李保建，詹 健

（1.江西省電力設(shè)計(jì)院，江西南昌 330096；2.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330031）

近年來，極端天氣時(shí)有發(fā)生，給我國(guó)很多大城市帶來了頻繁的洪澇災(zāi)害，暴雨強(qiáng)度也屢創(chuàng)新高［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，我國(guó)492座城市有著防洪任務(wù)，但僅有35.98%的城市滿足規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)。2016年6月，南昌遭遇暴雨襲擊，城區(qū)多個(gè)低洼路段出現(xiàn)內(nèi)澇積水，部分居民小區(qū)路面水深達(dá)1 m，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厝藗兊呢?cái)產(chǎn)安全甚至生命。在當(dāng)前城市化的發(fā)展過程中，必須重視新的城市公共安全問題，即洪澇災(zāi)害［3］。目前，大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)建立了許多城市雨洪模型，其中SWMM模型應(yīng)用較為廣泛［4-8］。

南昌作為江西省會(huì)城市，內(nèi)澇問題日益突出，目前針對(duì)南昌市構(gòu)建雨洪管理模型方面的研究仍鮮有報(bào)道，青山湖片區(qū)是南昌市內(nèi)澇災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，將其作為南昌市內(nèi)澇問題的研究對(duì)象具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本次研究通過分析南昌市青山湖片區(qū)雨洪特點(diǎn)，利用SWMM建立南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型，并結(jié)合青山湖排澇泵站運(yùn)行情況，對(duì)青山湖片區(qū)防澇安全下邊界設(shè)計(jì)水位進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 研究區(qū)域概況

南昌市地處江西北部，市域地形以平原為主，約占總面積的36%，西北部丘陵分布較多，東南地勢(shì)比較平坦，水系河湖分布廣泛。南昌市為亞熱帶季風(fēng)氣候，一年之中夏冬兩季較春秋兩季長(zhǎng)，全年日照比較充足。南昌市年平均降水量約1 500 mm，全年平均降水時(shí)間約合3個(gè)月，平均暴雨天數(shù)約5.6 d。

本次研究選擇的區(qū)域是南昌市多次降雨的主要積水區(qū)，具體范圍為：子固路、十字街、船山路以及井岡山大道以東，青山湖大道以西，廣州路、佛塔路以北，富有大堤以南，區(qū)域面積為52 km2。青山湖片區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 青山湖片區(qū)范圍Fig.1 Range of Qingshan Lake Area

2 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

本次研究通過排水管網(wǎng)概化（圖2）、模型背景圖創(chuàng)建（圖3）、子匯水區(qū)劃分（圖4）、模型初值預(yù)估4個(gè)環(huán)節(jié)初步建立南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型。

圖2 管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topological Structure Diagram of Pipeline Network

圖3 模型背景圖Fig.3 Model Background Image

圖4 子匯水區(qū)劃分圖Fig.4 Sub-Catchment Area Map

選用南昌市有代表性的2場(chǎng)暴雨過程對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，同時(shí)選用南昌市有代表性的1場(chǎng)暴雨過程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定該模型參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)率定結(jié)果表Tab.1 Calibration Results of Main Parameters for the Model

3 不同降雨情景模擬

3.1 不同降雨情景設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)暴雨是人工合成的降雨，它的合成依據(jù)主要有兩個(gè)，即確定的降雨重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)。它可以用來模擬不同降雨情景下的地下管流、坡面流，進(jìn)一步檢驗(yàn)現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力。設(shè)計(jì)暴雨主要對(duì)兩方面內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，即暴雨的時(shí)空分布、平均強(qiáng)度，其中暴雨的時(shí)空分布是由暴雨雨型來表示的。不同的暴雨雨型直接關(guān)系著流域的洪峰流量以及具體的流量過程。在平均降雨強(qiáng)度相同的條件下，均勻雨型與雨峰在中后部的三角形雨型相比，洪峰可以減小30%。

由南昌市的降雨資料可知，在有記錄的短歷時(shí)強(qiáng)降雨中，單峰雨型占多數(shù)，雨峰一般在前中部，且雨峰位置大多在0.3～0.4，基本符合芝加哥雨型的特點(diǎn)，選用該雨型比較合適，本次研究雨峰系數(shù)取0.4。

南昌市暴雨強(qiáng)度如式（1）。

其中：q—暴雨強(qiáng)度，L ／（s·hm2）；

T—重現(xiàn)期，a；

t—降雨歷時(shí)，min。將式（1）以雨強(qiáng)形式表示，則南昌市暴雨強(qiáng)度公式可變換為式（2）。

其中：i—雨強(qiáng)，mm／min。

根據(jù)芝加哥雨型公式，如式（3）。

對(duì)應(yīng)式（2），得出 a＝8.316（1＋ 0.69 lg T），b＝1.4，c＝ 0.64。

根據(jù)南昌市青山湖片區(qū)的實(shí)際情況，經(jīng)綜合考慮，按重現(xiàn)期分別為 0.5、1、2、5、10 a五種重現(xiàn)期下、120 min歷時(shí)的降雨作為設(shè)計(jì)暴雨。將整個(gè)降雨歷程離散為 5 min 的序列，將 t1＝ 5、10、15、20、25、30、35、40、45 min，t2＝ 50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120 min 化作以鋒為起點(diǎn)的降雨，可得設(shè)計(jì)暴雨雨強(qiáng)的具體結(jié)果，如表2所示。設(shè)計(jì)暴雨降雨過程線如圖5所示。

表2 暴雨雨強(qiáng)計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.2 Summary Sheet of Calculation Results for Rainstorm Intensity

續(xù) 表

圖5 設(shè)計(jì)暴雨降雨過程線Fig.5 Design Rainstorm Rainfall Process Line

3.2 青山湖水位變化情景設(shè)計(jì)

對(duì)于子匯水區(qū)，單次降雨是其上游邊界條件，雨水口的入流過程是其下游邊界條件。對(duì)于管網(wǎng)，雨水口的入流過程是其上游邊界條件，下游管道出水口水流狀態(tài)是其下游邊界條件。從整個(gè)排水系統(tǒng)來看，具體的降雨情景是研究區(qū)域的上游邊界條件，排出口的水流狀態(tài)是其下游邊界條件，這里主要是指青山湖的水位，下游邊界條件青山湖水位為常水位17.50 m。

對(duì)于在青山湖湖畔的雨水排放口，其下游出流條件與青山湖水位密切相關(guān)，因此選用不同的青山湖水位來描述雨水排水系統(tǒng)的下游邊界條件。青山湖水位由青山閘、青山湖電排站調(diào)控，本次模擬采用恒定的水位值作為下游的邊界條件。模擬中采用青山湖的3個(gè)特征水位，即汛期最高水位19.50 m，監(jiān)測(cè)最低水位16.02 m，以及常水位17.50 m。

南京東路尾端出水口的底部標(biāo)高為16.63 m，出水管的管徑為1.4 m。結(jié)合青山湖的3個(gè)特征水位可以發(fā)現(xiàn)，該排放口分別為完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態(tài)。水位變化設(shè)計(jì)情景如表3所示。

表3 水位變化設(shè)計(jì)情景表Tab.3 Design Scenes of Water Level Variation

4 雨洪聯(lián)合調(diào)度方案研究

4.1 青山湖水位變化的影響

在特定的降雨情景下，通過觀察出水口水深變化過程線、流量變化過程線，可發(fā)現(xiàn)不同青山湖水位對(duì)出水口出流量的影響。具體影響為：當(dāng)出水口被完全淹沒時(shí)，由于青山湖內(nèi)水體的頂托作用，排水管網(wǎng)的排水能力受到了很大的影響；當(dāng)出水口在半淹沒狀態(tài)下時(shí)，剛開始受青山湖內(nèi)水體的影響，排水過程有小幅度的震蕩，但從整體上看與出水口處于自由出流狀態(tài)時(shí)基本沒有差別，因此出水口在半淹沒狀態(tài)時(shí)，青山湖內(nèi)水體對(duì)排水管網(wǎng)的排水能力影響不是很大。具體出水口水深變化過程與流量過程如圖6、圖7所示。

4.2 青山湖片區(qū)防澇安全下邊界水位分析及優(yōu)化

在本研究中，模擬排出口全淹沒狀態(tài)開始時(shí)，離排出口最近的兩管段由于回灌的青山湖湖水，模擬管道中就已經(jīng)有水了，并且節(jié)點(diǎn)開始蓄水，整個(gè)降雨過程中，管道內(nèi)的水位幾乎沒有什么變化。當(dāng)出水口完全淹沒時(shí)，排水管網(wǎng)的排水能力明顯下降的主要原因?yàn)橄掠嗡灰恢辈荒芟陆?。?dāng)青山湖水位較高致使排出口處于全淹沒狀態(tài)時(shí)，雨水徑流無法順利地直排，因此，為了滿足強(qiáng)降雨條件下雨水徑流的排放任務(wù)，必須保證青山湖電排站的機(jī)排能力，適時(shí)地對(duì)青山湖水位進(jìn)行調(diào)整。

圖6 出水口水深變化過程線Fig.6 Change Process Line of Outlet Water Depth

圖7 出水口流量變化過程線Fig.7 Change Process Line of Outlet Flow

分析以上研究，在排水管網(wǎng)自身滿足排水能力的前提下，還應(yīng)考慮受納水體對(duì)排水管網(wǎng)的作用，即排出口須處在自由出流、半淹沒狀態(tài)下，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力才能較好地發(fā)揮出來。由青山湖片區(qū)的區(qū)域面積以及在不同重現(xiàn)期下的實(shí)際徑流量，計(jì)算出不同重現(xiàn)期條件下的匯入量，將匯入量以青山湖水深的形式表述，結(jié)合排出口的標(biāo)高關(guān)系，可得青山湖的控制水位，最終確定雨洪聯(lián)合調(diào)度方案。具體計(jì)算如表4所示。

表4 青山湖控制水位計(jì)算表Tab.4 Calculation of Water Control Level of Qingshan Lake

由表4可知，當(dāng)重現(xiàn)期為0.5、1 a時(shí)，青山湖需控制的水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足雨水量要求；但當(dāng)重現(xiàn)期為2、5、10 a時(shí)，青山湖需控制的水位分別為 17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位，此時(shí)應(yīng)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)等技術(shù)手段，根據(jù)可能發(fā)生的降雨等級(jí)預(yù)先響應(yīng)，青山湖部分水量通過排澇泵站排至贛江，使水位降至預(yù)定位置，避免出現(xiàn)淹沒出流導(dǎo)致下游頂托，從而大大影響管網(wǎng)排水能力，產(chǎn)生內(nèi)澇現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合南昌市青山湖片區(qū)概況，構(gòu)建南昌市青山湖片區(qū)雨洪管理模型，利用芝加哥雨型及其合成方法，設(shè)計(jì)了 0.5、1、2、5、10 a 五種不同重現(xiàn)期下的降雨情景。根據(jù)青山湖最高水位、最低水位以及常水位，設(shè)計(jì)了排放口完全淹沒、自由出流以及半淹沒狀態(tài)3種狀態(tài)情景。當(dāng)重現(xiàn)期為0.5、1 a時(shí)，青山湖所需控制水位分別為17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，滿足要求；但當(dāng)重現(xiàn)期為2、5、10 a時(shí)，青山湖所需控制水位分別為17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位17.50 m，此時(shí)需通過青山湖電排站進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免發(fā)生內(nèi)澇。

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