常熟虞山桃源澗(青石皮弄)山洪沖擊致澇問題成因分析及泄洪溝改造對策

陶 宏

(常熟市河道管理處， 江蘇 蘇州 215500)

1 工程概況

常熟市位于江蘇省東南部，地處經濟發達的長江三角洲沿江地帶，東倚上海，南連蘇州，西鄰無錫，北瀕長江，與南通隔江相望，距國際大都市上海僅80 km，離蘇州市區僅38 km，地理位置得天獨厚。境域略成荷葉形，東西寬約49 km，南北距37 km，全市總面積1 264.39 km2(其中長江江灘水域面積106.49 km2)。行政區劃設8個建制鎮、6個街道和2個省級開發區。

虞山位于常熟市古城區的西北部，半入古城，山體大致由西北向東南延伸，南北寬約3 km，東西長約7 km，海拔263 m，山脊線長6 400 km，山體最寬處約2 200 km，兩坡不對稱。由山麓至山頂，沿西南坡，距離在1 000 m以內，坡度約20°上下，沿東北坡，距離一般超過1 500 m，坡度大都小于10°[1]。虞山山南坡陡，山前塘就在山腳下，因此山洪排泄不成問題；山北坡緩，主要匯水澗溝有桃源澗、石屋澗、破龍澗、聯珠洞澗、五丈澗、墜石澗、秦坡澗等共11條。山北平原區地面高程4.5～6 m亦不設防，虞山北麓和本區產水通過張家浜、報慈浜、小金浜、白龍港等河道進入南福山塘。

桃源澗位于虞山北麓，澗溝長1 500 m，匯水面積約為35 hm2。上部澗身狹長，澗底大石平鋪，大雨后水流急瀉直下，通過青石皮弄泄洪溝最終下泄至城區內河。

青石皮弄泄洪溝位于桃源澗下游，建造于20世紀80年代，原泄洪通道(見圖1)劃分為a段1 m排水溝(長101 m)——b段DN1200管涵(長44 m)——c段1m溝(長49 m)——d段1.3 m×1.5 m暗涵(長215 m)，下接虞山北路市政排水系統。

2 存在問題及原因分析

青石皮弄泄洪溝建設年代久遠，排水通道存在瓶頸，過水斷面偏小，排澇能力嚴重不足，滿足不了目前防洪排澇標準和要求，且該段落地勢相對低洼，受桃源澗山洪沖擊易發生內澇，存在安全隱患。

2018年9月17日，受臺風“山竹”外圍影響，降雨強度達到296.5 mm，青石皮弄傳染病醫院段出現了嚴重暴雨內澇，最大積水深度達50 cm以上，導致青石皮弄11號周邊50 m道路、民宅輔房及車輛受淹，造成了一定經濟損失。究其原因，主要是以下幾方面因素。

2.1 農村轉變成城區，防洪標準不滿足現狀需求

常熟城區面積最初僅3.04 km2，青石皮弄區域原隸屬城郊鄉，該鄉環繞虞山。1983年后加快了城市建設步伐，以古城為中心向城外東、南、北3個方向擴展。至1995年建成區面積擴大到53.83.04 km2(其中城區23.83.04 km2，虞山、尚湖景區303.04 km2)，2000年城區面積擴大到60.93.04 km2。隨著時間的推移，青石皮弄周邊民房在60年代逐漸增多，70年代末80年代初期，拆舊建新的戶數逐年遞增。目前，常熟城區主要是20世紀90年代以來城市迅猛向郊區擴展，由原來的農村演變而成的，原來的山澗排水通道已成為城市排水通道，早期的防洪標準已不滿足現狀的需求。

2.2 區域雨水排水系統不暢，排澇能力嚴重不足

根據我國現行《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)規定，雨水管渠道設計重現期應采用1～3年，重要地區采用3～5年，特別重要地區采用10年或以上。但我國多數地區城市雨水排水系統設計標準偏低，排澇能力不足，抵御大暴雨的能力小[2]。

桃源澗匯水范圍較廣，匯水面積約35 hm2，遇暴雨期間泄水流量較大，經計算，青石皮弄泄洪溝承擔山洪流量約9 m3/s(表1)，但目前泄洪通道b、c、d段的排水能力不滿足要求(表2)。經校核該段現狀管溝僅能滿足1年重現期的山洪。

表1 市政暴雨強度計算公式

表2 現狀泄洪溝極限排水能力計算

2.3 局部區域地勢低洼，易受地表徑流造成積水

青石皮弄泄洪溝周邊地勢高差較大，位于b段DN1200管涵與c段1 m溝交匯處的青石皮弄11號民房東北角地勢最低，地面高程為5.5 m(黃海高程)，以北中山路地面高程為6.8 m(黃海高程)，以西通行道路路面高程為6.1 m(黃海高程)。當泄洪管溝排水能力不足時，洪水外溢形成地面徑流，青石皮弄11號地勢下凹，在此處積澇，房屋室內不進水，室外路面積水30～50 cm。

3 排水標準計算

3.1 雨水設計流量

3.1.1 方法選擇

按照《室外排水設計規范》(GB50014—2006)關于雨水量計算方法的要求，對于匯水面積2 km2以內的，可采用推理公式法進行計算；對于匯水面積大于2 km2的，采用數學模型法計算。

根據調查，規劃范圍內河網較多，雨水多就近入河排放，每個雨水口的匯水面積一般在1～15 hm2，最大的匯水面積不足30 hm2。故推理公式法是適用的，雨水管渠、泵站及附屬設施設計可以采用推理公式法。

3.1.2 雨水設計流量計算公式

雨水管渠設計流量按小流域面積推理公式進行計算，推理公式為：

Q=ΨqF

(1)

式中：Q為雨水設計流量，L/s；Ψ為徑流系數，其數值小于1；q為設計暴雨強度，L/(hm2·s)；F為匯水面積，hm2。

3.2 暴雨強度公式

暴雨強度公式是進行管網計算的基礎資料，根據《市政府關于公布常熟市暴雨強度公式的通知》，新修訂的暴雨強度公式自2013 年5 月1 日起啟用。

(1)市政管渠排水工程建設暴雨強度公式為：

(2)

式中：q為設計暴雨強度，L/(hm2·s)；T為重現期，a；t為降雨歷時，min。

該公式采用多個樣本擬合得出，為短歷時暴雨強度公式，主要用于降雨歷時較短，設計重現期較低的市政雨水管渠工程建設。

(2)城(鎮)區排澇工程建設暴雨強度公式為：

(3)

該公式采用年最大值法樣本擬合得出，該公式為長歷時暴雨強度公式，主要用于降雨歷時較長，設計重現期較高的城鎮排澇設施建設。

3.3 設計暴雨重現期

根據《室外排水設計規范》(GB50014—2006)，根據匯水地區性質、城鎮類型、地形特點和氣候特征等因素，綜合考慮城市建設的經濟性、可實施性確定。

(1)雨水管渠設計重現期：5年一遇。

(2)內澇防治標準：20年一遇。

(3)內澇積水的定義：居民住宅和工商業建筑物底層進水或道路中所有車道的積水深度超過15 cm，常熟市達到上述條件之一，即認為發生內澇災害。

3.4 降雨歷時

雨水管渠的降雨歷時計算公式為：

t=t1+t2

(4)

式中：t為降雨歷時，min；t1為地面集水時間，min，應根據匯水距離、地形坡度和地面種類計算確定，一般采用5～15 min；t2為管渠內雨水流行時間，min。

4 改造措施及效益分析評估

因青石皮弄周邊建筑物較密集，區域內民宅較多，通行弄堂較小，如需泄洪溝改道則涉及拆遷投入巨大，房屋安置周期較長，故短期內暫無桃源澗泄洪通道改道的可能。

為解決虞山桃源澗山洪沖擊致澇問題，只能對現有工程進行改造，解決現階段排水標準不足的矛盾，故青石皮弄泄洪溝改造工程被列為常熟市2020年度政府民生實事項目——城區防洪能力和水環境質量提升工程之一。工程項目建設主要內容為：擴大青石皮弄泄洪通道，局部加設防洪墻，新建箱涵、泄洪溝、排水溝等，抬高青石皮弄低洼處路面高程，設置集水溝收集路面雨水，排入泄洪溝，末端出口設置拍門防止洪水倒灌。

4.1 擴大泄洪通道

擴大青石皮弄泄洪通道，a段局部加設防洪墻，b段采用3 m×1.5 m有壓箱涵，c段采用3 m×1.5 m泄洪溝并設置防洪墻，d段保留疏通原中山路1.3 m×1.5 m涵洞。

(1)a段

利用原中山路泄洪溝后，因其排水能力不足，水位涌高，形成地面徑流排至虞山北路，青石皮弄泄洪溝水位涌高后，須設置防洪墻防止山洪倒灌，防洪墻設置高度110 cm，現狀排水渠改造35 m。

(2) b段

為解決原有管涵過水斷面偏小造成泄水瓶頸以及不影響原有道路出行的問題，對原有圓管涵進行改建，新建3 m×1.5 m有壓箱涵約44.3 m。

(3)c段

該段區域內原有排水溝寬度僅1.3 m，過水斷面偏小，且沿線路面地表徑流排入溝內，為減輕遇強降雨時會對排水溝造成巨大泄洪壓力及道路通行問題，將排水溝渠進行拆除并新建為3 m×1.5 m開口箱涵48.7 m。

(4)d段

考慮到中山南路人行道內目前有自來水、天然氣、大型喬木、電桿、原泄洪溝等，而車行道內施工對交通影響較大，中山南路改擴建泄洪溝難度較大，近期保留現狀泄洪溝，對原中山南路1.3 m×1.5 m涵洞并進行疏通。因其排水能力有所不足，在造成水位涌高時，超標雨水通過地面徑流排至虞山北路2.5 m×2 m涵洞，最終通過湘江西路涵洞排入報慈浜。

4.2 抬高路面高程

將青石皮弄11號低洼處路面高程從原來5.5 m(黃海高程)抬高至5.9 m，并設置0.4 m×0.5 m集水溝45 m，收集周邊0.6 hm2路面雨水，采用鐵管接入泄洪溝，末端出口設置拍門防止洪水倒灌。

4.3 項目實施情況

本項目建設期為2019年12月至2020年6月，項目建設直接投資為311.21萬元。

該項目通過擴大青石皮弄泄洪通道，增大過水斷面，大大改善了區域防汛排澇安全性，有效解決了桃源澗(青石皮弄)周邊0.08 km2內100多戶住宅受山洪下泄影響生活及出行的問題，保障了該區域有效應對桃源澗約9 m3/s的山洪流量(表3)，滿足常熟市局部山丘區20 年一遇山洪防治標準，最大限度避免因內澇產生的經濟損失，切實保障人民群眾生命財產安全和城市正常生產生活秩序。同時，在汛期此路段仍需做好防范和應急處理準備，落實應急排水防澇措施，確保安全度汛。

表3 改造后泄洪水力計算

4.4 效益分析

4.4.1 經濟效益分析

由于本工程項目為城市基礎設施，以服務于社會為目的，它既是生產部門必不可少的生產條件，又是居民生活的必要條件，對國民經濟的貢獻主要表現為外部效果，所產生的經濟效益除部分經濟效益可以定量計算外，大部分則表現為難以用貨幣量化的社會效益。因此，本工程的效益應從系統觀點出發，與提高人民生活水平，改善健康條件以及城市的發展建設等宏觀效益結合在一起來評價。

項目的建設將大大改善區域防汛排澇安全性，避免城市內澇產生的經濟損失，保證工農業的正常生產及居民的日常學習生活，將對改善投資環境，吸引外資，發展工業經濟，提高工業產品質量等起到積極、有效的作用，對促進常熟經濟快速持久地發展具有十分重大的意義。因此，本項目所產生的間接經濟效益將是巨大的。

4.4.2 社會效益分析

隨著城市的高速發展和居民生活水平的飛速提高，居民對防洪排澇系統的期望值也越來越高。城市排水防澇工程是城市生命線工程，直接關系人民群眾生命財產安全，關系經濟社會發展大局。將解決當前社會影響較大的嚴重積水內澇問題與構建高效完善的城市排水防澇體系結合起來，切實保障人民群眾生命財產安全和城市正常生產生活秩序，是和諧社會發展的需要。

此外，本項目的實施將使常熟市樹立起更加良好的形象，區域環境條件的改善也將使人民更加安居樂業，這些都對促進社會的安定團結及常熟市社會經濟的發展進步起到重要作用。

5 結 語

江南地區的獨具地域特征的道路雨洪問題，決定了道路建設僅靠地下管網無法滿足城市雨洪管理要求，應充分利用自然水文條件[3]，在雨洪管理的科學理念指引下，采用先進的技術手段和最佳工程經驗結合是高質量完成本項目的關鍵。本項目通過對泄洪溝進行防汛排澇措施的改造提升，包括工程和非工程組合，有效改善工程的積澇現象。同時，遠期還需結合周邊城區道路，根據水流匯集方向，在周邊低洼地區設置雨水調蓄設施，區域周邊的人行道、非機動車道、地面公共停車場等可采用滲透性鋪裝，通過加快海綿城市建設，減少城市不透水面積，改善城區下墊面條件，進一步增強澇水的蓄儲能力[4]。