基于MIKE 21的上海動物園內澇成因分析及治理措施

周 璟,王 歡

(1.長江三峽(海南)綠色發展投資有限公司,海南 海口 570125;2.上海勘測設計研究院有限公司,上海 200434)

公園水系是城市景觀水系的重要組成部分。為了滿足城市居民的休閑需求,在有條件的城市和區域,城市公園中往往建設有景觀水體,包括以湖泊、河流為主的水系和以噴泉、瀑布為主的水景[1]。景觀水體大多為靜止或流動性較差的封閉緩流水體,相對獨立的水體便于管理與控制,但也可能會帶來排水除澇不暢、水動力低下的問題[2]。

一般情況下,積水是強降雨條件下地面徑流通過管網來不及排出導致的,而積水反復發生甚至形成內澇是多因素的綜合作用。水文氣象、排水設施、河湖水系、調度管理都是影響排水除澇的因素[3]。其中,排水設施和河湖水系是可以通過工程性措施來改造、優化的。隨著數學模型的推廣應用,采用模型診斷分析問題并采取治理措施的做法越發普遍且日趨成熟[4-7],但改造措施中對河湖水系優化給予的重視仍然較少。本文針對上海動物園內澇成因,制訂公園景觀水系整治和排水設施改造方案,并基于模型模擬評估結果,提出最佳的工程治理措施。

1 研究區域概況

上海動物園位于上海市區西南,主園區面積69.46 hm2,水面積約6.0 hm2,占園區面積的8.6%。動物園水系為典型的景觀水系(圖1),西北角河道上設有雨水排水泵站一座(設計流量1 m3/s),為園區水系與外部水系連通的唯一途徑;各水體之間不通過河道直接連通,而是由涵管相連。園內東部地勢略高于西部,雨水排水方向為東南排至西北,雨天時,雨水排水泵站開啟后能夠很快地將泵站附近的雨水排出,但遠離泵站的雨水排出速度較慢,河道水位高漲,地面積水,極大地影響了珍稀動物的生活場館和游客的游覽體驗。

根據相關資料,動物園雨水管徑為200～1 200 mm,雨水通過管網就近排入河道,最終由與園區西北角河道上的雨水排水泵站抽排至外部水系。整個園區為一個獨立的排水分區,并且雨水管道已按排水標準達標建設。根據現場調研情況,在降雨初期,雨水管道能迅速地排出地面雨水,之后隨著水體水位的上漲,地面雨水才難以排出,形成積水。初步判斷導致動物園內澇的原因與園區水系排水不暢和排水泵站規模不足有關。

圖1 上海動物園水系示意

2 研究方法

采用丹麥水資源及水環境研究所(DHI)開發的MIKE21模型軟件,構建上海動物園現狀主要水系(包括水體間連通涵管)的水動力模型,模擬并研究現狀排澇工況下水系的水文特征值(水位、流速和流量)變化,分析園區排水除澇問題的原因。根據問題原因設計改善方案,經方案比選后確定工程方案。

2.1 模型計算范圍及網格劃分

根據上海動物園現狀水系的分布特點、聯通情況,確定模型計算范圍為現狀相互連通的主要水系,見圖2。

圖2 模型計算范圍示意

采用非結構化的三角形網格對計算范圍內的水系進行網格劃分,網格最大邊長4 m,劃分后共14 053個節點,21 662個網格,劃分結果見圖3;根據實測地形資料,對水下地形進行插值,結果見圖4。

圖3 模型計算網格

圖4 水下地形

2.2 模型邊界條件處理

a)閉邊界。閉邊界指陸地邊界(河岸邊界),設定為非滑移邊界,即:u=0,v=0。

b)開邊界。開邊界設置在排水泵站處,開邊界流量根據各個方案下排水泵站的規模情況進行設置。

c)干濕邊界。為保證模型計算的穩定性,引入干濕邊界,采用hwet=0.1 m、hflood=0.05 m、hdry=0.005 m。

d)模型參數設置。①渦黏系數,根據Smagorinsky公式確定式(1):

(1)

式中U、V——x、y方向垂線平均流速;Δ——網格間距;Cs——計算參數,0.25～1.00,模型中取0.28。

②底床摩擦力。采用糙率系數描述底床摩擦力,模型中糙率系數參照一定經驗,取值范圍為0.025～0.05,設為0.031。

2.3 計算工況

動物園水系的排水運行工況多發生在夏季多雨期,考慮西北角雨水排水泵站半開、全開2種實際運行時最常見的情況,設置2種計算工況(表1)。根據上海動物園雨水系統和水系設計資料,動物園控制水位為:高水位2.6 m,低水位2.3 m,預降最低水位2.2 m。2種現狀工況的初始水位均設置為高水位。

表1 現狀水系水動力模擬研究計算工況

2.4 計算結果

根據排水時水位下降速率,將現狀水系分為排澇低風險、中低風險、中高風險、高風險4種等級,見圖5。泵站全開連續排水4 h(即工況二運行4 h),水位低于預降最低水位2.2 m的區域為低風險,水位在2.2～2.3 m的區域為中低風險,水位在2.3～2.4 m的區域為中高風險,水位在2.4 m以上的為高風險。圖5可知,天鵝湖、東南部水體水位一直維持在2.4 m以上,反映了這些區域的排澇風險較高,與區域雨天易積水的實際情況相符。

圖5 現狀水系排澇風險

在現狀水系的每處水體各取1個特征點,對各特征點從高水位到低水位排水所需的時長進行統計,統計結果見表2。由表可知,現狀水系在排水情況下,不同區域水體排水速率差異較大,泵站連續排水會出現西北側水體水位已經下降,而東南側水體水位仍然居高不下的情況,給園區帶來內澇風險。

表2 工況一、二特征點高水位(2.6 m)至低水位(2.3 m)時間統計結果 單位:h

3 問題識別

結合模型成果和相關資料分析,上海動物園存在內澇風險的主要原因如下。①排水路徑不通暢。園區水系由涵管連接,涵管過水斷面小于河道過水斷面;同時,涵管的管底標高參差不齊,排水時不少涵管存在逆坡現象,不利于水流排出。②排水泵站規模不足,布局不合理。園區排水除澇標準為20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)24 h排出,要達到此標準,排澇泵站總流量需達到1.58 m3/s,目前動物園西北角排水泵站設計規模為1 m3/s,總排水規模不足。

值得注意的是,單純增加排水規模不能消除園區排澇風險。在工況一(0.5 m3/s向外排水)的情況下,孔雀園北水體排水時長比海獸館北水體長15 h。工況二將排水流量增加至1 m3/s,僅對與泵站直接相連的水體有更大的抽排作用,對整體水系的排水速率提升作用不大。由于與泵站直接相連的水體水位下降過快,為了控制泵站前池水位,不得不采取間歇排水方式,這使得排水時間進一步延長,孔雀園北水體與海獸館北水體排水時長差擴大至17.5 h。園區單向排水的布局導致東南側水系的排水路徑較長,不能及時排水,從而影響地面積水的及時排出,存在內澇風險。

4 治理措施

4.1 方案設計

針對城市內澇,一般可采取擴建排水管網、增加強排流量和雨水調蓄等措施來減少內澇、提高排水除澇標準[8-11]。李志威[12]、張俊等[13]表示,合理的水系網絡格局有利于調蓄洪水和排出雨澇;嚴婉玲[14]、張旭兆等[15]對案例采用MIKE模型定量分析,得出改善水系格局、縮短排澇路徑對于保障排澇安全、降低內澇風險具有積極作用的結論。結合園區內澇的主要原因,從疏通排水路徑、增大排水規模、改善排水格局三大角度出發,設計工程方案。

a)疏通排水路徑。疏通排水路徑是提升排水能力的核心與基礎,可采取的措施有涵管改河與涵管擴建。涵管改河時應充分考慮水系間開挖明渠的可行性,對于有條件開挖的地方,取消原有連接涵管,開挖明渠連接相鄰水體;對于不宜開挖河道的地方,采取涵管擴建的措施,提升涵管過流能力。

b)增大排水規模。增大排水規模的措施有新建排水泵站、現有排水泵站升級改造,結合排水格局改善的需求,本文采取新建排水泵站措施,新建泵站規模為0.58 m3/s,加上現狀排水泵站(1 m3/s)可達到1.58 m3/s的總排水規模,能夠滿足淀北片20年一遇最大24 h面雨量(192.9 mm)的排澇設計標準。

c)改善排水格局。改善排水格局的措施為新增排水口門。目前園區通過西北角的排水泵站單點排水,不利于東南側水體的及時排水。結合動物園規劃和實際情況,有條件新開排水口門的位置有兩個,一是位于園區東南兩爬館水體與新涇港連接處,二是位于園區東側孔雀園北附近廢棄雨水排口處。

對以上工程措施進行有機組合,形成4個工程方案,見表3。

表3 工程方案

a)方案一

b)方案二

c)方案三

d)方案四

4.2 方案比選

運用模型分別模擬不同方案下動物園水系的排水狀況,通過統計排水速率、排水時間等指標,比選各個方案的工程效果,并在考慮工程投資的前提下確定推薦方案。

各方案特征點從高水位降至低水位的時間統計見表4。由計算結果可知:①方案實施后,排水速率大大提高,園區水系從高水位降至低水位的平均時間均有大幅度縮短,由現狀的10 h左右降至4～5 h;②基于涵管改河的方案一、方案二,各區域水體的水位下降速率基本一致,連續排水4.5 h左右可實現園區水位的整體下降。在排水速率整體提高的同時,大幅消除了不同區域的排水時差,有利于園區的排水及水位控制;③基于涵管擴建的方案三、方案四,高水位至低水位的平均排水時間與方案一、二基本相當,但受制于涵管的過流能力,不同區域水系仍然表現出較大的排水時差,方案三下最大排水時差達12.84 h,方案四為6.4 h,連續排水會導致靠近泵站的水體水位過低,而遠離泵站的水體水位居高不下;④對比涵管改河方案(方案一、二)和涵管擴建方案(方案三、四),由于涵管擴建方案仍然不能消除各區域水體的排水時差,因此涵管改河方案更優;⑤對比基于涵管改河的方案一和方案二,兩者從高水位將至低水位的平均排水時間基本一致(方案一為4.42 h,方案二為4.49 h),不同水域之間最大排水時差也基本一致(方案一為2.9 h,方案二為3 h),但是對于園區水面面積最大,且具有重要調蓄作用的天鵝湖來說,方案二天鵝湖的水位下降速率更快,方案二天鵝湖(特征點5)從高水位降至低水位的時間比方案一縮短約1 h;⑥從工程投資來看,涵管改河后新開挖河道采用以生態斜坡為主的護岸型式,且園區河道規模較小(河道斷面面積小于等于20 m2),而擴建涵管需使用的涵管直徑大于等于1 000 mm,所以單位長度的擴建涵管的工程投資略高于新開河道。將15條涵管全部擴建的工程投資將會高于新開河道9處、擴建涵管6段的投資。根據類似工程經驗,增設2個排水泵站(各0.29 m3/s)工程投資高于增設1個排水泵站(0.58 m3/s),但由于2個排水泵站中的東側孔雀園泵站可利用舊泵站修建,所以增設2個排水泵站(各0.29 m3/s)和增設1個排水泵站(0.58 m3/s)工程投資基本相等。由此可知,4個方案的工程投資的大小排列如下:方案一≈方案二<方案三≈方案四。

表4 各方案下特征點高水位(2.6 m)降至低水位(2.3 m)時間 單位:h

綜上分析,方案二(涵管改河9處、涵管擴建6段、增設2個0.29 m3/s的排水泵站)的工程效果最好、工程投資較低,因此,推薦采用方案二。

5 結語

本文以上海動物園為例,通過資料分析和現場踏勘初步分析園區內澇的原因與排澇水系和排水泵站有關,通過數學模型確定排水路徑過長是導致遠端水體排澇難的重要因素。針對上海動物園內澇成因,采取疏通排水路徑、增大排水規模、改善排水格局三方面的治理措施,形成公園景觀水系整治和排水設施改造方案。通過排水速率、排水時間比較不同整治方案的改善效果,計算不同區域的最大排水時差,最大排水時差越小說明治理措施縮短排水路徑、提高排水效率的效果越好。利用以上方式比選、確定內澇治理工程方案,在控制工程投資的前提下獲得最佳的治理效果。