基于MIKE 21的上海动物园内涝成因分析及治理措施

周 璟,王 欢

(1.长江三峡(海南)绿色发展投资有限公司,海南 海口 570125;2.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

公园水系是城市景观水系的重要组成部分。为了满足城市居民的休闲需求,在有条件的城市和区域,城市公园中往往建设有景观水体,包括以湖泊、河流为主的水系和以喷泉、瀑布为主的水景[1]。景观水体大多为静止或流动性较差的封闭缓流水体,相对独立的水体便于管理与控制,但也可能会带来排水除涝不畅、水动力低下的问题[2]。

一般情况下,积水是强降雨条件下地面径流通过管网来不及排出导致的,而积水反复发生甚至形成内涝是多因素的综合作用。水文气象、排水设施、河湖水系、调度管理都是影响排水除涝的因素[3]。其中,排水设施和河湖水系是可以通过工程性措施来改造、优化的。随着数学模型的推广应用,采用模型诊断分析问题并采取治理措施的做法越发普遍且日趋成熟[4-7],但改造措施中对河湖水系优化给予的重视仍然较少。本文针对上海动物园内涝成因,制订公园景观水系整治和排水设施改造方案,并基于模型模拟评估结果,提出最佳的工程治理措施。

1 研究区域概况

上海动物园位于上海市区西南,主园区面积69.46 hm2,水面积约6.0 hm2,占园区面积的8.6%。动物园水系为典型的景观水系(图1),西北角河道上设有雨水排水泵站一座(设计流量1 m3/s),为园区水系与外部水系连通的唯一途径;各水体之间不通过河道直接连通,而是由涵管相连。园内东部地势略高于西部,雨水排水方向为东南排至西北,雨天时,雨水排水泵站开启后能够很快地将泵站附近的雨水排出,但远离泵站的雨水排出速度较慢,河道水位高涨,地面积水,极大地影响了珍稀动物的生活场馆和游客的游览体验。

根据相关资料,动物园雨水管径为200～1 200 mm,雨水通过管网就近排入河道,最终由与园区西北角河道上的雨水排水泵站抽排至外部水系。整个园区为一个独立的排水分区,并且雨水管道已按排水标准达标建设。根据现场调研情况,在降雨初期,雨水管道能迅速地排出地面雨水,之后随着水体水位的上涨,地面雨水才难以排出,形成积水。初步判断导致动物园内涝的原因与园区水系排水不畅和排水泵站规模不足有关。

图1 上海动物园水系示意

2 研究方法

采用丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的MIKE21模型软件,构建上海动物园现状主要水系(包括水体间连通涵管)的水动力模型,模拟并研究现状排涝工况下水系的水文特征值(水位、流速和流量)变化,分析园区排水除涝问题的原因。根据问题原因设计改善方案,经方案比选后确定工程方案。

2.1 模型计算范围及网格划分

根据上海动物园现状水系的分布特点、联通情况,确定模型计算范围为现状相互连通的主要水系,见图2。

图2 模型计算范围示意

采用非结构化的三角形网格对计算范围内的水系进行网格划分,网格最大边长4 m,划分后共14 053个节点,21 662个网格,划分结果见图3;根据实测地形资料,对水下地形进行插值,结果见图4。

图3 模型计算网格

图4 水下地形

2.2 模型边界条件处理

a)闭边界。闭边界指陆地边界(河岸边界),设定为非滑移边界,即:u=0,v=0。

b)开边界。开边界设置在排水泵站处,开边界流量根据各个方案下排水泵站的规模情况进行设置。

c)干湿边界。为保证模型计算的稳定性,引入干湿边界,采用hwet=0.1 m、hflood=0.05 m、hdry=0.005 m。

d)模型参数设置。①涡黏系数,根据Smagorinsky公式确定式(1):

(1)

式中U、V——x、y方向垂线平均流速;Δ——网格间距;Cs——计算参数,0.25～1.00,模型中取0.28。

②底床摩擦力。采用糙率系数描述底床摩擦力,模型中糙率系数参照一定经验,取值范围为0.025～0.05,设为0.031。

2.3 计算工况

动物园水系的排水运行工况多发生在夏季多雨期,考虑西北角雨水排水泵站半开、全开2种实际运行时最常见的情况,设置2种计算工况(表1)。根据上海动物园雨水系统和水系设计资料,动物园控制水位为:高水位2.6 m,低水位2.3 m,预降最低水位2.2 m。2种现状工况的初始水位均设置为高水位。

表1 现状水系水动力模拟研究计算工况

2.4 计算结果

根据排水时水位下降速率,将现状水系分为排涝低风险、中低风险、中高风险、高风险4种等级,见图5。泵站全开连续排水4 h(即工况二运行4 h),水位低于预降最低水位2.2 m的区域为低风险,水位在2.2～2.3 m的区域为中低风险,水位在2.3～2.4 m的区域为中高风险,水位在2.4 m以上的为高风险。图5可知,天鹅湖、东南部水体水位一直维持在2.4 m以上,反映了这些区域的排涝风险较高,与区域雨天易积水的实际情况相符。

图5 现状水系排涝风险

在现状水系的每处水体各取1个特征点,对各特征点从高水位到低水位排水所需的时长进行统计,统计结果见表2。由表可知,现状水系在排水情况下,不同区域水体排水速率差异较大,泵站连续排水会出现西北侧水体水位已经下降,而东南侧水体水位仍然居高不下的情况,给园区带来内涝风险。

表2 工况一、二特征点高水位(2.6 m)至低水位(2.3 m)时间统计结果 单位:h

3 问题识别

结合模型成果和相关资料分析,上海动物园存在内涝风险的主要原因如下。①排水路径不通畅。园区水系由涵管连接,涵管过水断面小于河道过水断面;同时,涵管的管底标高参差不齐,排水时不少涵管存在逆坡现象,不利于水流排出。②排水泵站规模不足,布局不合理。园区排水除涝标准为20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)24 h排出,要达到此标准,排涝泵站总流量需达到1.58 m3/s,目前动物园西北角排水泵站设计规模为1 m3/s,总排水规模不足。

值得注意的是,单纯增加排水规模不能消除园区排涝风险。在工况一(0.5 m3/s向外排水)的情况下,孔雀园北水体排水时长比海兽馆北水体长15 h。工况二将排水流量增加至1 m3/s,仅对与泵站直接相连的水体有更大的抽排作用,对整体水系的排水速率提升作用不大。由于与泵站直接相连的水体水位下降过快,为了控制泵站前池水位,不得不采取间歇排水方式,这使得排水时间进一步延长,孔雀园北水体与海兽馆北水体排水时长差扩大至17.5 h。园区单向排水的布局导致东南侧水系的排水路径较长,不能及时排水,从而影响地面积水的及时排出,存在内涝风险。

4 治理措施

4.1 方案设计

针对城市内涝,一般可采取扩建排水管网、增加强排流量和雨水调蓄等措施来减少内涝、提高排水除涝标准[8-11]。李志威[12]、张俊等[13]表示,合理的水系网络格局有利于调蓄洪水和排出雨涝;严婉玲[14]、张旭兆等[15]对案例采用MIKE模型定量分析,得出改善水系格局、缩短排涝路径对于保障排涝安全、降低内涝风险具有积极作用的结论。结合园区内涝的主要原因,从疏通排水路径、增大排水规模、改善排水格局三大角度出发,设计工程方案。

a)疏通排水路径。疏通排水路径是提升排水能力的核心与基础,可采取的措施有涵管改河与涵管扩建。涵管改河时应充分考虑水系间开挖明渠的可行性,对于有条件开挖的地方,取消原有连接涵管,开挖明渠连接相邻水体;对于不宜开挖河道的地方,采取涵管扩建的措施,提升涵管过流能力。

b)增大排水规模。增大排水规模的措施有新建排水泵站、现有排水泵站升级改造,结合排水格局改善的需求,本文采取新建排水泵站措施,新建泵站规模为0.58 m3/s,加上现状排水泵站(1 m3/s)可达到1.58 m3/s的总排水规模,能够满足淀北片20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)的排涝设计标准。

c)改善排水格局。改善排水格局的措施为新增排水口门。目前园区通过西北角的排水泵站单点排水,不利于东南侧水体的及时排水。结合动物园规划和实际情况,有条件新开排水口门的位置有两个,一是位于园区东南两爬馆水体与新泾港连接处,二是位于园区东侧孔雀园北附近废弃雨水排口处。

对以上工程措施进行有机组合,形成4个工程方案,见表3。

表3 工程方案

a)方案一

b)方案二

c)方案三

d)方案四

4.2 方案比选

运用模型分别模拟不同方案下动物园水系的排水状况,通过统计排水速率、排水时间等指标,比选各个方案的工程效果,并在考虑工程投资的前提下确定推荐方案。

各方案特征点从高水位降至低水位的时间统计见表4。由计算结果可知:①方案实施后,排水速率大大提高,园区水系从高水位降至低水位的平均时间均有大幅度缩短,由现状的10 h左右降至4～5 h;②基于涵管改河的方案一、方案二,各区域水体的水位下降速率基本一致,连续排水4.5 h左右可实现园区水位的整体下降。在排水速率整体提高的同时,大幅消除了不同区域的排水时差,有利于园区的排水及水位控制;③基于涵管扩建的方案三、方案四,高水位至低水位的平均排水时间与方案一、二基本相当,但受制于涵管的过流能力,不同区域水系仍然表现出较大的排水时差,方案三下最大排水时差达12.84 h,方案四为6.4 h,连续排水会导致靠近泵站的水体水位过低,而远离泵站的水体水位居高不下;④对比涵管改河方案(方案一、二)和涵管扩建方案(方案三、四),由于涵管扩建方案仍然不能消除各区域水体的排水时差,因此涵管改河方案更优;⑤对比基于涵管改河的方案一和方案二,两者从高水位将至低水位的平均排水时间基本一致(方案一为4.42 h,方案二为4.49 h),不同水域之间最大排水时差也基本一致(方案一为2.9 h,方案二为3 h),但是对于园区水面面积最大,且具有重要调蓄作用的天鹅湖来说,方案二天鹅湖的水位下降速率更快,方案二天鹅湖(特征点5)从高水位降至低水位的时间比方案一缩短约1 h;⑥从工程投资来看,涵管改河后新开挖河道采用以生态斜坡为主的护岸型式,且园区河道规模较小(河道断面面积小于等于20 m2),而扩建涵管需使用的涵管直径大于等于1 000 mm,所以单位长度的扩建涵管的工程投资略高于新开河道。将15条涵管全部扩建的工程投资将会高于新开河道9处、扩建涵管6段的投资。根据类似工程经验,增设2个排水泵站(各0.29 m3/s)工程投资高于增设1个排水泵站(0.58 m3/s),但由于2个排水泵站中的东侧孔雀园泵站可利用旧泵站修建,所以增设2个排水泵站(各0.29 m3/s)和增设1个排水泵站(0.58 m3/s)工程投资基本相等。由此可知,4个方案的工程投资的大小排列如下:方案一≈方案二<方案三≈方案四。

表4 各方案下特征点高水位(2.6 m)降至低水位(2.3 m)时间 单位:h

综上分析,方案二(涵管改河9处、涵管扩建6段、增设2个0.29 m3/s的排水泵站)的工程效果最好、工程投资较低,因此,推荐采用方案二。

5 结语

本文以上海动物园为例,通过资料分析和现场踏勘初步分析园区内涝的原因与排涝水系和排水泵站有关,通过数学模型确定排水路径过长是导致远端水体排涝难的重要因素。针对上海动物园内涝成因,采取疏通排水路径、增大排水规模、改善排水格局三方面的治理措施,形成公园景观水系整治和排水设施改造方案。通过排水速率、排水时间比较不同整治方案的改善效果,计算不同区域的最大排水时差,最大排水时差越小说明治理措施缩短排水路径、提高排水效率的效果越好。利用以上方式比选、确定内涝治理工程方案,在控制工程投资的前提下获得最佳的治理效果。