基于水力模擬的排澇泵站設計規模復核評估

譚錦欣，林健新，勞釗明，劉江順，鄢 琳,*

(1.廣東愛科環境科技有限公司，廣東中山 528400；2.中山市氣象局，廣東中山 528400)

近年來，我國城市內澇現象頻發。排澇泵站作為城市防澇體系的重要環節，其設計規模是否滿足實際需求，將直接影響城市內澇現象嚴重與否[1-3]。目前，我國已有部分城市將水力模擬方法應用于內澇防治系統復核評估[4-7]。同時，2016年版《室外排水設計規范》中規定：“當匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量。”可見，水力模擬將成為城市內澇防治體系的重要評估方法。

本文以中山市中心城區為研究區域，采用InfoWorks ICM建模軟件，對該區域的排澇系統進行水力建模，通過水力模擬運算對區域內的排澇泵站設計規模進行復核評估，求得各泵站的設計流量與實際需求的差距，從而為該區域排澇泵站的改造升級提供科學依據[8]。

1 水力模擬

傳統的排水管網設計方法是基于恒定流計算的推理公式法，僅以極限流量為各管道設計依據，不能準確反映排水管網的真實運行情況[9]。水力模擬技術是基于圣維南方程組的非恒定流計算方法，是一個時間序列函數組合[10]。圣維南方程組由連續性方程和能量方程組成，如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中：A——過水斷面面積，m2；

t——時間，s；

Q——流量，m3/s；

x——距離，m；

g——重力加速度，m/s2；

h——管內水深，m；

Sf——阻力坡度；

S0——管道坡度。

圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，聯解方程組并使其符合特定的初始條件和邊界條件，即可計算出非恒定水流的流速和水深或其他因變量隨流程和時間的變化。因此，基于圣維南方程組的水力模擬方法能夠真實反映排水管網較復雜的非恒定流水力過程。

2 研究區域與方法

2.1 研究區域

本次研究區域如圖1所示，位于中山市中心城區，總面積為9.69 km2，排水管網總長度為181.04 km。該區域用地類型主要為住宅區與商業區，經調查區域內共有3處歷史內澇點，內澇問題較為嚴重。

圖1 研究區域Fig.1 Schematic Diagram of the Study Area

2.2 水力模型構建

2.2.1 綜合排水模型構建

(1)1 D排水模型構建

研究區排水管網及排澇泵站分布如圖2所示。研究區域內共分為5個排水分區，OUT1#～OUT4#這4處排口為泵站P1#～P4#強排出流口，OUT5#排口對應排水分區為自流區域。各座泵站的設計參數如表1所示，各座泵站泵臺數均在2～4，各臺泵運行模式均為按照水位自動啟停，所有泵均不設置延時開啟或者關閉。

圖2 排水管網及排澇泵站1D模型構建Fig.2 Construction of 1D Model of Drainage Network and Drainage Pumping Station

表1 排澇泵站主要設計參數Tab.1 Main Design Parameters of Pumping Stations

(2)數字高程模型構建

利用研究區1∶2 000地形測繪圖高程點，構建數字高程模型(DEM)，如圖3所示。除隧道區域外，研究區的地面高程為2～10 m，整體地形呈東北高西南低。

圖3 研究區數字高程模型(DEM)Fig.3 Schematic Diagram of Digital Elevation Model (DEM)

2.2.2 模型主要參數設定

(1)降雨事件選定

降雨強度公式取自中山市氣象局2014年7月發布公式，具體如式(3)。雨型采用芝加哥雨型[11-13]，降雨歷時統一為2 h，模擬時長為5 h，時間間隔為5 min。

(3)

其中：q——降雨強度，mm/min；

T——重現期，a；

t——降雨歷時，min。

(2)其他模型參數選定

2D網格設置：模型2D網格的最大面積為100 m2，最小面積為5 m2。

地表產流模式：屋面、道路、水面的產流模式采用固定徑流系數法，綠地、鋪裝的產流模式采用Horton模型[14-17]。各產流模式具體參數如表2所示。

表2 產流模式參數表Tab.2 Parameters of Runoff Generation Pattern

地表匯流模式：采用SWMM非線性水庫模型，子集水區坡度取0.001，坡面曼寧系數取0.015。

管道水頭損失：砼管糙率n值取0.014，塑料管糙率n值取0.011；局部水頭損失系數采用InfoWorks ICM推斷工具進行自動計算賦值。

管道沉積物厚度：參照管網養護資料，以管徑10%進行初始設置。

2.3 研究方法

2.3.1 排澇泵站運行工況模擬

(1)降雨輸入條件：采用研究區的降雨強度公式，分別計算得出重現期為0.25、0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a的降雨量，再根據芝加哥雨型對其降雨量進行時間分配，分配的時間間隔為5 min，以模擬不同降雨條件下排澇泵站的運行工況。

(2)水力模擬條件：模擬時長為5 h，以模擬整個降雨過程以及降雨過后3 h的雨后排澇過程，模擬時間步長為60 s。

2.3.2 排澇泵站設計規模復核

將泵連接去除，以模擬計算上述不同降雨條件下進站管渠雨水在自然出流情況下的流量，并以此作為泵站設計規模是否滿足實際排澇需求的對比依據。

3 結果與討論

3.1 排澇泵站對應排水出口峰值流量分析

各排放口自由出流工況下峰值流量如圖4所示，按照P=5 a設計標準對P1#～P4#泵站的現狀規模進行復核評估，結果如下。

圖4 各排放口自由出流工況下峰值流量分析Fig.4 Peak Flows Analysis of Pumping Stations Outlets under the Condition of Free Outflow

(1)P1#泵站現狀規模為15.00 m3/s，P=5 a對應峰值流量為19.13 m3/s，現狀規模不滿足P=5 a對應排澇需求，規模缺口為4.13 m3/s，不足比例為27.53%。

(2)P2#泵站現狀規模為12.00 m3/s，P=5 a對應峰值流量為11.29 m3/s，現狀規模滿足P=5 a對應排澇需求，流量富余0.71 m3/s，富余比例為5.92%。

(3)P3#泵站現狀規模為9.00 m3/s，P=5 a對應峰值流量為10.51 m3/s，現狀規模不滿足P=5 a對應排澇需求，規模缺口為1.51 m3/s，不足比例為16.78%。

(4)P4#泵站現狀規模為18.00 m3/s，P=5 a對應峰值流量為35.11 m3/s，現狀規模不滿足P=5 a對應排澇需求，規模缺口為17.11 m3/s，不足比例為95.06%。

(5)P1#～P4#泵站現狀合計規模為54.00 m3/s，P=5 a對應峰值流量合計為76.04 m3/s，規模缺口為22.04 m3/s，不足比例為40.81%。

3.2 排澇泵站升級前后內澇程度影響分析

根據排澇泵站復核評價結果，重新設置P1#、P3#、P4#的泵站規模，分別為20、11、36 m3/s，并以P=5 a作為對比模擬計算工況，對比泵站規模升級前后的研究區內澇改善情況。內澇等級共分為兩級，0.15 m≤積水深度<0.4 m為輕度內澇，積水深度≥0.4 m為重度內澇。

泵站規模升級前后P=5 a的最大積水深度分布如圖5所示。經統計，在現狀泵站規模條件下，研究區內輕度內澇區域總面積為0.54 km2，重度內澇區域總面積為0.08 km2；泵站規模升級后輕度內澇區域總面積為0.41 km2，內澇面積減少了24.1%，重度內澇區域總面積為0.06 km2，內澇面積減少了25%。內澇緩解區域主要集中在研究區中部，該區域內澇情況的改善主要得益于P4#泵站的規模升級，排水系統所收集的雨水可及時轉輸強排至外河，有效緩解了內澇問題。

圖5 泵站規模升級前后P=5 a的最大積水深度分布 (a)升級前；(b)升級后Fig.5 Comparison of Maximum Waterlogging Area under the Condition of P=5 a before and after Scale Upgrading of Pumping Stations (a)before Upgrading；(b)after Upgrading

4 結論

本文以中山市中心城區為研究區域，構建了綜合排水模型，通過水力模擬方法對研究區內4個排澇泵站的設計規模進行復核評估，得出以下結論。

(1)除P2#泵站，P1#、P3#、P4#泵站均不滿足P=5 a的排澇需求，4座泵站整體規模缺口為22.04 m3/s，不足比例達40.81%，排澇體系排澇能力明顯不足。

(2)P4#泵站規模缺口最大，不足比例達95.06%，應優先對P4#泵站進行改造升級。

(3)通過水力模擬計算，泵站規模升級后P=5 a的輕度內澇面積減少了24.1%，重度內澇面積減少了25%，內澇情況改善主要得益于P4#泵站的規模升級。