大黑水河流防洪排水体系优化设计方案研究

褚晓伟

（太原市市政工程设计研究院,山西 太原 030000）

1 项目概况

大黑水河是太原市河西北部地区主要的城市退水渠之一,全长14.7 km,流域面积56.42 km2,由于管理滞后等诸多原因,该地段的建设开发为大黑水河防洪排水设施制造了诸多问题,尤其是在兴华街至漪汾街的约2 km 河段,诸多建设开发单位对河道进行覆盖改造,其覆盖段内涵洞高程、纵坡、断面没有统一标准,大部分覆盖段未按河道规划实施,部分断面过水能力与河道规划流量相差甚远,这一状况对该段河道的行洪及排水功能产生了严重损伤,导致大黑水河近几年下游段相继多次出现洪灾及排水不畅等险情[1]。

为了解决该地区的防洪隐患,同意实施大黑水河流域治理工程,工程项目的建设规模及主要内容为：在西环高速公路以西新建4.7 km 长大黑水河截洪沟及2 座缓洪池,缓洪池容积10.68 万m3；雨水泵站1 座,规模为6 m3/s；雨水调蓄池1 座,调蓄容积9.36 万m3；西南铁路环线（柴村、三给片区）排水堑沟,全长1090 m。该工程实施完毕后,该区域的防洪排水体系将基本形成,并能有效地解决区域内雨洪水排除问题。

2 原方案设计工程内容

大黑水河在北排洪沟倒虹涵洞流量仍为现状,在北排洪沟倒虹涵洞入口处附近修建调节池及调节泵站等调洪设施。原设计防洪排水系统平面图见图1。倒虹涵洞控制设计流量Q=13.79 m3/s,泵站规模6 m3/s。调节池脱过系数0.403 调节池调蓄容积为9.36 万m3,设计水深3.5 m,调节池面积2.674 万m2,占地40.11 亩；泵站占地面积约4.5 亩。调节池和泵站共占地面积44.61 亩。

图1 大黑水河泵站进水管流量随时间的变化（P=1 年）

工程项目建设规模及内容为：1）西环高速公路以西新建4.7 km 长大黑水河截洪沟,以拦截西山边山支沟洪水。新建2 座缓洪池,缓洪池总容积10.68 万m3。1#缓洪池容积V=6.24 万m3,面积2.58 万m2,占地38.70 亩；2#缓洪池容积V=4.44 万m3,面积1.69 万m2,占地25.35 亩。西侧边山支沟洪水调蓄后自北向南分三个路由进入下游排水体系：①进入柴化路雨水系统后,排入现状大黑水河；②进入西南环铁路西侧排水堑沟后,排入现状大黑水河；③向东排入北排洪沟。2）在北排洪沟北侧新建雨水泵站1 座,规模为6 m3/s；雨水调蓄池1 座,调蓄容积9.36 万m3,将大黑水河来水抽排入北排洪沟。3）新建西南铁路环线（柴村、三给片区）排水堑沟,全长1090 m。将铁路周边雨水及调蓄后洪水排入现状大黑水河。

3 现存在问题

3.1 太古岚铁路至北排洪沟段大黑水河现状

该段大黑水河河道宽8 m～12 m,堤高2 m。由于受河道周边已建成的永久建筑限制,现状河道不具备拓宽改造的条件。因此,2015 年,《大黑水河流域治理工程》设计中,对该段大黑水河进行了清淤改造,清淤后的最大过流能力13.79 m3/s,满足城市雨水一年一遇的排除标准。随着城市的建设发展,该区域的重要性不断提升,城市排水标准也相应提高,该段大黑水河做为区域内唯一的排水出路,已经不能满足防洪排水的要求。

3.2 北排洪沟以南段大黑水河现状

（1）北排洪沟倒虹至兴华街

北排洪沟上游河道的防洪及排水设防标准较低,太原西南环铁路柴村路堑排水渠内雨水接入营村北的现状大黑水河内,加大了大黑水河的流量,大黑水河雨、洪水下游无法满足排除要求,必须解决三给村、柴村片区西侧边山洪水的排除问题。否则严重制约该片区的开发建设。

（2）兴华街至漪汾街

南排洪沟作为大黑水河最大支渠于兴华街南侧接入,设计流量22.0 m3/s。大黑水河兴华街至漪汾街段全长约1.7 km,该段河道已全部覆盖,防洪及排水现状为：①迎西歌城过水能力25.26 m3/s；②山西达岩实业有限公司覆盖建设段过水能力48.34 m3/s；③山西松林实业有限公司开发的住宅楼群过水能力37.2 m3/s；④山西军转房地产开发公司开发住宅楼群（包括市建筑设计研究院住宅楼）过水能力47.26 m3/s,该段河道已全部覆盖,存在不同程度的淤积,污水横流,环境污染较严重。

（3）漪汾街至玉门河

该段河道全长约1 km,河道底宽6 m～9 m 不等,河道淤堵现象严重,河堤为土堤或浆砌片石,河道内污染严重,局部渠段过水能力仅5 m3/s～8 m3/s。大黑水河接入玉门河处,纵坡小,过流能力差,当玉门河水位较高时,会对大黑水河造成顶托,影响大黑水河的排除。

4 方案调整的必要性

北排洪沟北岸的大黑水河泵站及雨水调蓄池在工程实施过程中,在工程场地中央挖出2 m 直径的引黄管道,管道埋深约2 m,引黄管道从原设计调蓄池中央穿过,且高出调蓄池底2 m。当雨洪水进入调蓄池时,势必会对引黄管的使用造成影响。且调整方案拟增大泵站规模,泵站的占地面积也相应增加,在不增加征地的前提下,需压缩调蓄池的占地面积。调蓄池容积基本不变,占地面积变小,调蓄池深度增加,受较高的地下水位影响,调蓄池结构形式必须改成全地下钢筋混凝土结构。因此,本次方案将泵站及调蓄池调整为以引黄管道为界,管道南侧布置为半地下泵站,管道北侧布置为全地下钢筋混凝土调蓄池,引黄管道两侧各预留10 m 保护距离。

要解决大黑水河流域现状存在问题,除了利用现状大黑水河以外,还必须为区域内排水找到新的路由。由于大黑水河下游段排水条件差,又不具备改造条件,所以应尽量在上游有条件处增设排水设施,保证将大黑水河雨洪水高水高排,减轻大黑水河下游排水压力。根据以上原则,本次调整了原设计方案,形成了新的排水方案。

5 调整方案优化设计

5.1 综合原方案设计方案进行优化

太古岚铁路至北排洪沟范围内排水标准低,现状大黑水河过流能力不足,无法满足提高标准后的城市雨水及调蓄后的边山支沟的洪水的负荷,需要增加该范围内新的排水路由,减轻现状大黑水河的排水压力。因此,本次调整方案设计在昌盛东街下设置480 m长排水暗涵,暗涵断面为2孔3 m×2 m,将大黑水河上游来水接入新修建的太白路下的排水系统。

北排洪沟以南段大黑水河过流能力差,排水负担重。为解决该问题,本次调整方案设计对原方案设计中北排洪沟以北的雨水调蓄池的容量、面积、形式及泵站的规模进行了调整,增大原设计泵站抽排能力,将原设计流量6 m3/s,提高到30 m3/s,将北排洪沟以北的大黑水河来水全部抽排入北排洪沟,使大黑水河下游渠道仅负责排除下游沿线城市雨水,减轻了下游排水压力。超过泵站抽排能力的超标雨水进入调蓄池内,洪峰过后再抽排入北排洪沟。同时,保留现状大黑水河下穿北排洪沟处的倒虹,做为超标水量备用的排水出路。本次泵站及调蓄池的调整方案,仍利用原方案中已批复的泵站调蓄池的位置和占地面积,无需增加征地拆迁面积。

5.2 雨水计算

5.2.1 汇水范围

根据周边已经形成及正在形成的雨水系统,按照高水高排的原则,确定的调蓄池雨水汇水范围如下：西起西环高速公路,东至滨河西路,北起柴化公路,南至汾西街（西南环线以西）、北排洪沟。汇水面积约1256 hm2。

5.2.2 计算公式及参数

（1）暴雨强度公式

式中：q 为设计暴雨强度,L/（s·hm2）；P 为设计重现期,a；t 为降雨历时,min；t1为地面集水时间,取10 min；t2为管渠内雨水流行时间,min。

（2）调蓄池计算公式（脱过系数法）：

式中：V 为调蓄池有效容积,m3；α为脱过系数,取值为调蓄池下游设计流量和上游设计流量之比；Q 为调蓄池上游设计流量,m3/min；b、n 为暴雨强度公式参数；t 为降雨历时,min。

（3）调蓄池放空时间公式：

式中：t0为放空时间,h；V 为调蓄池有效容积,m3；Q'为下游排水管渠或设施受纳能力,m3/s；η为排放系数。

（4）径流系数：规划建设区采用综合径流系数￠=0.65,调蓄池放空时间不大于6 小时,排放效率0.6。

5.2.3 计算成果

雨水设计流量采用推理公式计算,调蓄池采用脱过系数法计算。由于汇水面积大于200 hm2,采用数学模型Infoworks ICM 模型校核。以下通过对一年一遇、两年一遇、三年一遇的排水标准进行计算比较,确定合理的设计方案。

（1）推理公式及脱过系数计算结果

经计算,P=1 年汇水范围流量为Q=33 m3/s；P=2 年汇水范围流量为Q=42 m3/s；P=3 年汇水范围流量为Q=47 m3/s。集中转输大黑水河上游洪水及边山支沟调蓄后洪水11 m3/s,P=1 年,调蓄池进水流量按44 m3/s,脱过流量30 m3/s,经脱过系数法计算,调蓄池池容V=5.3 万m3；P=2 年,调蓄池进水流量按53 m3/s,脱过流量30 m3/s,经脱过系数法计算,调蓄池池容V=9.1 万m3；P=3 年,调蓄池进水流量按58 m3/s,脱过流量30 m3/s,经脱过系数法计算,调蓄池池容V=11.5 万m3。

（2）Infoworks ICM 模型计算校核结果

模型计算假定,由太白路雨水方涵集中转输洪水流量11 m3/s。

调蓄池泵站进水对应的峰值流量、调蓄池池容及水泵累计抽升流量见图1。

由图可知,泵站单孔进水涵流量于2 小时15 分钟达到最大,为8.16 m3/s,四孔流量总计32.64 m3/s；水泵累计抽升雨水量总计33.53 万m3；降雨在5 小时10 分钟需要调蓄池池容最大为2.03 万m3。

2）P=2 年

调蓄池泵站进水对应的峰值流量、调蓄池池容及水泵累计抽升流量见图2。

图2 大黑水河泵站进水管线（单线）流量随时间的变化（P=2 年）

由图2 可知,泵站单孔进水涵流量于2 小时05 分钟达到最大：11.93 m3/s,四孔流量总计47.72 m3/s；水泵累计抽升雨水量总计36.41 万m3；降雨在4 小时55 分钟需要调蓄池池容最大为6.71 万m3。

3）P=3 年

由图3 可知,泵站单孔进水涵流量于2 小时10 分钟达到最大：13.19 m3/s,四孔流量总计52.76 m3/s；水泵累计抽升雨水量总计40.00 万m3；降雨在3 小时10 分钟需要调蓄池池容最大为8.55 万m3。

图3 大黑水河泵站进水管线（单线）流量随时间的变化（P=3 年）

4）根据以上计算结果确定,脱过泵站流量30 m3/s。调蓄池有效池容8.6 万m3。

5.3 两次方案设计内容比较与效果

本次对尚未实施的工程内容进行了变化,利用太白路下排水箱涵,做为增加的一条新的排水通道,增大了北排洪沟北岸泵站的规模,提高了该区域排水标准。

现将两次工程内容变化处列表进行比较见表1。

表1 方案设计实施情况对比

本工程通过以上工程措施,解决了大黑水河太古铁路以南,西环高速公路以西,北排洪渠以北流域面积12.7 km2的山区洪水,以及太古铁路以南,西干渠以西,北排洪渠以北,西环高速以东,流域面积14.33 km2的城市雨水,将流域范围内防洪标准提高到五十年一遇,雨水重现期提高到三年,同时减轻了大黑水河下游的防洪排水压力。

6 结语

通过本次研究,提出了一系列优化设计方案,旨在改善大黑水河流防洪排水体系的性能和安全性。研究结果表明,通过合理规划和科学管理,可以提高大黑水河流防洪排水体系的效率,减少洪灾风险,保护人民生命财产安全,同时注意实施需要考虑到当地的地理环境和社会需求,确保其可持续性和环境友好性,因此,在将来的工作中,可近一步完善优化设计方案,并与当地政府和相关部门合作,共同推动大黑水河流防洪排水体系的优化建设和管理。