東莞市某排水系統(tǒng)整治工程研究與評價

陳楚喬

(東莞市水務(wù)局，廣東 東莞 523000)

1 工程概況

東莞市位于北緯22°39′22″～23°09′23″，東經(jīng)113°30′03″～114°14′37″，東西寬76km，南北長40km，位于珠江三角洲中部的廣東省中南部東江下游，東面與博羅、惠州相鄰，南部與深圳比鄰，西部與番禺隔江(珠江)相望，北部連接廣州，屬于港、深、惠經(jīng)濟(jì)走廊的核心區(qū)域。從廣州通香港的鐵路、公路、水路都貫穿境內(nèi)，水陸交通方便。

新開河系統(tǒng)位于東莞市區(qū)的北部，區(qū)域地形東高西低，兩側(cè)高中間低。旗峰山位于系統(tǒng)的東南部，山頂高程為153.80m(85國家高程，下同)，除山體外，東縱大道以南區(qū)域的地勢標(biāo)高為12.54～40.12m，北側(cè)區(qū)域的地勢標(biāo)高為16.40～22.99m，東縱大道的地勢標(biāo)高為5.70～22.0m，新河北路的地勢標(biāo)高為5.7～6.8m。

近年來隨著全球氣候變化，廣東省出現(xiàn)強(qiáng)度較大暴雨的頻率變大，東莞市常年4月份便開始進(jìn)入雷暴、強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣多發(fā)的季節(jié)，每年都會有幾次強(qiáng)度大、歷時長、造成損失慘重的大暴雨。東莞市中心城區(qū)開發(fā)建設(shè)需求大(如圖1所示)，硬底化面積急劇增加，地面徑流量增大，而新開河系統(tǒng)屬市區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)最多、內(nèi)澇最嚴(yán)重的系統(tǒng)，加上開發(fā)建設(shè)水文效應(yīng)和東莞所在華南地區(qū)的亞熱帶季風(fēng)氣候特有的“龍舟水”暴雨特征，客觀上使得該區(qū)域在強(qiáng)降雨情況下變得更脆弱。

圖1 40年來東莞市中心城區(qū)建設(shè)用地變化情況

新開河主干系統(tǒng)(如圖2所示)的排水能力太小，不能滿足已完全城市化的新開河系統(tǒng)的現(xiàn)狀排水要求，導(dǎo)致該片內(nèi)澇頻繁。根據(jù)近幾年的管理記錄，新開河區(qū)域每年淹水的次數(shù)約15次，淹水深度0.3～1.0m，嚴(yán)重影響了居民的正常生活及周邊的商業(yè)，為解決片區(qū)嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)狀，必須擴(kuò)大現(xiàn)狀排水管涵的排水能力，保證片區(qū)排水通暢。目前大量先進(jìn)技術(shù)通過與實(shí)際項目的融合應(yīng)用，將城市內(nèi)澇治理提升至一個新的高度[1- 3]。基于此，通過對先進(jìn)管理理念和技術(shù)的研究，將城市市政雨水排放系統(tǒng)與排澇系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，充分利用地形及內(nèi)河涌水系進(jìn)行合理分區(qū)，完善雨水管網(wǎng)及排澇泵站建設(shè)。力爭到2030年，基本消除內(nèi)澇區(qū)域[4]。城市建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)“源頭控制”理念，通過生態(tài)性措施，有效控制初期雨水污染，保護(hù)提高雨水資源化利用水平，同時積極貫徹“海綿城市”建設(shè)的理念[5- 6]，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等低影響開發(fā)措施，降低綜合徑流系數(shù)，保護(hù)城市水文循環(huán)。

圖2 新開河主干排水系統(tǒng)分布圖

2 主干排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及成因分析

2.1 主干排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

新開河系統(tǒng)的整體地勢為東側(cè)高、西側(cè)低，南北兩側(cè)高、中間低，東縱大道為系統(tǒng)內(nèi)地勢最低的主干道，系統(tǒng)內(nèi)的雨水均從兩側(cè)匯至東縱大道的雨水系統(tǒng)后，然后由東向西匯至已經(jīng)密閉加蓋的新開河，最終排入運(yùn)河。因此系統(tǒng)的主干排水系統(tǒng)為：東縱大道雨水管涵—新開河—運(yùn)河。

東縱大道現(xiàn)狀已有雨污水管，且雨污水管均雙側(cè)布置，北側(cè)雨水管管徑為D1000～4.0×2.1～5.0×3.0，南側(cè)雨水管管徑為D1000～3.0×2.5～5.0×3.0。東縱大道敷設(shè)2根D2800排水管，接入新開河。

新開河已于2003年加蓋，由于沒有相關(guān)排水規(guī)劃的指引，新開河均在現(xiàn)狀河道斷面上加蓋，導(dǎo)致加蓋后的斷面規(guī)整不一。另外，位于系統(tǒng)東南側(cè)的旗峰山的雨水，在流入山體下面積為55800m2的湖泊后，通過斷面為B×H=1.3×1.3m的箱涵排入雨水系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)入東縱大道雨水系統(tǒng)，由于建設(shè)時無排水規(guī)劃作指導(dǎo)，導(dǎo)致沿途存在排水管涵建設(shè)無序、大管接小管的問題。

2.2 內(nèi)澇成因分析

2.2.1缺乏排水能力

那些早期建設(shè)的主干排水系統(tǒng)隨著城市的不斷建設(shè)，已經(jīng)明顯地改變了下墊面的條件，劇增了雨水徑流量，加之最近頻發(fā)的極端氣候，導(dǎo)致主干排水能力嚴(yán)重下降，難以滿足不斷增加的排水需求。

2.2.2建設(shè)尚待完善

內(nèi)澇整治工程措施設(shè)有南北側(cè)分流措施，目前只實(shí)施了北側(cè)分流措施，按設(shè)計本應(yīng)該匯入南側(cè)分流區(qū)域的雨水，現(xiàn)狀仍排至北側(cè)分流區(qū)域，增加了北側(cè)排水系統(tǒng)的壓力，導(dǎo)致北側(cè)排水系統(tǒng)仍存在一定的水浸現(xiàn)象。

2.2.3調(diào)蓄功能并未開啟

根據(jù)北側(cè)設(shè)計方案，暴雨期間，應(yīng)開啟2#水閘，湖泊參與徑流洪水的調(diào)蓄，減輕新開河下游的排水壓力。但是，工程實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)由于市區(qū)的截污并不夠徹底，仍有部分區(qū)域未敷設(shè)污水管網(wǎng)，或者部分用戶污水未能與污水管網(wǎng)良好對接，致使仍有污水流入雨水系統(tǒng)當(dāng)中，影響了湖泊的水質(zhì)，因此并未開啟調(diào)蓄。

2.2.4排水設(shè)施管理維護(hù)水平低

排水管道清淤長效機(jī)制尚未建立，市場化進(jìn)程較緩慢，出現(xiàn)嚴(yán)重的淤塞和損壞部分排水管渠的現(xiàn)象，逐漸縮小了過水?dāng)嗝妫瑑?nèi)澇程度日趨嚴(yán)重。

2.2.5破壞排水設(shè)施行為嚴(yán)重

城市雨污水管網(wǎng)混接、道路改造及道路兩旁的建筑工地不文明施工，排水戶排水不規(guī)范，大量的建筑余泥和垃圾堵塞排水管渠等破壞城市排水設(shè)施行為較嚴(yán)重，影響排水設(shè)施正常排水，極易形成內(nèi)澇。

2.2.6部分道路雨水口偏少

目前，道路的雨水口偏少，雨水沿道路快速匯集到低洼地區(qū)，無法順利地收集至現(xiàn)狀主干管中，從而形成路面積水。

2.2.7下墊面環(huán)境

隨著不斷擴(kuò)展的城市建設(shè)，變化最明顯的是匯水區(qū)域內(nèi)的下墊面條件，主要是不斷增加的硬化程度，大大增加了雨水徑流量，導(dǎo)致排水灌渠超負(fù)荷。

3 排水系統(tǒng)整治方案設(shè)計

3.1 排澇標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)選擇

3.1.1排澇系統(tǒng)流量計算方法

暴雨水量設(shè)計和計算公式見式(1)。

Q=φ·q·F(L/s)

(1)

式中，q—暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；F—匯水面積，hm2；φ—徑流系數(shù)。

《東莞市暴雨強(qiáng)度公式》是2016年11月東莞市編制，以此為依據(jù)計算暴雨強(qiáng)度，公式如式(2)。

(2)

式中，t—降雨歷時設(shè)定；t—地面集水時間，min，t=t1+t2，t1根據(jù)視距的距離、地面覆蓋狀況和地形坡度等條件，設(shè)定10～20min，t2—管內(nèi)流行時間，min。

3.1.2選擇暴雨重現(xiàn)期P值

重現(xiàn)期P值屬于某特定暴雨強(qiáng)度值，具體來說是暴雨強(qiáng)度容易產(chǎn)生的一次平均間隔時間，前提是等于或大于該值的強(qiáng)度，單位用年表示[7- 8]。在暴雨水量計算方法中，計算參數(shù)暴雨重現(xiàn)期P的取值對最終暴雨量計算結(jié)果影響最大，如果重現(xiàn)期利用較高的設(shè)計，得出的暴雨強(qiáng)度的計算結(jié)果就大，雨水流量設(shè)計也大，以及相應(yīng)變大的灌渠斷面，導(dǎo)致工程建設(shè)費(fèi)用高，反之則低。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]，必須按照匯水區(qū)氣候特征、地形特點(diǎn)等條件進(jìn)行雨水管渠重現(xiàn)期的設(shè)計，相同的排水系統(tǒng)既能選擇相同的重現(xiàn)期，也可以選擇不同的重現(xiàn)期。通常情況下，可以選擇2～5年的時間間隔作為大城市中心城區(qū)的重現(xiàn)期，中心城區(qū)重要地區(qū)一般采用5～10年。

考慮到東莞市的城市特性，在對工程經(jīng)濟(jì)影響不大的前提下，主干管渠的暴雨重現(xiàn)期P取5年。

3.1.3其他參數(shù)的選擇

(1)徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是降水量和徑流量的比值，前提是同一時段和同一流域面積內(nèi)的徑流和降水。根據(jù)不同的時段獲取不同徑流系數(shù)。最穩(wěn)定的數(shù)值是多年的平均徑流系數(shù)，可以全面體現(xiàn)出流域內(nèi)自然地理因素影響降水形成徑流的程度，所以區(qū)域性鮮明。洪水期的降水徑流關(guān)系通常是通過洪水徑流系數(shù)反映出來，可以有效地預(yù)估洪水。計算徑流系數(shù)的公式為φ=R/P，其中徑流系數(shù)設(shè)定為φ，利用百分?jǐn)?shù)顯示，徑流深度設(shè)定為R，降水深度設(shè)定為P。如果在0～1之間顯示φ值變化，那么φ大值在濕潤地區(qū)，干旱地區(qū)φ相對小。

通常要根據(jù)地面覆蓋情況、路面鋪砌、地面坡度、地形、建筑密度布置等進(jìn)行不同的設(shè)計。地面覆蓋種類的透水性是影響φ值的主要因素，其他影響因素還包括降水歷時、暴雨雨型和暴雨強(qiáng)度。由于是諸多因素的影響，不容易取得精確的數(shù)值。當(dāng)前，在設(shè)計雨水灌渠的過程中，一般會根據(jù)地面覆蓋類型確定凈流系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值，按照其范圍[10]，徑流系數(shù)見表1。

表1 徑流系數(shù)

在設(shè)計中，也可以采用區(qū)域綜合徑流系數(shù)。根據(jù)規(guī)范[，綜合徑流系數(shù)見表2。

表2 綜合徑流系數(shù)

由以上分析，本工程綜合徑流系數(shù)基本取0.8。

(2)粗糙度系數(shù)n值選擇

渠道的粗糙度根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗并參考《給水排水設(shè)計手冊》相關(guān)章節(jié)，鋼筋混凝土管渠取0.013，管渠要求定期維護(hù)，以免滋生雜草或泥砂淤積。

(3)排水渠道控制標(biāo)高確定

由于新開河、分流管涵均需接入東莞運(yùn)河內(nèi)，而東莞運(yùn)河屬于人工運(yùn)河，其與外圍自然江體之間依靠運(yùn)河沿線多個閘孔連通。因此運(yùn)河對市區(qū)排澇系統(tǒng)起著更大的排放和調(diào)蓄作用。晴天時關(guān)閉閘孔，運(yùn)河全線蓄有一定水量。暴雨天時，下游閘門開啟，將河道內(nèi)收集的雨水排入外圍自然江體。因此渠道末端控制高程取決于運(yùn)河的洪水位高程。根據(jù)運(yùn)河綜合整治規(guī)劃，管涵出口處運(yùn)河洪水位為3.69m。

(4)最小設(shè)計坡度

按照最小充滿度下計算不淤流速控制的最小坡度見表3。

表3 最小設(shè)計坡度

3.2 排水系統(tǒng)分區(qū)

新開河系統(tǒng)內(nèi)的地勢為南北兩側(cè)高、中間低，兩側(cè)的雨水均排入中間地勢最低的東縱大道，根據(jù)原設(shè)計方案，新開河系統(tǒng)雨水方案設(shè)計本著高水高排的原則，以東城大道為界在南北兩側(cè)均設(shè)置分流、整治措施，保證流域的排水安全問題，通過創(chuàng)業(yè)路—八達(dá)路排入運(yùn)河，同時收集創(chuàng)業(yè)路—八達(dá)路以南市橋河系統(tǒng)的雨水。因此南側(cè)分流工程的分區(qū)具體如下：

(1)新開河南側(cè)分流系統(tǒng)：服務(wù)范圍為旗峰路、東城大道、翠峰路圍合的區(qū)域，總服務(wù)面積295.41hm2。

(2)新開河北側(cè)分流系統(tǒng)：服務(wù)范圍為除去南側(cè)分流系統(tǒng)其余新開河系統(tǒng)，統(tǒng)服務(wù)面積為897.19hm2，本系統(tǒng)的分流措施已經(jīng)實(shí)施。

(3)市橋河南側(cè)分流系統(tǒng)：服務(wù)范圍為市橋河系統(tǒng)創(chuàng)業(yè)路—八達(dá)路以南范圍，服務(wù)面積為93.51hm2。

北側(cè)分流工程已全面施工竣工并投入使用。主要工程內(nèi)容是：

(1)沿東縱大道上設(shè)置分流管涵，分流管涵管徑為D2800，共設(shè)有兩根，排水能力為41.20m3/s，雨水排入新開河，排水管道總長度約3.94km(1.97km×2)。

(2)針對兩處地勢低洼地段，設(shè)計采用泵站強(qiáng)排。泵站出站管管徑為D2800，通過新河北路排入運(yùn)河。

(3)利用人民公園的湖泊進(jìn)行調(diào)畜。

為了完善內(nèi)澇三期系統(tǒng)，防止東城大道南側(cè)原設(shè)計自排的雨水進(jìn)入北側(cè)區(qū)域，減少北側(cè)排水系統(tǒng)的壓力，杜絕北側(cè)排水系統(tǒng)的水浸現(xiàn)象。必須對南側(cè)排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

3.3 分流方案

通過現(xiàn)場踏勘，南側(cè)分流措施主要沿東城南路、東城大道、八達(dá)路、創(chuàng)業(yè)路敷設(shè)分流管涵。該方案截流新開河系統(tǒng)內(nèi)旗峰山以北(含旗峰山)、東城大道以南的區(qū)域直接排入運(yùn)河，同時，沿途還截流原屬于其它排水系統(tǒng)的匯入八達(dá)路、創(chuàng)業(yè)路的雨水，解決了澳南路、圓嶺路的內(nèi)澇問題。

本分流管涵總的匯水面積約388.92hm2，分流水量為72.88m3/s，其中分流屬于新開河系統(tǒng)的排水面積約295.41hm2，暴雨量為59.8m3/s，屬于市橋河南側(cè)系統(tǒng)排水面積為93.51hm2，暴雨量為13.08m3/s。分流主管總長6203m，分流管管徑為D1500～D5400。

4 結(jié)語

目前城市發(fā)展迅速，許多城市均受到不同程度的內(nèi)澇影響，極大地牽制了城市的發(fā)展。隨著海綿城市的理念不斷深入城市管理者和工程師的腦中，城市內(nèi)澇的治理方式也在不斷改變和提升。

基于新開河主干排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出7種成因類型，針對7種成因類型，需要采取針對性的設(shè)計措施。通過對排澇系統(tǒng)流量、暴雨重現(xiàn)期P值、徑流系數(shù)、粗糙度系數(shù)等參數(shù)的分析，同時將排水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，繼而采取不同的分流方案。這一系列措施經(jīng)工程實(shí)踐檢驗，極大地提升了新開河主干排水系統(tǒng)的排水能力，解決了城市內(nèi)澇的難題，同時整體整治工程質(zhì)量滿足設(shè)計要求和行業(yè)規(guī)范，對其他相似工程具有一定的參考價值。