王 麗 娟,江 卜 濤,李 曉 寧,王 瑩
(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,天津 300401)
大暴雨或持續(xù)強降雨天氣下,雨水不能及時進入排水管網(wǎng)或其從雨水井溢流出,沿道路轉(zhuǎn)移至地勢低處,導(dǎo)致低洼區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重。高速公路服務(wù)區(qū)發(fā)生內(nèi)澇會出現(xiàn)員工通道積水、出入匝道損毀、停水停電等災(zāi)情,給服務(wù)區(qū)正常工作帶來影響,甚至可能會導(dǎo)致服務(wù)區(qū)的圍墻、護坡及臨近山體塌方,車輛失控引發(fā)交通事故等問題,給人們生命與財產(chǎn)安全帶來隱患。SWMM模型用于已廣泛應(yīng)用于城市內(nèi)澇的預(yù)測和研究,通用性較好。然而傳統(tǒng)的SWMM模型無法同時模擬地下管網(wǎng)滿流與地表漫流的積水高度問題,缺乏地表徑流和雨水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換[1]。為解決傳統(tǒng)一維模型無法處理地表漫流的問題,邵銀霞等[2]提出了包含街道和管道的雙層排水結(jié)構(gòu)計算模型,用來模擬街面積水和過流過程,但當(dāng)區(qū)域較大時,計算量會比較大。SWMM模型中也有類似的雙排水系統(tǒng)理論,雙排水系統(tǒng)是一種既考慮地下管網(wǎng)排水又考慮地表漫流的排水系統(tǒng),在暴雨時期路面徑流系統(tǒng)與地下排水管道系統(tǒng)中的雨水進行不斷交換,形成“豎向環(huán)狀”的排水系統(tǒng)。王兆斌等[3]和路雨等[4]就雙排水系統(tǒng)理論分別對城市下穿隧道和某核設(shè)施廠址進行雨水內(nèi)澇模擬分析,模擬結(jié)果與觀測值和計算值較吻合,但是這兩個案例應(yīng)用情況比較特殊且缺乏具體的建模過程和內(nèi)澇積水解決方案。
本文以服務(wù)區(qū)為例,探索如何建立SWMM雙排水系統(tǒng)理論模型,分析小型排水系統(tǒng)(雨水管網(wǎng))和大型排水系統(tǒng)(路面)[5]的排水情況,并進行低影響開發(fā)(LID)設(shè)計,為排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。
某高速公路服務(wù)區(qū)總占地面積約6 hm2,分別建設(shè)在高速公路兩邊,地勢比高速公路低,三面環(huán)山,不利排水。1970~2009年平均年降水量893 mm,最大年降水量1 409 mm(1983年),最小年降水量575 mm(1997年),相差2.5倍。該服務(wù)區(qū)整體西高東低,最大坡度0.089,最小坡度0.005。因兩邊對稱建設(shè),取一側(cè)分析,排水區(qū)域總面積為約30 000 m2。
圖1 匯水區(qū)域劃分及管道分布Fig.1 Catchment area division and pipeline distribution
SWMM全稱是暴雨管理模型,是一個基于水動力學(xué)的綜合性城市徑流模擬系統(tǒng)。目前已更新至SWMM5.1(V5.1.010)版本,模型具有非常好的操作界面和完善的處理功能,并且結(jié)果可以用多種形式進行直觀的表達[6]。
(1) 地表產(chǎn)流計算。SWMM模型一般將研究區(qū)域劃分為若干個子匯水區(qū)域,每個子匯水區(qū)域根據(jù)地表滲透性可分為有洼蓄量不透水區(qū)、無洼蓄量不透水區(qū)、透水區(qū),將這3個區(qū)域的徑流流量相加即得該子匯水區(qū)域徑流流量[7]。在入滲計算過程中,SWMM提供了經(jīng)典霍頓方程、修正霍頓方程、格林安普特方程、徑流曲線數(shù)值方法4種入滲模型。
(2) 地表匯流計算。地表匯流演算是指各個子匯水區(qū)域?qū)⒂晁畢R集到子匯水區(qū)域出口的演進過程。在SWMM模型中,將各個子匯水區(qū)域近似為一個水深很淺的非線性水庫進行模擬處理。非線性水庫模型是由連續(xù)方程跟曼寧公式耦合進行求解的。
(3) 排水管網(wǎng)匯流計算。SWMM中,管網(wǎng)的匯流過程采用圣維南方程組求解,即聯(lián)立連續(xù)方程和動量方程來求解模擬漸變非恒定流[8],模型中提供了運動波法和動態(tài)波法。
此次研究中采用了動態(tài)波法方程進行模擬,動態(tài)波演算可以考慮渠道蓄水、回水、進口/出口損失、流向逆轉(zhuǎn)和壓力流;可以使模型對實際管網(wǎng)中存在的洪流、超載流進行模擬;對于復(fù)雜多變的水流計算,動態(tài)波的計算能力更穩(wěn)定。
基于SWMM模型,根據(jù)建筑、停車場地和路面分布,并結(jié)合路面坡度及管網(wǎng)布置進行劃分;其中停車場地因為地面中間略高兩邊略低劃分了4個子匯水區(qū)域,4個主要建筑劃分了4個子匯水區(qū)域,公路路面左右各劃分了2個,并根據(jù)服務(wù)區(qū)規(guī)劃圖將剩下區(qū)域分了5個子匯水區(qū)域。最終研究區(qū)區(qū)域被劃分成子匯水區(qū)域15個(ZMJ1-ZMJ15),雨水管段15條(GQ1~GQ15),節(jié)點15個(1~15),排水口兩個(PFK1和PFK2)。
整個研究區(qū)域概化的SWMM模型如圖1所示。
2.3.1 研究參數(shù)設(shè)置
管道埋深、管道入口和出口偏移量、管道直徑、坡度及節(jié)點參數(shù)由雨水管網(wǎng)規(guī)劃圖及借助GIS獲得。匯水面積、管道長度等參數(shù)在SWMM中繪制時自動生成。結(jié)合服務(wù)區(qū)的實際情況及參考《SWMM模型用戶手冊》[6]中列出的推薦值,霍頓模型中的最大入滲率、最小滲透率和衰減速率常數(shù)分別取為80 mm/h、4 mm/h和6.5 h-1;透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別為12 mm和2 mm[9];透水區(qū)和不透水區(qū)的曼寧系數(shù)取0.24[10]和0.015;混凝土管道粗糙系數(shù)為0.014。服務(wù)區(qū)排水系統(tǒng)根據(jù)地形特點被劃分為2條排水干道,2個排水出口,選用在我國排水管渠設(shè)計中常用的芝加哥雨型,查閱相關(guān)資料得到暴雨強度公式:
(1)
式中,q為設(shè)計暴雨強度,L/(s·hm2);t為降雨歷時,min;P為設(shè)計重現(xiàn)期,a。
本次研究P取2,5,20 a;模擬時間t取120 min,降雨峰值比例r取0.40。
2.3.2 模擬結(jié)果分析
對于重現(xiàn)期為2 a一遇的暴雨不發(fā)生管道超載,重現(xiàn)期為5 a和20 a一遇的暴雨均出現(xiàn)部分管道超載,見表1。通過傳統(tǒng)的SWMM水力模擬無法分析超負荷排水形成的雨水地表漫流問題。為了分析地表積水狀況,我們還需要對服務(wù)區(qū)完善建模分析,即采用SWMM中的雙排水系統(tǒng)理論模型。
2.4.1 研究參數(shù)設(shè)置
根據(jù)道路的橫截面數(shù)據(jù)進行建模,將部分路面和路邊側(cè)邊石概化成地面雨水漫流的渠道,如圖2所示,在接有雨水口的雨水井處設(shè)置連接管作為連接街道地表徑流系統(tǒng)和地下排水系統(tǒng)的連通通道,用于模擬兩個排水系統(tǒng)之間的水量交換。將服務(wù)區(qū)概化為9條地表漫流渠道(C1~C9),分別設(shè)置在地下管道GQ14,GQ3,GQ5,GQ6,GQ10,GQ8,GQ9,GQ11,GQ15上,地下管道和地表漫流渠道通過地下管道兩端節(jié)點進行連接,以便地表漫流渠道和地下管道之間的水量交換(如節(jié)點1和節(jié)點8作為地表漫流渠道C1和地下管道GQ14連通通道起水量交換的作用),地表漫流渠道偏移高度依據(jù)地表標(biāo)高及坡度進行設(shè)置。SWMM模型中的橫截面編輯器可用來定義路面渠道的斷面,橫截面是描述底部高程如何隨著天然渠道或形狀不規(guī)則管道橫截面上的水平距離改變而變化的幾何圖形數(shù)據(jù)。本文選擇不規(guī)則橫截面用于模擬表漫流排水,路面寬度、路面橫坡(Sx)坡度和路邊高度根據(jù)實際地表路面斷面情況進行設(shè)定,具體見表2,邊溝坡度依據(jù)地形坡度調(diào)整設(shè)置。
表1 不同暴雨重現(xiàn)期下管道超載情況Tab.1 Pipeline overload under different rainstorm recurrences
圖2 地表系統(tǒng)Fig.2 Surface system
2.4.2 模擬結(jié)果分析
對于重現(xiàn)期為2 a和5 a一遇的暴雨不發(fā)生節(jié)點超載和地表渠道積水;而對于重現(xiàn)期為20 a一遇的暴雨,節(jié)點3,4,5,10出現(xiàn)節(jié)點超載,最大超載深度分別為11,22,5,25 cm。地表漫流渠道C2(ZMJ1、ZMJ4和ZMJ6之間)、C3(ZMJ7內(nèi))、C7(ZMJ3和ZMJ10之間)處將發(fā)生地表積水,最大積水深度分別為22,10,30 cm。最大積水深度發(fā)生在服務(wù)區(qū)東北方向C7處(ZMJ3和ZMJ10之間)為30 cm,主要原因是該處的地勢較低,周邊雨水通過地表漫流由地勢較高的地方匯集到這。此時若遇大量人員停車,積水深度將進一步增加。
表2 地表渠道概化Tab.2 Generalization of the surface channels
通過傳統(tǒng)建模分析可知,對于5 a和20 a一遇的暴雨,服務(wù)區(qū)出現(xiàn)部分管道超載;通過雙排水系統(tǒng)建模分析可知,對于20 a一遇的暴雨服務(wù)區(qū)出現(xiàn)部分節(jié)點超載和地表積水。為保證暴雨時服務(wù)區(qū)的正常工作,有必要對服務(wù)區(qū)的排水系統(tǒng)進行優(yōu)化。低影響開發(fā)(LID)是一種采用源頭控制理念實現(xiàn)雨水控制與利用的雨水管理方法,具有降低雨水匯集速度,延緩洪峰出現(xiàn)時間,降低排水強度,緩解降雨時的排水壓力的作用?;诘陀绊戦_發(fā)(LID)理念,對服務(wù)區(qū)進行低影響開發(fā)(LID)設(shè)計以緩解服務(wù)區(qū)雨水排放問題,除了低影響開發(fā)(LID)外,還有管徑修改等傳統(tǒng)方法也可用于服務(wù)區(qū)排水系統(tǒng)優(yōu)化。
SWMM 5.1版本中提供了生物滯留池、透水鋪裝(瀝青)、綠色屋頂、滲渠、雨水花園、雨水桶、草洼7種LID設(shè)施。這些LID設(shè)施可通過參數(shù)來表示,并結(jié)合SWMM 模型中的調(diào)蓄、滲透及蒸發(fā)等水文過程,實現(xiàn) LID 技術(shù)措施對場地徑流量、峰值流量的效果評估。本例依據(jù)服務(wù)區(qū)的特點,通過綠色屋頂,透水鋪裝(非行車路面),透水瀝青(停車場地及降溫車道)和下凹式綠地這4類措施進行改造[11-15]。綠色屋頂賦予匯水區(qū)ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ7,滲透鋪裝賦予ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ6,ZMJ7,透水瀝青賦予ZMJ4,ZMJ5,ZMJ8和ZMJ9內(nèi)的停車場地內(nèi),除ZMJ11-ZMJ15外,對于非行駛路面均設(shè)置適當(dāng)?shù)南掳际骄G地。為保證安全,行車路面不進行LID改造。將這些LID設(shè)施通過SWMM模型來評估預(yù)期效果,輸入各LID運行參數(shù)[16],綠色屋頂土壤層厚度取80 mm,滯蓄深度取50 mm;透水鋪裝的表面層厚度為100 mm,表面粗糙度為0.014,路面層厚度為150 mm,空隙比為0.21,蓄水層厚度取250 mm;透水瀝青的表面坡度為1.5%,表面粗糙度為0.013,透水層厚度為40 mm,空隙比為0.20;下凹式綠地的表面蓄水深度為150 mm,土壤層厚度為800 mm,孔隙率0.18,蓄水層高度700 mm,空隙比為0.3,導(dǎo)水率0.1;運行模擬。
經(jīng)過LID改造后,服務(wù)區(qū)峰值流量和徑流流量明顯減少,見圖3;地表徑流流量的減少導(dǎo)致進入管道的流量減少,緩解了地下管網(wǎng)排水壓力。再結(jié)合模擬結(jié)果,可以分析得出以下結(jié)論:對于重現(xiàn)期為5 a一遇的暴雨,地下管道已無超載現(xiàn)象;對于重現(xiàn)期為20 a一遇的暴雨,節(jié)點超載情況已消除,地表積水也未出現(xiàn),但GQ1,GQ3,GQ14,GQ15仍出現(xiàn)超載情況。主要是由于這四塊區(qū)域大部分為車行路面,LID比例低。
圖3 5、20 a一遇暴雨LID前后徑流流量Fig.3 Runoff flow before and after LID for a rainstorm of 5 year and 20 year
通過低影響開發(fā)措施(LID)設(shè)計,該服務(wù)區(qū)基本已經(jīng)解決了雨水排放的問題。對于排水要求較高或者LID改造困難的地方,也可以通過管徑優(yōu)化使得區(qū)域排水更加安全可靠[17]。
表3 管道尺寸修改Tab.3 Modification of pipe size m
通過迭代法修改管道的管徑,模擬運行,直到SWMM結(jié)果報告中管渠超載總結(jié)說明沒有管渠超載,而且對于所有管道,管段流量總結(jié)中最大/完全水深比的數(shù)值接近0.85(考慮安全因子為15%,為了減少超載的風(fēng)險)。修改后的管徑及最大/完全深度,見表3。
通過設(shè)置低影響開發(fā)措施LID措施及管道尺寸修改,可保證該服務(wù)區(qū)對20 a一遇的暴雨,不發(fā)生管道超載和地表積水,服務(wù)區(qū)的排水和內(nèi)澇問題能得到有效解決。
(1) 利用雙排水系統(tǒng)理論,可分析模擬出服務(wù)區(qū)地下和地表系統(tǒng)的排水情形;并且可準(zhǔn)確快速地分析地下管網(wǎng)和地表系統(tǒng)的積水狀況,同時可以找出積水點及最大積水深度。
(2) 通過對服務(wù)區(qū)建設(shè)透水瀝青路面、透水鋪裝、下凹式綠地等LID設(shè)施,可有效緩解服務(wù)區(qū)積水問題。但是對于排水要求較高或者LID改造困難的地方,可以通過管徑優(yōu)化使得區(qū)域排水更加安全可靠。
(3) 采用雙排水理論進行積水深度分析,對新老服務(wù)區(qū)排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有一定的理論指導(dǎo)意義,對于其它類似區(qū)域也有借鑒作用。