基于暴雨洪水管理模型的菊树北涌排涝评估及综合整治

林希璐

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广州 510635)

0 引 言

随着城市化进程的不断推进,城市土地的不透水面积增加,导致雨水无法迅速渗透到地下,加上排水系统的不完善,使城市内涝成为普遍存在的问题[1]。频繁的暴雨事件和不完善的排涝系统,导致城市经常面临洪水的威胁,给居民的生活和财产安全带来巨大的风险[2]。

为了解决菊树北涌排涝问题,基于暴雨洪水管理模型的评估和综合整治成为一种有效的方法。该模型能够模拟和预测暴雨洪水过程,评估现有排涝系统的性能,并提供科学的洪水管理和排涝决策支持。本文针对菊树北涌排涝能力面临着日益严峻的挑战以及现有排涝系统存在的问题,如排水管道狭窄、泵站容量不足等,提出相应的改进和优化方案。本次研究的创新点是对菊树北涌排涝系统的模拟和分析,并深入了解其存在的问题和瓶颈,提出相应的改进方案和措施,以期提高菊树北涌的排涝能力和抗洪能力,为菊树北涌的排涝问题提供科学的解决方案,提高该区域的防洪排涝能力,保障居民的生活和财产安全。研究结果可为其他城市的排涝工程和洪水管理提供借鉴和参考,推动城市的可持续发展和安全运行。

1 暴雨洪水管理模型在菊树北涌排涝中的应用

1.1 菊树北涌排涝工程概况

本次研究对象是菊树北涌综合整治工程,位于广州市荔湾区。菊树北涌综合整治工程的整治长度0.79km,概算总投资2 021.16万元。工程任务主要是排涝和堤岸整治,其次是水景观建设。整治起点为菊树北涌汇入大和涌处,终点为菊树北涌闸泵。本次的整治长度为0.825km,在整治过程中,预计河宽设计8.3～12.2 m,设计河底高程约-0.45～-0.2m。菊树北涌为海龙围内的排涝河道,设计排涝流量4.39m3/s。河道的整治内容包括堤岸重建、桥涵拆除重建。排涝综合整治工程是为了解决城市内涝问题而进行的一系列综合性工程,其主要任务是通过改善排水系统、优化水资源利用和改变城市规划,提高城市的排涝能力和抗洪能力。

排涝综合整治工程首先对城市的排涝状况进行调查和评估,包括收集历史洪水和内涝数据,分析排水系统的瓶颈和问题,确定治理的重点区域和目标。然后根据调查和评估结果,制定排涝综合整治的规划和设计方案。其次根据规划和设计方案,进行排涝综合整治工程的建设和施工,包括土地开挖、管道安装、泵站建设等工程活动。完成排涝综合整治工程后,需要进行运行和维护工作,确保排涝系统的正常运行。最后对排涝综合整治工程进行管理和监督,确保工程的质量和效果。通过改善排水系统、合理规划城市,可以有效应对暴雨洪水和内涝问题,提高城市的生活质量和安全性。

本次研究尝试基于暴雨洪水管理模型进行菊树北涌排涝综合整治,暴雨洪水管理模型是用来预测和管理暴雨引发的洪水的一种数学模型。这种模型基于大气条件、地理地形和水文特征等因素,通过建立数学方程和模拟方法,模拟暴雨洪水的发生和演变过程,以提供预警和决策支持。因此,在暴雨洪水管理模型的基础上,应用设施景观设计技术(Low Impact Development, LID),其模型见图1。

基于暴雨洪水管理模型的LID是一种综合性的策略,旨在减少暴雨洪水的影响,并改善水资源管理[3-4]。它采用多种措施来模拟和管理暴雨引起的径流,减少洪水风险,并提高水质。包括雨水收集,通过安装雨水桶、雨水花园、地下蓄水池等设施,用于收集和储存降雨水,这样可以减少径流量,延缓洪水的形成。通过绿地建设增加绿地覆盖,包括绿色屋顶、雨水花园、湿地等,这些绿地可以吸收和滞留降雨水,减少径流和提供生态系统服务[5]。其次采用透水铺装材料,如透水混凝土、透水砖等,降低地面径流产生的速度和量。同时,利用植被、湿地植被等进行生物工程修复,提高土壤的保水能力和降雨水的滞留时间。

1.2 暴雨洪水管理模型在排涝中的应用

暴雨洪水管理模型是一种用于评估和管理城市洪水风险的工具[6]。该模型通过模拟暴雨洪水事件的发生和传播过程,预测洪水的淹没范围和水位,并提供洪水预警和灾害应对的建议[7-8]。在排涝中利用暴雨洪水管理模型,可以进行城市排涝系统的规划和设计,通过模拟不同降雨强度和频率的暴雨事件,评估排涝系统的能力和脆弱性,确定合适的排涝设施和容量,以应对不同级别的洪水[9]。暴雨洪水管理模型中,通过模型的计算,可以预测洪水事件中的径流量大小,并预测洪水事件中的水位变化情况。

为了评估模拟结果与实测数据的一致性和可信度,采用变异系数进行分析,变异系数如下:

(1)

为了描述降雨事件的频率和概率,采用降雨重现期指标进行分析,降雨重现期是洪水管理和排涝规划中重要的参考指标。通过对历史降雨数据的分析和统计,可以确定不同重现期下的降雨强度。这些数据对于城市排涝系统的设计和建设非常重要,因为排涝系统需要具备足够的容量和能力来处理不同重现期下的降雨事件,以保障城市的排涝效果。

为了选择菊树北涌的降雨情景,将短历时重现期设置为1、2、3、5年;为了考察菊树北涌管网排水能力,将重现期设置为10、20、30、50年。其中,短历时降雨暴雨表达式如下:

(2)

式中:q为降雨强度;T为设计的重现期;t为降雨历时。

暴雨洪水管理模型可以提供准确的洪水预警信息,及时预测洪水的发生和发展趋势[10],有助于城市管理部门做出及时的应急响应,调动救援力量和资源,保障人民生命财产的安全。为了验证模型的合理性,通过不同重现期下相关水文数据的相应变化进行研究,结果见图2。

图2 不同降雨重现期菊树北涌水文数据变化情况

图2为菊树北涌水文数据在不同降雨重现期下的相应变化趋势。由图2可知,除降雨量以外,随着降雨重现期的增加,菊树北涌的径流总量、排放总量、下渗量与降雨重现期的变化呈正相关变化关系。其中,当降雨重现期大于3年时,系统的径流总量大于系统的排放总量,表明内涝的出现。这是由于排水系统不足或者排水设施堵塞等原因,导致地表积水严重。但由图2可以看出,无论是重现期为1年还是为50年,在所有重现期内,系统径流总量、排放总量、下渗量均随着重现期的增加而攀幅量较大。其主要原因是极端降雨事件如暴雨会导致短时间内降下大量的雨水,超出排水系统的处理能力,雨水排水系统包括下水道、暗管、排水沟等设施。如果这些设施的设计容量不足或者建设不完善,就会导致雨水无法迅速排出,最终造成内涝。从图2还可以看出,系统径流总量的变化趋势与整个系统的变化趋势保持一致,而径流峰值与净流量也随着重现期的增加而增加,由此可知本次研究的暴雨洪水系统具有一定的合理性。

暴雨洪水管理模型在城市排涝中的综合整治过程是通过模拟和预测暴雨洪水过程,以及评估和优化排涝系统的设计和运行,从而提供科学的洪水管理和排涝决策支持来进行的。具体来说,首先收集和整理相关的地理数据,包括地形数据、降雨数据、排水系统数据等。这些数据可以通过现场调查、卫星遥感、气象观测等方式获取,并进行处理和转换,以便在模型中使用;接着基于历史降雨数据和气象模型。其次根据城市的地形和排水系统的参数,结合暴雨模拟和预测结果,可以建立排涝系统的数学模型。最后基于模型模拟结果,可以评估城市区域的洪水风险,包括淹没范围、淹水深度等指标。根据评估结果,可以提出相应的洪水应对建议,如建设防洪墙、调整土地利用等,以减少洪水灾害的影响。总之,暴雨洪水管理模型通过模拟和预测暴雨洪水过程,以及评估和优化排涝系统的设计和运行,为菊树北涌排涝提供科学的决策支持。

2 暴雨洪水管理模型在菊树北涌的排涝效果分析

2.1 排水防涝能力评估

为了评估暴雨洪水模型在菊树北涌排涝问题中的应用效能,首先对菊树北涌的流量平衡状态进行评估,连续性误差是评估水量流量模型准确性的重要指标。通过研究连续性误差,可以了解模型输出与实际情况之间的差异,并评估模型的可靠性和准确性。在城市排水防涝中,如果模型的连续性误差较大,可能导致对排水系统的评估和优化不准确,进而影响城市的防涝能力。评估结果见表1。

表1 水量变化在不同降雨重现期下的数值

研究连续性误差与城市排水防涝能力的关系,有助于提出改进模型和优化排水系统的策略。由表1可知,随着重现期的增加,下渗量与径流量的比值逐渐减小,从0.69减少至0.5,表明在研究模型下排水问题得到显著改善。由此可知,暴雨洪水管理模型的模拟结果合理。通过深入研究连续性误差的成因,可以针对性地改进模型和优化排水系统,减小误差,并提高排水系统的效率和防涝能力,有利于进行下一步研究。将改造后的径流总量、峰值流量、下渗量及超载管道的削减率进行比较,得出暴雨洪水系统在菊树北涌排涝中的作用,分析结果见图3。

图3 排水能力评估

图3为暴雨洪水管理在菊树北涌的排水能力评估结果图。由图3可知,随着重现期的增加,径流系数下降,重现期为50年时,总削减率超过20%。同样,随着重现期的增加,峰值流量也呈下降趋势,由此可以得知暴雨洪水系数有效减缓了内涝,同时提高了洪水的排放量,当重现期为10年时,径流峰值削减18%以上。随着重现期的增加,洪水下渗量呈增加趋势,到重现期为50年时,下渗率增加25%以上,表明暴雨洪水系统对菊树北涌的水土流失起到有效的整治作用。而从超载管道看,随着重现期的增加,区域的超载管道呈现出下降趋势,由此可以得出研究系统减少了区域管网的洪水负担,在重现期为50年时,对超载管道的削减效果达到最好削减率为38%。综上可知,研究的暴雨洪水管理系统可以有效减少洪水的径流量与径流峰值,有利于菊树北涌的内涝整治与洪水排放,提高洪水管理能力。

2.2 暴雨洪水管理技术在菊树北涌的实际应用效果分析

节点作为排水系统中的关键组成部分,负责接收和排放雨水,因此通过研究节点溢流情况,可以了解排水系统在暴雨等极端条件下是否能够正常运行。因此,为了评估暴雨洪水管理系统在菊树被涌中的实际应用效果,通过对排水系统中的节点溢流情况对排涝效果进行直观的分析。对不同降雨重现期的节点溢流情况的分析结果见表2。

表2 节点在不同降雨重现期的溢流情况

由表2可知,当降雨重现期为1～5年时,菊树北涌的节点过载管道超过40,其过载率由59%降为41%,过载量减少18%,且随着重现期的加大,相应的节点最大溢流量呈下降趋势。当重现期超过10年时,节点溢流的个数出现明显减少的趋势;当重现期为50年时,节点溢流个数减少到8,过载率仅为8%,节点溢流时间缩减为0.01h。由此可知,暴雨洪水系统在城市内涝中有着明显的改善效果。

根据应用模型前后菊树北涌地区的径流过程变化线,对其排涝应用能力进行评估,结果见图4。图4(a)为重现期为5年时改造前和改造后径流量过程变化;图4(b)为重现期为10年时改造前和改造后径流量过程变化;图4(c)为重现期为50年时改造前和改造后径流量过程变化。

图4 不同重现期下排放口径流过程变化线

由图4可以看出,在不同的重现期下,菊树北涌的径流量在改造后都有明显的削弱现象。当重现期为50年时,改造后的径流量比改造前的径流量削弱20m3。与降雨峰值相比,径流峰值均有明显的后延趋向,径流峰值相比于降雨峰值延迟0.2h。由此可知,暴雨洪水管理系统有利于缓解菊树北涌地区的内涝现象。综上可知,暴雨洪水管理系统在菊树北涌地区的排涝应用中有着显著的效能,不仅能够减少系统管网的洪水负载量,同时能够减少雨水径流量。

3 结 论

针对菊树北涌地区内涝问题亟待解决的现状,本文提出了利用设施景观设计技术的暴雨洪水管理模型对河道进行改建,并对暴雨洪水管理模型进行了性能对比试验。结果显示,在重现期为50年时,对超载管道的削减效果达到最好削减率为38%;当重现期为50年时,节点溢流个数减少至8,过载率仅为8%。最长的节点溢流时间仅为0.01h;当重现期为50年时,改造后的径流量比改造前的径流量削弱20m3。研究表明,暴雨洪水管理模型可以有效解决菊树北涌地区的内涝问题。