宿遷市海綿城市建設防洪排澇能力提升探究

陳春宇

（宿遷市住房和城鄉建設局,江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著經濟社會不斷發展,城市建設水平和建設能力也得到了長足進步。隨著城市化進程不斷加快,排澇難、水體水質惡化等問題日益顯現[1]。宿遷建市以來,城區飛速發展,但在發展的同時忽略了防洪排澇體系的完善,部分河溝被填平,水系溝通不暢；少數排水工程規模偏小,自排能力不強；河湖水體縮減,調蓄能力下降[2]。這也導致了長期以來,一旦發生暴雨,宿遷城區部分區域雨水難以及時排除,常出現不同程度的積水現象。因此,宿遷城區試點區域通過海綿城市建設,恢復試點區水生態,增強雨水資源滯蓄能力和防洪排澇能力。

本文針對現代城市常見的內澇問題,通過SWMM 模型模擬宿遷市海綿城市試點區的產匯流機制,利用建立的模型計算不同重現期暴雨下試點區管網暢通能力和內澇防治能力,復核試點區防洪排澇能力,并根據結果提出相應措施。

1 區域概況

宿遷市位于江蘇省西北部,總面積8555 km2,下轄宿城區、宿豫區、沭陽縣、泗陽縣、泗洪縣五大縣區及洋河新區、經濟技術開發區、湖濱新區、蘇宿工業園區四個功能區。宿遷境內地貌類型分為丘陵、崗地與平原三類,地勢西北高、東南低,最高點位于嶂山林場附近的峰山頂,高程為71.20 m（國家85 高程,下同）；最低處位于關廟東南袁王蕩,高程為8.80 m。古黃河普遍高出兩側2 m～5 m,成為次一級分水嶺。宿遷市海綿城市試點區主要位于老城區,東至京杭大運河、西至發展大道及黃河故道、南至北京路、北至京杭大運河,總面積13.12 km2。

宿遷地處暖濕帶南部邊緣,冬季受北方高原南下的寒流侵襲,以寒冷、少雨天氣為主；夏季受到來自海洋的東南季風控制,天氣炎熱多雨；春秋兩季處于南北季風交替更換期,形成四季分明,差異明顯,干、濕、冷、暖天氣多變的氣候特征。多年平均降雨量為915.4 mm,年際間差異較大,最大年降水量為1396.0 mm,最小年降水量為531.9 mm。年內降雨主要集中在汛期,占全年降雨的68%,多年平均蒸發量972.0 mm。

2 防洪排澇模型建立與率定

2.1 匯水區劃分

2.1.1 產流區域匯水區劃分

由于城區下墊面情況和排水條件不同于天然流域,需根據產流區域不同的條件劃分成匯水區單元,以此模擬下墊面的不確定性。匯水區劃分需遵循以下原則：

（1）明確研究范圍和研究內容。根據不同的研究尺度和研究目的,結合產流區域的實際條件,靈活確定匯水區劃分的單元大小。

（2）尊重研究區域真實的排水情況。劃分匯水區時要考慮水流的真實情況,在重力的作用下以最短的路徑向低洼處匯集。

（3）嚴格遵循“高水高排、低水低排”的規律,每個匯水區單元內匯水條件要基本一致。

（4）嚴格依據城區真實情況調整理論匯水區。由于城區下墊面條件和匯水通道不同于自然流域,要統籌考慮高程數據、管網、道路等實際情況,提高城區產匯流模擬的精度。

本文采用DEM 空間分析與人工劃分相結合的方式,既遵循產流基本原理,又考慮城區排水管網的影響,合理地將研究區域劃分成不同的匯水區。

首先將DEM 數據導入ARCGIS 分析軟件,利用軟件的流向分析、流域劃分工具,將宿遷城區自然流域提取出來,得到878 個排水分區。再結合宿遷城區管網分布圖生成泰森多邊形,經過人工修正,將排水分區又細分成2430 個匯水區,劃分成果見圖1。

圖1 宿遷市海綿城市試點區匯水區劃分成果圖

2.1.2 受納水體劃分

根據試點區水系分布和管網情況,將排水分區按照去向進行分類,其中排入古黃河排水分區共43 個,總面積為674825.38 m2,排入馬陵河的排水分區共114 個,總面積為1676441.15 m2,排入中運河的排水分區共17 個,總面積為175107.99 m2,入截流井的排水分區共144 個,總面積為1578754.72 m2,進入污水廠的排水分區共34 個,總面積為448517.44 m2,散排入河的排水分區共526 個,總面積為7480205.53 m2,各類排水分區分布情況如見圖2 。

2.1.3 管網系統匯流模擬

管網系統包括檢查井、管道、截流井、調蓄池、泵站等工程設施,需將各種設施的高程、尺寸、規模等數據輸入SWMM 模型。建模時,將集水區成果與管網系統文件鏈接。模型中管網系統涉及的參數為管道的粗糙系數,由于管道材質為HDPE 和混凝土,因此粗糙系數設定為0.015。

2.2 匯水區產匯流參數

將匯水區結果導入SWMM,模型中匯水區參數有面積、平均坡度、匯流寬度、不透水率、不透水地表粗糙系數、透水地表粗糙系數、不透水地表洼蓄深度、透水地表洼蓄深度,并且需確定滲透參數和運算滲透的方法。其中匯流寬度、不透水地表粗糙系數、透水地表粗糙系數、不透水地表洼蓄深度、透水地表洼蓄深度需要經過率定確定。本文采用Green-Ampt 法計算滲透,此方法涉及的參數為土壤的水力傳導系數和張力水頭。參數初值的確定參照表1。

表1 匯水區參數初值取定

3 模型率定

根據產匯流理論和試點區實際情況建立了SWMM 模型后,為提高模型準確性、增強分析結果的可靠性,需進行參數率定。根據SWMM 模型的靈敏度分析可知,本模型敏感參數有匯流寬度（Width）、不透水區曼寧系數（N-imperv）、不透水區洼地蓄水深度（Des-imperv）。

3.1 模型率定方法

綜合考慮數據的合理性,水文數據與降雨數據的匹配性,數據的完整性,以及率定后的代表性,預定流量監測排口為鐘吾中學、馬陵中學、幸福學府、鐘吾路。將模型計算結果與預定排口的實測流量數據進行對比、擬合,確定SWMM 模型的參數見表2。

表2 不同流量監測排口對應的匯水區特征值

3.2 模型率定結果

模型計算結果與實測流量數據結果見圖3。參數率定結果為：匯流寬度約為匯水區面積平方根的2 倍,不透水區曼寧系數約為0.035,透水區曼寧系數約為0.4,不透水區洼地蓄水深度約2 mm,透水區洼地蓄水深度約10 mm。

圖3 模型率定成果圖

4 試點區防洪排澇能力復核分析

4.1 管網暢通能力復核

4.1.1 復核計算方法

（1）設計暴雨計算

采用K-C 法統計雨型計算設計暴雨,K-C 法暴雨強度公式如下：

式中：i峰前、i峰后分別為雨峰前、雨峰后的暴雨強度,mm/min；t1、t2分別為峰前、峰后歷時,min；r 為雨峰位置系數；A、b、c、n 均為公式參數。

（2）模型計算

本文中管網暢通能力通過統計暴雨過程中管道充滿度來體現。本文計算1 年一遇、2 年一遇、3 年一遇、5 年一遇120 min 暴雨下,統計能夠容納雨水的分布和長度。

4.1.2 復核計算結果

宿遷地區歷時不超過180 min 的暴雨公式參數為：A=61.25、b=39.4、c=1.05、n=0.996、r=0.404,計算得到不同重現期設計暴雨見表3。

表3 試點區120 min 設計暴雨成果表

經計算,試點區有42.18%的管網排水能力滿足5 年一遇的降雨,有44.50%的管道排水能力滿足3 年一遇,有47.83%的管網排水能力滿足2 年一遇的降雨,有53.98%的管網其排水能力滿足1 年一遇的降雨見表4。

表4 管網排水能力分析成果表

4.2 內澇防治能力復核

試點區屬于宿遷主城區,管網系統較為完善。但該區域地面高程偏低,在降雨期間,澇水難以自排進入受納水體。某些河道在高水位時甚至會產生倒灌,加劇澇水影響。

4.2.1 復核計算方法

（1）設計暴雨計算

通過K-C 法暴雨強度公式計算試點區20 年一遇、30 年一遇、50 年一遇、100 年一遇最大24 h 暴雨,作為為SWMM模型分析試點區內澇防治能力的設計暴雨。

（2）模型計算

將匯水區GIS 高程數據（分辨率為25 m）輸入模型,使用PCSWMM 內置工具生成二維網格,自動計算出不同重現期設計暴雨下試點區的淹沒情況。

4.2.2 復核計算結果

宿遷地區歷時1440 min 的K-C 法公式參數為：A=32.55、b=31.985、c=1.165、n=0.885、r=0.75,計算得到不同重現期設計暴雨見表5。

表5 試點區設計暴雨成果表

經過模型計算分析,模擬內澇結果見表6。根據計算結果分析,試點區內澇風險點共有10 處,主要分布在古黃河沿岸、中運河南側及試點區南側。造成內澇的原因大多是由于老城區地勢的局部低洼,使得徑流無法快速排出,造成局部地區積淹水,如中運河南岸積水點；另一部分原因是雨水就近排入附近湖泊,如雪楓公園內湖泊及項王故里景區內湖泊等；其余各風險點與歷史積水點位置基本一致。

表6 試點區不同重現期模擬內澇結果統計

5 試點區防洪排澇能力提升措施

經分析計算可知,宿遷市海綿城市試點區范圍內防洪排澇能力尚不滿足城市建設的要求,主要原因在于：

（1）試點區管網建設標準不足。經模型計算分析,達到5 年一遇排澇標準的管網占比達到42.18%,但仍有近半數的管網不足1 年一遇標準,這也直接導致試點區范圍內存在多個內澇風險點。

（2）外排出路不暢。根據采集的DEM 數據分析可知,試點區地勢較低,發生降雨時,有部分區域甚至低于河道水位,導致澇水自排不暢,只能通過排澇泵站強排。

針對上述兩方面原因,可采取以下措施提升試點區防洪排澇能力：

（1）雨水就近分散排入排澇河道。依據地形和管網分布,將城區劃分成若干排水區,治理排澇河道、實行雨污分流,使雨水及時就近分散排放,不僅可以盡快減輕地面積水,還可以利用河道調蓄作用削低骨干河道洪峰,減少外排阻力。

（2）保障泵站抽排能力。目前,宿遷中心城區已有27 座排澇泵站,抽排能力達到84.59 m3/s。泵站管理單位和水利部門應加強泵站運行管理,尤其是汛期運維,保障城區澇水出路。若抽排能力不足,需進行論證研究,調整工程運行管理,必要時增設泵站。

（3）雨水管網提標改造。本文通過模型分析得到試點區管網排水能力及分布,為雨水管網的提升完善奠定了一定的基礎。在必要時可針對內澇風險點進行雨水管網提標改造工程,保障澇水能及時排除。

6 結語

本文研究了宿遷市海綿城市試點區防洪排澇能力。通過GIS 軟件和DEM 數據完成了排水分區和匯水區的劃分,作為SWMM 模型的輸入條件。再通過率定分析確定了模型參數。利用模型計算了不同重現期暴雨下,試點區管網暢通能力和內澇防治能力,發現了試點區防洪排澇能力的不足之處。提出雨水就近分散排入排澇河道、保障泵站抽排能力、雨水管網提標改造三條措施,為宿遷市將來的海綿城市建設提供了方向,同時側面反映了防洪排澇能力在城市建設中的重要地位,引發各界對城市防洪排澇體系的重視和思考。