吳顏科

摘 要：岳陽老城區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，每逢汛期，低洼片區(qū)常出現(xiàn)積水問題，對居民日常出行造成影響。因受建設(shè)條件制約，通過排水系統(tǒng)翻排或者源頭治理方式解決內(nèi)澇問題難度較大。本文以高家巷片區(qū)積水點(diǎn)改造為實(shí)例，在管網(wǎng)末端增設(shè)離線調(diào)蓄塘，并采用脫過系數(shù)與SWMM模型分別計(jì)算池容，以期對城市內(nèi)澇治理工程提供思路與方法支撐。

關(guān)鍵詞：內(nèi)澇;雨水調(diào)蓄;SWMM模型;有效容積

在城市快速發(fā)展以及全球氣候變化的背景下，城市內(nèi)澇問題日益頻發(fā)，暴露出城市排水系統(tǒng)存在的問題[1]。新城區(qū)建設(shè)過程中可通過雨水管道重現(xiàn)期的提升或降低徑流系數(shù)方式，有效的避免內(nèi)澇問題。老但城區(qū)往往存在規(guī)劃不合理或歷史欠賬問題，導(dǎo)致排水系統(tǒng)較為復(fù)雜，建設(shè)條件差，改造難度較大，是當(dāng)今老城區(qū)排水系統(tǒng)改造過程中面臨的難點(diǎn)問題。筆者以岳陽高家巷易澇區(qū)為例，通過離線調(diào)蓄方式緩解內(nèi)澇問題，以期為相關(guān)工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

岳陽高家巷易澇區(qū)位于岳陽市主城區(qū)，排水體制為雨、

污分流制。本工程雨水匯水分區(qū)面積約33 ha。區(qū)域現(xiàn)狀內(nèi)的雨水主要通過1.5 m×1.5 m雨水溝渠自南向北排入東風(fēng)湖（系統(tǒng)圖詳見圖1），東風(fēng)湖最高水位27.5 m。內(nèi)澇主要積水段為高家巷與易家巷交叉口附近，該處地勢較低（與周邊地塊高差約2 m）。且此點(diǎn)設(shè)有一處雨水溝渠檢查口（格柵蓋板）。跟據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大暴雨時期，雨水主要通過檢查口溢流至周邊地塊，產(chǎn)生“涌水”現(xiàn)象，周邊居民住宅內(nèi)積水深度最高可達(dá)1.5 m，嚴(yán)重威脅到居民的生命安全與財(cái)產(chǎn)安全。管渠CCTV檢測結(jié)果顯示，雨水溝渠健康情況良好，不存在結(jié)構(gòu)性或功能性缺陷情況。

2 高家巷地塊內(nèi)澇原因分析

研究表明，導(dǎo)致城市內(nèi)澇原因眾多，可以概括為以下幾點(diǎn)[2]：（1）下游水位頂托，導(dǎo)致雨水重力自流無法順利排放，低洼地區(qū)容易出現(xiàn)內(nèi)澇;（2）原有雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水能力不足;（3）城市總體雨水調(diào)蓄能力降低;（4）因全球氣候變暖，暴雨強(qiáng)度逐年增大，極端天氣頻發(fā);（5）隨著城市發(fā)展，透水性地面不斷減少。從本工程角度出發(fā)，引發(fā)內(nèi)澇的直接原因從下游頂托與排水能力兩點(diǎn)進(jìn)行解析。高家巷地塊最低點(diǎn)地面標(biāo)高為29.64 m，

排放水體最高水位27.5 m，管渠水損為0.98 m，利用重力自流可滿足排放要求。借助水力計(jì)算及SWMM模型，分別在P=1年與P=3年條件下對現(xiàn)狀管渠排水能力進(jìn)行分析。水力計(jì)算詳見表1，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期P取1年時，設(shè)計(jì)流量與管渠的最大過流能力差值為+62.56 L/s，滿足地塊雨水排放要求;當(dāng)暴雨重現(xiàn)期P取3年時，設(shè)計(jì)流量與管渠的最大過流能力差值為-1 276.75 L/s，設(shè)計(jì)流量已超過其最大排放能力。

利用SWMM模型分別模擬暴雨重現(xiàn)期P=1、P=3年情況下，管渠內(nèi)不同時刻的水位變化情況。根據(jù)模型動態(tài)演示結(jié)果，雨水管渠在暴雨重現(xiàn)期P=1情況下，所有節(jié)點(diǎn)均未出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行情況。當(dāng)暴雨重

現(xiàn)期P=3年時，節(jié)點(diǎn)5出現(xiàn)內(nèi)澇積水現(xiàn)象?？v斷面水位變化（暴雨重現(xiàn)期P=3）請?jiān)斠妶D2。通過兩種方法分析可知，現(xiàn)狀排水管渠尺寸偏小是本區(qū)域產(chǎn)生內(nèi)澇的關(guān)鍵原因。

3 易澇點(diǎn)改造方案

3.1 總體方案

高家巷片區(qū)位于老城區(qū)，現(xiàn)狀道路下管線錯綜復(fù)雜，工程建設(shè)實(shí)施難度較大，若采用灰色調(diào)蓄池形式，工程造價較高?；谝陨显颍⒔Y(jié)合景觀以及現(xiàn)場用地等情況，本工程在高家巷與易家巷附近設(shè)置離線調(diào)蓄塘。通過溢流管道將雨水箱涵與調(diào)蓄塘相連。小雨時期，雨水直接排放至東風(fēng)湖;暴雨時期，雨水管渠內(nèi)出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象時，“過載”雨水通過溢流管排入擬建雨水塘內(nèi)，其原理如下圖3所示。待天晴后，塘內(nèi)儲存的雨水通過重力管渠與提升泵排放至箱涵內(nèi)。

3.2 調(diào)蓄塘容積確定

調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算方法并不唯一，根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》（GB1174-2017）[4]，調(diào)蓄設(shè)施用于削減洪峰流量時，其容積可采用出、入流過程線法。當(dāng)受條件制約時，可采用脫過系數(shù)公式。因調(diào)蓄設(shè)施容積與造價、排澇效果密切相關(guān)，且一旦實(shí)施完成將難以改造，是工程設(shè)計(jì)過程中極為重要一環(huán)[3]。因此，本次調(diào)蓄塘容積的計(jì)算分別采用SWMM模型以及傳統(tǒng)脫過系數(shù)公式兩種方法相互對比后確定，以期為調(diào)蓄設(shè)施設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014-2006（2016版），內(nèi)澇重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)P取30年。

3.2.1 脫過系數(shù)法

V=[-（0.16/n1.2+b/t×0.5/（n+0.2）+1.1）]lg（a+0.3）+0.215/n0.15]×Q×t

式中：V --調(diào)蓄池有效容積m3;

b、n--暴雨強(qiáng)度參數(shù);

t--降雨歷時min;

a--脫過系數(shù)，取值為調(diào)蓄塘下游設(shè)計(jì)流量和上游設(shè)計(jì)流量之比;

Q--上游設(shè)計(jì)流量（m3/min）。

有相關(guān)研究表明[5]，采用傳統(tǒng)脫過系數(shù)公式計(jì)算，管道達(dá)到最大設(shè)計(jì)流量時，對應(yīng)池容非最大，應(yīng)適當(dāng)延長相應(yīng)降雨歷時。因此，本次降雨歷時分別選用t=20 min（對應(yīng)最大設(shè)計(jì)流量），40 min，60 min，70 min（當(dāng)降雨歷時進(jìn)一步取高值時，上游設(shè)計(jì)流量將小于下游設(shè)計(jì)流量），計(jì)算結(jié)果見下表所示。

由表2可知，隨著降雨歷時取值不斷增大，調(diào)蓄塘計(jì)算池容呈遞減趨勢，當(dāng)設(shè)計(jì)流量最大時（即降雨歷時取20 min），調(diào)蓄池池容最大。

3.2.2 SWMM模型法

SWMM是由美國環(huán)保部門研發(fā)的一種可動態(tài)模擬徑流過程的計(jì)算程序。本工程所采用的降雨事件模擬是根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式合成，單次降雨歷時取180 min，芝加哥雨峰系數(shù)取0.4。模型參數(shù)設(shè)定依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]與SWMM模型手冊[7]。在概化模型中（見圖4），研究區(qū)域共分為8個分區(qū)，7個節(jié)點(diǎn)，本工程在節(jié)點(diǎn)5附近設(shè)置離線調(diào)蓄塘，即節(jié)點(diǎn)7。根據(jù)相關(guān)研究，在假定調(diào)蓄塘不發(fā)生溢流前提下（即設(shè)置調(diào)蓄塘的體積無限大），降雨量隨著降雨時間的不斷增加，而調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水量逐漸降低為零，調(diào)蓄容積趨向于定值，此值即為有效調(diào)蓄容積。

模擬結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明在初雨時期，所收集雨水將直接外排，調(diào)蓄塘儲水體積為零。當(dāng)降雨0.8 h后，調(diào)蓄塘蓄水量不斷增加。降雨歷時大于1.25 h后，蓄水量可達(dá)6 000 m3。結(jié)合表2可知，采用脫過系數(shù)法時計(jì)算容積為5 895.02 m3，與采用SWMM模型模擬結(jié)果相近。為確保排澇效果，取兩者最大值。因此本工程調(diào)蓄池有效池容采用6 000 m3。

3.3 調(diào)蓄塘出水設(shè)計(jì)

調(diào)蓄塘出水方式可分為重力流與壓力流兩種形式。因受標(biāo)高限制，設(shè)計(jì)中往往采用單一壓力出水形式，雖然技術(shù)可行，但不利于節(jié)能。本方案采用重力與壓力流相結(jié)合形式。調(diào)蓄塘內(nèi)9.0 m～10.0 m水位區(qū)間的存儲雨水（本工程雨水箱涵涵底標(biāo)高9.0 m，10.0 m為調(diào)蓄塘最高水位）通過DN600管道重力排放至1.5 m×1.5 m雨水管涵，調(diào)蓄塘7.5 m～9.0 m

水位區(qū)間的雨水（7.0 m為調(diào)蓄塘最低水位）通過2臺140 m3/h提升泵排出。

t=V/3 600Q'η

式中：t--放空時間h;

Q'--下游排水管道的受納能力m3/s;

η--排放效率，一般取0.3～0.9，本次設(shè)計(jì)取0.9。

考慮到重力與壓力排放動態(tài)疊加，排放時間按最不利情況考慮，即全部按照壓力排放。排空時間t由上式計(jì)算得出約為24 h。

4 結(jié)論

（1）本工程自2019年竣工以來，高家巷內(nèi)澇情況基本消除，取得良好環(huán)境效益與社會效益。（2）當(dāng)采用脫過系數(shù)法公式，降雨歷時在采用管渠最大設(shè)計(jì)流量條件下，調(diào)蓄塘容積最大。（3）調(diào)蓄容積是本工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，從計(jì)算結(jié)果看，脫過系數(shù)公式與SWMM模型略有差異，在進(jìn)行調(diào)蓄設(shè)計(jì)時，可采用兩種方法相互校核。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐磊，周飛祥，等.北方城市典型內(nèi)澇積水問題的系統(tǒng)化解決方案[J].中國給水排水，2020，36（13）：139-144.

[2]漢京超，俞士靜，等.沿海平原河網(wǎng)城市排水防澇典型問題及對策分析[J].中國給水排水，2020，36（4）：30-34.

[3] 邵澤巖，馮燕.基于SWMM的雨水調(diào)蓄池容積研究 [J]. 工業(yè)用水與廢水，2017，48（4）：47-50.

[4]GB51174-2017，城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]白云生.用于削減洪峰流量調(diào)蓄池池容計(jì)算探討[J]. 給水排水，2020，46（增刊）：445-448.

[6]秦佳偉.基于SWMM對雨水管網(wǎng)中調(diào)蓄池及雨水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D].南華大學(xué)，2015.

[7]ROSSMAN L A.Storm water management model user's manual[R].2009.