水力模型在城市漬水原因分析及方案評估中的應用

張文博,杜立剛

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430021)

0 引言

武漢市某高新區作為國家級經濟技術開發區,集中了大批高新技術企業。但由于歷史原因,該地區部分區域豎向規劃不合理,地勢低洼,排水系統存在問題,造成汛期漬水的情況時有發生,城市運行和居民安全受到嚴重影響。2021年6月27日,該地區出現短時強降雨天氣,導致城區再次發生漬水,其中主干道G4局部最大漬水深度超過0.5 m,造成交通癱瘓達數小時之久。基于此,本文將G4所在的整個匯水區作為研究對象,借助水力模型軟件分析當日漬水原因并嘗試提出解決方案。在眾多的水力模型軟件中,由于InfoWorks ICM不僅能較為真實地模擬管網系統與受納水體之間的相互作用,還能較好地耦合管網河道一維水力模型及城市地表二維洪澇淹沒模型,從而盡可能完整地模擬從降雨形成徑流到管網收集傳輸,最后再排入自然水體的整個過程[1-3],故本文采用InfoWorks ICM軟件來搭建研究區域的一維、二維耦合水力模型。

1 研究區概況

本次研究對象為主干道G4所在的整個匯水區——H匯水區,總面積約30 km2,防澇標準為50年一遇。該匯水區按主干排水管涵可劃分為4個子系統,包括G4、G1、GD、BH干管子系統,4個子系統末端出口均為紅旗渠。當紅旗渠水位不高時,4個子系統的雨水均由末端閘門控制自排進入紅旗渠,然后通過紅旗渠排入TX湖(與外江連通);而當紅旗渠水位上漲過高對上游形成頂托時,為保障某重要地塊排澇安全,GD干管子系統末端閘門關閉,系統內雨水轉而先排入秀湖后再由秀湖泵站抽排至紅旗渠,其余子系統仍由閘門控制直接自排進入紅旗渠。此外,由于H匯水區內存在雨污混流的情況,因此為保護湖泊水環境,晴天和小雨時,G4和G1干管子系統主箱涵末端的閘門(截污閘)處于關閉狀態,以截流旱季污水和初期雨水進行處理,待雨勢變大時再開閘排澇。

2 模型構建

將收集得到的H匯水區內的勘測管線、港渠斷面、閘泵設施等數據在GIS中處理后導入模型網絡進行概化,并根據不同類型下墊面確定適用的產匯流模型,最后結合區域地形數據進行2D區間網格化以搭建H匯水區的一維、二維耦合水力模型。此外,相關邊界條件的設置主要包括降雨數據和紅旗渠末端出口的TX湖水位2個參數,其中,降雨數據采用當日實測降雨,TX湖水位采用其規劃最高控制水位。

3 運行工況設置

分析該地區當日漬水原因,初步推測可能存在3個方面的問題:一是區域管網建設標準偏低;二是系統出口紅旗渠過流能力不足;三是箱涵末端閘門管控不合理。基于此,分別制定了3種運行工況以驗證上述猜想。

3.1 工況一

為驗證是否由于管網建設標準偏低造成地區漬水,將整個H匯水區與下游出流通道紅旗渠斷開且不設閘門,使H匯水區內4個子系統的末端保持自由出流的狀態,排除紅旗渠過流能力和末端閘門管控的影響,進而模擬驗證是否由于區域管道建設標準偏低造成了此次漬水。

3.2 工況二

保持H匯水區管網系統和出流通道紅旗渠之間的連通關系,考慮紅旗渠可能對管網系統造成的頂托,同時管網系統末端不設閘門,排除閘門管控的影響,以此來模擬驗證是否由于紅旗渠過流能力不足造成了主干道G4的漬水。

3.3 工況三

在工況二的基礎上,在管網系統末端設置截污閘,同時考慮紅旗渠頂托和閘門管控的影響,且閘門開啟與當日實際情況保持一致,即15點左右(雨峰過后)開啟,從而模擬驗證是否由于閘門管控不合理造成了本次淹水。

4 結果與分析

4.1 漬水原因分析

從工況一模擬結果可以看出,整個H匯水區沒有出現成片的漬水高風險區(漬水深度超過0.7 m的區域),且主干道GD和G4幾乎無明顯漬水風險,表明在匯水區管網系統末端保持自由出流的暢通條件下,當日的實際降雨不會導致該區域發生嚴重的漬水,因此認為造成此次漬水的原因并非該區域管網建設標準偏低(見圖1)。

圖1 工況一模擬結果

工況二模擬結果表明,主干道GD發生了較為明顯的漬水(局部最大深度在0.4～0.7 m),但G4仍未出現漬水風險,同時在降雨過程中,紅旗渠上游的最高水位上漲至20.5 m,對管網頂托嚴重(見圖2)。通過分析認為,紅旗渠確實存在過流能力不足的問題,由于紅旗渠無法同時滿足來自GD和G4的雨水排放,致使其水位快速上升對上游管網形成頂托,從而導致地勢較低、排水條件更為不利的GD發生較為明顯的漬水(由于未達到起泵條件,此時秀湖泵站尚未開啟)。然而,由于G4仍未出現漬水,因此紅旗渠過流能力不足同樣不是此次漬水問題的根源。

圖2 工況二模擬結果

工況三模擬結果顯示,主干道G4軟件學院門口發生了嚴重漬水,G1道口及周邊區域輕微漬水,與當日實際情況基本相符(見圖3)。結合工況一和工況二的模擬結果綜合分析可知,在G1和G4主箱涵末端閘門保持關閉直至雨峰過后開啟的條件下,紅旗渠前期主要排放GD子系統的雨水,因而該條件下GD未發生明顯漬水,而G4由于兩個主箱涵末端閘門未及時開啟,導致出現了較為嚴重的漬水。因此,認為本次漬水的主要原因為末端閘門管控不合理。

圖3 工況三模擬結果

4.2 改造方案研究

4.2.1 方案制定

通過上述分析可知,2021年6月27日主干道G4發生的局部嚴重漬水,一方面是由于其主干箱涵末端閘門開啟不及時所導致的;另一方面,作為整個H匯水區出流通道的紅旗渠雖然未直接導致本次漬水,但也確實存在過流能力不足的問題,致使地勢較低的GD干管子系統始終伴隨著較大的內澇風險。因此,為一勞永逸地解決H匯水區的易漬水問題,本文考慮從工程建設和管理提升兩個方面研究提出解決方案。

工程建設方面,由于紅旗渠起端與TX湖之間原本有一段溢流堰,標高為18.5 m,若紅旗渠水位過高則可直接溢流進入TX湖,以確保紅旗渠不會對上游形成頂托進而造成漬水。但由于施工原因,該溢流堰被臨時用作施工便道并被抬高至20.5 m,致使在雨量較大時紅旗渠水位迅速上漲,進而導致上游出現內澇風險。鑒于此,本文從節省投資的角度出發,提出將施工便道高程降至原本的18.5 m,恢復其溢流功能。而在管理提升方面,研究提出建設H匯水區智慧水務信息平臺,以精確及時地感知區域漬水情況,快速有效地調度閘門泵站等水務設施,大幅提升排水防澇應急管理效率,降低區域內澇風險。

4.2.2 效果評估

效果評估的工況為溢流堰恢復且完成了智慧水務系統建設,紅旗渠內澇水可正常溢流至TX湖、G4和G1干管子系統主箱涵末端閘門能夠及時開啟,降雨條件分別為2021年6月27日實測降雨、50年一遇3小時設計暴雨、50年一遇一日設計暴雨。通過模擬發現,工程實施后,GD、G4及G1等主干道的漬水風險顯著下降,整個H匯水區內也僅有個別局部低洼點內澇風險較高,因此可以認為該方案成效顯著。

5 結論

(1)采用InfoWorks ICM軟件搭建了整個H匯水區的一維、二維耦合水力模型,同時針對2021年6月27日局部漬水問題的原因初步提出了3種猜想,分別是區域管網建設標準偏低、系統出口紅旗渠過流能力不足、箱涵末端閘門管控不合理。

(2)為驗證上述猜想,分別設置了3種運行工況進行模擬。結果表明:①H匯水區的排水管網建設標準滿足2021年6月27日降雨條件下的排澇需求;②系統出流通道紅旗渠確實存在過流能力不足的問題,但并非導致當日主干道G4發生局部漬水的原因;③2021年6月27日主干道G4發生局部嚴重漬水的主要原因是其兩個主箱涵末端閘門開啟不及時。

(3)通過恢復紅旗渠起端與TX湖之間的溢流堰可以確保超過紅旗渠過流能力的澇水直接溢流進入TX湖,不對上游造成頂托;此外,結合區域智慧水務信息系統建設可有效提升防澇應急管理效率,顯著降低區域內澇風險。