流更顺畅地排至杨梅河出口，导致研究区溢流量减少以及出口峰值流量增加。在重现期分别2 a、5 a、10 a和20 a降雨条件下，与模型XZ相比，模型GL的峰值流量依次增加41.0%、39.8%、28.8%和25.2%，表明峰值流量变化率逐步减小。从P=10 a向P=20 a过渡时，峰值流量变化不明显，且杨梅河未出现过流超载的情况，说明管网以及雨水舱的过流承载力有限；在P=20 a时，系统排水能力达到上限，杨梅河出口达到最大出流能力。由图6还可看出降雨停止后，相比模型GL，模型XZ的流量更大，主要原因是此时管网排水能力恢复，部分地表溢流逐渐流向管网并排至杨梅河出口。

(a) P=2 a

(b) P=5 a

(c) P=10 a

(d) P=20 a

表1 不同降雨重现期下典型内涝点溢流量及其削减率

4.2 溢流量削减效果分析

选取图1中4处易涝点作为典型内涝点进行分析，统计不同工况下典型内涝点的溢流量，并分析模型GL与模型XZ相比溢流量减少的程度，如表1所示。从表1可知，在P=2 a、5 a、10 a和20 a时，综合管廊雨水舱使新塘实验幼儿园周边的溢流量依次削减了90.5%、85.9%、85.8%和83.7%，均值为86.5%，使老虎佛村的溢流量依次削减了43.0%、42.8%、42.0%和40.9%，均值为42.2%，表明综合管廊雨水舱可缓解杨梅河下游内涝，且对新塘实验幼儿园周边溢流量的削减效果更佳。柯目塱南路口和高唐石科技园溢流量平均削减率分别为1.8%和0.5%，表明综合管廊雨水舱对上游两处内涝点的溢流基本不起作用。随着降雨重现期增加，各内涝点溢流量削减率逐渐减小，表明雨水舱在低降雨重现期下对溢流量的削减效果更佳。雨水舱承担杨梅河洪水分流的任务，新塘实验幼儿园和老虎佛村均位于分流节点的下游，其中新塘实验幼儿园处的管网节点距离分流节点约0.7 km，仅接收周围的地表径流，而老虎佛村距离分流节点约1.6 km，且与之相关的管网数量较多，因此老虎佛村的溢流受雨水舱影响相对较小。柯目塱南路口和高唐石科技园位于分流节点上游3.2 km处，周边管道直径偏小且管道维护力度不足[16]，两处的溢流受周边管网影响较大，基本不受雨水舱的影响。

5 结 论

a.构建了杨梅河区域现状排水系统和现状排水系统结合雨水舱两种工况的SWMM模型，在实测降雨条件下，对现状排水系统的模拟结果与实际情况相符，说明模型可用于研究区不同降雨重现期下、不同工况的防洪排涝效果评估。

b.保持雨水舱断面高度3.3 m不变，当断面宽度增大至4 m后，研究区总溢流量变化趋于平缓，此时雨水舱对研究区内涝的缓解效果基本已达上限。受工程投资及用地范围的限制，雨水舱较优断面设计为宽4 m、高3.3 m。

c.综合管廊雨水舱增大了杨梅河出口峰值流量，在P=20 a降雨条件下，杨梅河出口达到最大出流能力；综合管廊雨水舱可缓解杨梅河下游内涝，下游典型内涝点新塘实验幼儿园和老虎佛村溢流量平均削减率分别约86.5%和42.2%，表明雨水舱对新塘实验幼儿园易涝点溢流量的削减效果更佳；雨水舱对上游典型内涝点溢流量的削减基本不起作用。