張玉倫 賈 能 陳盛達(dá)

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310020；2.杭州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310016)

1 研究背景

杭州城西區(qū)域處于洪澇過(guò)渡地帶，地勢(shì)低洼，上承西部山洪，下受杭嘉湖平原河網(wǎng)高水位頂托，歷來(lái)是杭州城市防洪排澇最薄弱環(huán)節(jié)。隨著省市科創(chuàng)戰(zhàn)略平臺(tái)城西科創(chuàng)大走廊及云城布局城西后，區(qū)域面臨的洪澇高風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的矛盾日益突出。為此，杭州提出建設(shè)城西南排通道工程破解洪澇難題，新建一條長(zhǎng)約13km、洞徑約11m、洞底高程-50m的深埋排水隧洞，隧洞進(jìn)口設(shè)在五常港附近，在出口錢塘江九溪水域新建大(1)型強(qiáng)排泵站，設(shè)計(jì)排澇流量200m3/s(遠(yuǎn)期300m3/s)，利用閑林濕地、五常濕地和西溪濕地將城西洪澇水匯流后通過(guò)隧洞快速南排入錢塘江，見圖1。工程任務(wù)以防洪排澇為主，兼顧改善水環(huán)境。工程估算投資約60億元。

圖1 城西南排通道工程示意圖

由于工程牽扯面廣、規(guī)模和投資大，各方對(duì)工程效益比較關(guān)注。水利行業(yè)一般應(yīng)用河網(wǎng)非恒定流水動(dòng)力模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從河網(wǎng)高水位、高水位持續(xù)時(shí)間、排水量等角度開展效益分析，對(duì)非水利專業(yè)決策者而言數(shù)據(jù)相對(duì)抽象?；诖耍疚囊詰?yīng)用河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算得到的流量和實(shí)測(cè)水位作為邊界條件，采用InfoWorks ICM軟件構(gòu)建雨水管網(wǎng)和河網(wǎng)耦合的城市排水模型，結(jié)合地面高程變化情況，模擬本工程建成前后河道水位和區(qū)域積水情況，評(píng)估區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)變化，從積水深度、積水面積、積水量角度定量分析排澇效果，展示更直觀、具體。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用InfoWorks ICM軟件進(jìn)行雨水管網(wǎng)數(shù)值計(jì)算取得了很多研究成果[1-10]，但構(gòu)建雨水管網(wǎng)和河網(wǎng)耦合的城市排水模型開展大型泵站排澇效果分析的并不多見。

2 研究區(qū)域概況

研究范圍北至余杭塘河，東至西溪河，南至沿山河(含留下街道)，西至何過(guò)港—林場(chǎng)港—梧桐港—閑林港，總面積約69.7km2，見圖2。在行政區(qū)劃上分屬于杭州市西湖區(qū)和余杭區(qū)，區(qū)位條件優(yōu)越，區(qū)域內(nèi)既有得天獨(dú)厚的自然水域，又有數(shù)量眾多的科技企業(yè)和創(chuàng)新平臺(tái)，覆蓋了城西科創(chuàng)大走廊核心區(qū)域，是杭州大城西地區(qū)東西向聯(lián)結(jié)的重要節(jié)點(diǎn)。

圖2 研究區(qū)域示意圖

區(qū)域內(nèi)除留下街道東南部地勢(shì)較高外，其余總體以平原地貌為主，中部及西部有面積寬廣的天然濕地。研究范圍內(nèi)95%的地坪高程在2～6m之間。從水系上劃分，該區(qū)域?qū)俸贾菔袇^(qū)運(yùn)河水系上游，西南為山區(qū)，有上埠河等山區(qū)性河道，往東北進(jìn)入下游平原，主要行洪通道包括閑林港、五常港、余杭塘河、沿山河等。

3 模型構(gòu)建

本次數(shù)模分析采用Wallingford軟件(InfoWorks ICM)，InfoWorks ICM模型系統(tǒng)能夠精確模擬雨污水收集系統(tǒng)，預(yù)測(cè)雨污水管道和河道系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或降雨后對(duì)環(huán)境的影響。

3.1 模型概化

本次模型分析對(duì)區(qū)域主要河道及雨水管網(wǎng)進(jìn)行概化。共劃分4607個(gè)子匯水區(qū)?，F(xiàn)狀雨水管覆蓋區(qū)域單個(gè)子匯水區(qū)域的面積大部分在0.5～2hm2之間，就近匯入附近的雨水管網(wǎng)中，雨水管網(wǎng)未覆蓋的區(qū)域子匯水區(qū)相對(duì)概化，就近匯入附近的河道中。經(jīng)概化后的模型共計(jì)有檢查井節(jié)點(diǎn)4547處，雨水管段4547段，雨水管徑在500～2000mm之間。圩區(qū)排澇泵站12個(gè)，河段358段。二維網(wǎng)格的最大網(wǎng)格為100m2，最小網(wǎng)格面積為25m2，見圖3。

圖3 模型概化示意圖

3.2 邊界條件

共設(shè)5個(gè)水位邊界，其中1個(gè)為運(yùn)河水位邊界，其余4個(gè)為余杭塘河北面的通義港、九曲洋港、蓬駕橋港、西行河水位邊界，水位邊界的時(shí)間間隔為1h。共設(shè)5處流量邊界，分別為梧桐港、沿山河、上埠河、留下河和老和山山水，其中沿山河流量和老和山山水根據(jù)沿線匯流面積分配至沿線的河道中。流量邊界的時(shí)間間隔為1h。水位邊界采用水位站實(shí)測(cè)值，流量邊界采用城西南排通道工程河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果，見圖4。

圖4 計(jì)算邊界條件

3.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)期間的水位和積水點(diǎn)進(jìn)行。計(jì)算成果表明，模擬和實(shí)測(cè)的水位過(guò)程線變化基本一致，其中洪水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，最大變幅差誤差在5%以內(nèi)。除個(gè)別積水點(diǎn)外，“菲特”臺(tái)風(fēng)期間模擬計(jì)算得到的積水點(diǎn)與實(shí)際報(bào)道的積水點(diǎn)吻合較好。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本數(shù)學(xué)模型可以滿足數(shù)值計(jì)算需求，見表1。

表1 “菲特”臺(tái)風(fēng)最高洪水位驗(yàn)證 單位：m

4 計(jì)算成果分析

本次開展了4個(gè)典型工況研究，分別是“羅莎”臺(tái)風(fēng)雨、“菲特”臺(tái)風(fēng)雨、50年一遇梅汛降雨、50年一遇臺(tái)汛降雨，限于篇幅，本文就“菲特”臺(tái)風(fēng)雨、50年一遇梅汛降雨進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 “菲特”臺(tái)風(fēng)雨工況

遭遇“菲特”臺(tái)風(fēng)雨，現(xiàn)狀條件下，區(qū)域河道水位呈現(xiàn)西高東低趨勢(shì)，西南部河道水位均超過(guò)4m，大部分河道處于高水位運(yùn)行狀態(tài)；城西南排通道工程建成后，區(qū)域河道水流均向方家橋港和五常港匯集，紫金港河以東、方家橋港以西的河道水位在3.5～4.0m之間，隧洞進(jìn)水口附近河道水位相對(duì)較低，如蔣村港、五常港、永勝港水位在3.3～3.5m之間，而圩區(qū)內(nèi)河道普遍處于2.5～3.3m之間。五常港和方家橋港附近的水位大幅下降，水位最高降幅達(dá)到0.85～1.0m，區(qū)域內(nèi)大部分河道水位降幅超過(guò)0.5m，靠近運(yùn)河水位降幅最小，但也達(dá)0.3～0.5m。河道高水位變化情況見圖5。

圖5 “菲特”臺(tái)風(fēng)雨工況工程建成前后河道高水位分布

遭遇“菲特”臺(tái)風(fēng)雨，現(xiàn)狀條件下，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較大范圍的積水，積水量為65.8萬(wàn)m3/d，積水面積2.06km2，積水區(qū)域主要集中在留下街道、學(xué)院路、益樂(lè)新村、天目山路等。最深積水處位于留下街道，深度超過(guò)1.5m。城西南排通道工程建成后，研究區(qū)域積水面積進(jìn)一步下降，留下街道范圍內(nèi)的積水基本消失，區(qū)域內(nèi)基本消除超過(guò)15cm的積水。積水區(qū)域變化情況見圖6。

圖6 “菲特”臺(tái)風(fēng)雨工況工程建成前后積水點(diǎn)分布

4.2 50年一遇梅汛降雨工況

遭遇50年一遇梅汛降雨，現(xiàn)狀條件下，區(qū)域內(nèi)的大部分區(qū)域河道水位超過(guò)4m，僅有東片少量河道水位在4m以下，城西南排通道工程建成后，區(qū)域內(nèi)的河道流向發(fā)生較大的變化，均向方家橋港和五常港匯集，研究范圍內(nèi)河道水位也下降至3.5～4m，平均降幅達(dá)到0.4m以上，進(jìn)水口附近的河道水位在3.3～3.5m。河道高水位變化情況見圖7。

圖7 50年一遇梅汛降雨工況工程建成前后河道高水位分布

遭遇50年一遇梅汛降雨，現(xiàn)狀條件下，積水量為87.1萬(wàn)m3/d，積水面積3.445km2，積水區(qū)域主要集中在文一路、留下街道、全豐苑北側(cè)、景興路等，最深積水處位于留下街道，最大積水深度可達(dá)1m以上。城西南排通道工程建成后，積水總量下降至9.7萬(wàn)m3/d，積水面積大幅度減少至0.529km2，除局部地勢(shì)低洼處，大部分區(qū)域的積水點(diǎn)消除。積水區(qū)域變化情況見圖8。

圖8 50年一遇梅汛降雨工況工程建成前后積水點(diǎn)分布

統(tǒng)計(jì)各工況下積水情況，工程建成前，50年一遇臺(tái)汛降雨積水面積最大，積水深度超過(guò)5cm的面積達(dá)4.994km2，占研究區(qū)域面積近7%；50年一遇梅汛降雨積水面積超過(guò)3.445km2。工程建成后，各工況積水下降明顯，其中50年一遇臺(tái)汛降雨工況下，積水面積由4.994km2降至1.332km2，減少73%，50年一遇梅汛降雨工況下，積水面積由3.445km2降至0.529km2，減少85%，見表2。

表2 不同工況下工程建成前后積水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

4.3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

一般認(rèn)為，當(dāng)積水深度小于0.15m時(shí)，積水不會(huì)淹沒道路側(cè)石，不影響行人和機(jī)動(dòng)車的通行，當(dāng)積水深度超過(guò)0.15m時(shí)，會(huì)造成一定程度的災(zāi)害損失，本次擬訂內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的最低界線為積水深度h>0.15m，積水時(shí)間t>1h，見表3。

表3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，在50年一遇臺(tái)汛降雨工況下，工程建成后，內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積從0.46km2減少到0.04km2，減少91.3%，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域從0.88km2減少到0.077km2，減少91.25%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域從1.73km2減少到0.41km2，減少約76.3%。在50年一遇梅汛降雨工況下，工程建成后，內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積從0.35km2減少到0.035km2，減少90%，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域從0.53km2減少到0.02km2，減少96.23%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域從1.16km2減少到0.14km2，減少87.93%。

4.4 積水原因分析

城西南排通道工程建成后，研究區(qū)域內(nèi)在臺(tái)汛或梅汛期遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，局部區(qū)域仍面臨積水風(fēng)險(xiǎn)，主要原因如下：?局部管道的排水路徑較長(zhǎng)，且在外河水位較高時(shí)，由于承壓出流導(dǎo)致管道的排水能力降低，雨水排出不及時(shí)，從而產(chǎn)生路面積水；?該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)自身的地勢(shì)要明顯低于周邊道路和地塊，由于地勢(shì)低洼導(dǎo)致極易產(chǎn)生積水；?由于道路建設(shè)時(shí)序原因?qū)е戮植抗艿琅潘疅o(wú)出路，直接匯流到道路或者附近小區(qū)的地勢(shì)低洼處，產(chǎn)生積水。

對(duì)于上述原因產(chǎn)生的積水，可考慮采取以下措施予以消減：對(duì)于受納水體頂托嚴(yán)重或者排水不暢的雨水管道，應(yīng)當(dāng)結(jié)合道路整治對(duì)雨水管網(wǎng)不合理處進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高管道的排水能力，同時(shí)定期疏通管道，減輕管道淤積程度。對(duì)于已有規(guī)劃但現(xiàn)狀尚未建成的區(qū)域，應(yīng)優(yōu)先考慮通過(guò)調(diào)整用地布局和場(chǎng)地、道路豎向標(biāo)高，降低區(qū)塊內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)結(jié)合地形地貌，規(guī)劃地表雨水的行泄通道。對(duì)于現(xiàn)狀已經(jīng)建成的地勢(shì)低洼區(qū)域，通過(guò)保留現(xiàn)狀圩區(qū)，同時(shí)結(jié)合舊城改造工作，對(duì)原有低于標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)進(jìn)行改造，并通過(guò)適當(dāng)?shù)挠晁{(diào)蓄措施，提高應(yīng)對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的能力。

5 結(jié) 論

本文以城西南排通道工程為例，基于雨水管網(wǎng)和河網(wǎng)耦合城市排水模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果，從河道水位、積水量、積水面積變化方面，定量分析了工程排澇效果，得到以下結(jié)論：

a.目前研究范圍部分區(qū)域排澇能力明顯不足，主要集中在何過(guò)港以南片區(qū)，在發(fā)生高重現(xiàn)期的降雨時(shí)，河道水位過(guò)高，造成較大范圍的積水和內(nèi)澇。從積水的范圍來(lái)看，西湖區(qū)范圍內(nèi)受災(zāi)相對(duì)更嚴(yán)重，積水點(diǎn)主要集中在學(xué)院路、教工路、天目山路、文一路以及留下區(qū)塊范圍內(nèi)。

b.城西南排通道工程建成后，不同工況下河道水位平均降幅超過(guò)0.4m，最高降幅超過(guò)1m；積水量、積水面積減少超過(guò)50%，最多減少84%，工程排澇效果非常顯著，大幅降低了杭州城西區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，可使杭州城西區(qū)域治澇標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50年一遇。

c.內(nèi)澇防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，本工程建成后，河道水位已降至較低水平，但仍有區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)積水，應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的低洼點(diǎn)改造，雨水管網(wǎng)、雨水口等建設(shè)工程，增加區(qū)域內(nèi)水面率，降低區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

本文所涉工程案例較為典型，構(gòu)建雨水管網(wǎng)和河網(wǎng)耦合的城市排水模型開展數(shù)值模擬，可有效克服水利行業(yè)常用計(jì)算軟件的局限，直觀展示內(nèi)澇變化情況，定量分析大型泵站排澇效益，并進(jìn)一步論證工程方案的科學(xué)性、合理性。水利、城市規(guī)劃行業(yè)可就河網(wǎng)非恒定流水動(dòng)力模型和城市排水耦合模型的聯(lián)合應(yīng)用開展深入研究，使得數(shù)值計(jì)算更可靠、更準(zhǔn)確、更直觀。