大黑水河流防洪排水體系優化設計方案研究

褚曉偉

（太原市市政工程設計研究院,山西 太原 030000）

1 項目概況

大黑水河是太原市河西北部地區主要的城市退水渠之一,全長14.7 km,流域面積56.42 km2,由于管理滯后等諸多原因,該地段的建設開發為大黑水河防洪排水設施制造了諸多問題,尤其是在興華街至漪汾街的約2 km 河段,諸多建設開發單位對河道進行覆蓋改造,其覆蓋段內涵洞高程、縱坡、斷面沒有統一標準,大部分覆蓋段未按河道規劃實施,部分斷面過水能力與河道規劃流量相差甚遠,這一狀況對該段河道的行洪及排水功能產生了嚴重損傷,導致大黑水河近幾年下游段相繼多次出現洪災及排水不暢等險情[1]。

為了解決該地區的防洪隱患,同意實施大黑水河流域治理工程,工程項目的建設規模及主要內容為：在西環高速公路以西新建4.7 km 長大黑水河截洪溝及2 座緩洪池,緩洪池容積10.68 萬m3；雨水泵站1 座,規模為6 m3/s；雨水調蓄池1 座,調蓄容積9.36 萬m3；西南鐵路環線（柴村、三給片區）排水塹溝,全長1090 m。該工程實施完畢后,該區域的防洪排水體系將基本形成,并能有效地解決區域內雨洪水排除問題。

2 原方案設計工程內容

大黑水河在北排洪溝倒虹涵洞流量仍為現狀,在北排洪溝倒虹涵洞入口處附近修建調節池及調節泵站等調洪設施。原設計防洪排水系統平面圖見圖1。倒虹涵洞控制設計流量Q=13.79 m3/s,泵站規模6 m3/s。調節池脫過系數0.403 調節池調蓄容積為9.36 萬m3,設計水深3.5 m,調節池面積2.674 萬m2,占地40.11 畝；泵站占地面積約4.5 畝。調節池和泵站共占地面積44.61 畝。

圖1 大黑水河泵站進水管流量隨時間的變化（P=1 年）

工程項目建設規模及內容為：1）西環高速公路以西新建4.7 km 長大黑水河截洪溝,以攔截西山邊山支溝洪水。新建2 座緩洪池,緩洪池總容積10.68 萬m3。1#緩洪池容積V=6.24 萬m3,面積2.58 萬m2,占地38.70 畝；2#緩洪池容積V=4.44 萬m3,面積1.69 萬m2,占地25.35 畝。西側邊山支溝洪水調蓄后自北向南分三個路由進入下游排水體系：①進入柴化路雨水系統后,排入現狀大黑水河；②進入西南環鐵路西側排水塹溝后,排入現狀大黑水河；③向東排入北排洪溝。2）在北排洪溝北側新建雨水泵站1 座,規模為6 m3/s；雨水調蓄池1 座,調蓄容積9.36 萬m3,將大黑水河來水抽排入北排洪溝。3）新建西南鐵路環線（柴村、三給片區）排水塹溝,全長1090 m。將鐵路周邊雨水及調蓄后洪水排入現狀大黑水河。

3 現存在問題

3.1 太古嵐鐵路至北排洪溝段大黑水河現狀

該段大黑水河河道寬8 m～12 m,堤高2 m。由于受河道周邊已建成的永久建筑限制,現狀河道不具備拓寬改造的條件。因此,2015 年,《大黑水河流域治理工程》設計中,對該段大黑水河進行了清淤改造,清淤后的最大過流能力13.79 m3/s,滿足城市雨水一年一遇的排除標準。隨著城市的建設發展,該區域的重要性不斷提升,城市排水標準也相應提高,該段大黑水河做為區域內唯一的排水出路,已經不能滿足防洪排水的要求。

3.2 北排洪溝以南段大黑水河現狀

（1）北排洪溝倒虹至興華街

北排洪溝上游河道的防洪及排水設防標準較低,太原西南環鐵路柴村路塹排水渠內雨水接入營村北的現狀大黑水河內,加大了大黑水河的流量,大黑水河雨、洪水下游無法滿足排除要求,必須解決三給村、柴村片區西側邊山洪水的排除問題。否則嚴重制約該片區的開發建設。

（2）興華街至漪汾街

南排洪溝作為大黑水河最大支渠于興華街南側接入,設計流量22.0 m3/s。大黑水河興華街至漪汾街段全長約1.7 km,該段河道已全部覆蓋,防洪及排水現狀為：①迎西歌城過水能力25.26 m3/s；②山西達巖實業有限公司覆蓋建設段過水能力48.34 m3/s；③山西松林實業有限公司開發的住宅樓群過水能力37.2 m3/s；④山西軍轉房地產開發公司開發住宅樓群（包括市建筑設計研究院住宅樓）過水能力47.26 m3/s,該段河道已全部覆蓋,存在不同程度的淤積,污水橫流,環境污染較嚴重。

（3）漪汾街至玉門河

該段河道全長約1 km,河道底寬6 m～9 m 不等,河道淤堵現象嚴重,河堤為土堤或漿砌片石,河道內污染嚴重,局部渠段過水能力僅5 m3/s～8 m3/s。大黑水河接入玉門河處,縱坡小,過流能力差,當玉門河水位較高時,會對大黑水河造成頂托,影響大黑水河的排除。

4 方案調整的必要性

北排洪溝北岸的大黑水河泵站及雨水調蓄池在工程實施過程中,在工程場地中央挖出2 m 直徑的引黃管道,管道埋深約2 m,引黃管道從原設計調蓄池中央穿過,且高出調蓄池底2 m。當雨洪水進入調蓄池時,勢必會對引黃管的使用造成影響。且調整方案擬增大泵站規模,泵站的占地面積也相應增加,在不增加征地的前提下,需壓縮調蓄池的占地面積。調蓄池容積基本不變,占地面積變小,調蓄池深度增加,受較高的地下水位影響,調蓄池結構形式必須改成全地下鋼筋混凝土結構。因此,本次方案將泵站及調蓄池調整為以引黃管道為界,管道南側布置為半地下泵站,管道北側布置為全地下鋼筋混凝土調蓄池,引黃管道兩側各預留10 m 保護距離。

要解決大黑水河流域現狀存在問題,除了利用現狀大黑水河以外,還必須為區域內排水找到新的路由。由于大黑水河下游段排水條件差,又不具備改造條件,所以應盡量在上游有條件處增設排水設施,保證將大黑水河雨洪水高水高排,減輕大黑水河下游排水壓力。根據以上原則,本次調整了原設計方案,形成了新的排水方案。

5 調整方案優化設計

5.1 綜合原方案設計方案進行優化

太古嵐鐵路至北排洪溝范圍內排水標準低,現狀大黑水河過流能力不足,無法滿足提高標準后的城市雨水及調蓄后的邊山支溝的洪水的負荷,需要增加該范圍內新的排水路由,減輕現狀大黑水河的排水壓力。因此,本次調整方案設計在昌盛東街下設置480 m長排水暗涵,暗涵斷面為2孔3 m×2 m,將大黑水河上游來水接入新修建的太白路下的排水系統。

北排洪溝以南段大黑水河過流能力差,排水負擔重。為解決該問題,本次調整方案設計對原方案設計中北排洪溝以北的雨水調蓄池的容量、面積、形式及泵站的規模進行了調整,增大原設計泵站抽排能力,將原設計流量6 m3/s,提高到30 m3/s,將北排洪溝以北的大黑水河來水全部抽排入北排洪溝,使大黑水河下游渠道僅負責排除下游沿線城市雨水,減輕了下游排水壓力。超過泵站抽排能力的超標雨水進入調蓄池內,洪峰過后再抽排入北排洪溝。同時,保留現狀大黑水河下穿北排洪溝處的倒虹,做為超標水量備用的排水出路。本次泵站及調蓄池的調整方案,仍利用原方案中已批復的泵站調蓄池的位置和占地面積,無需增加征地拆遷面積。

5.2 雨水計算

5.2.1 匯水范圍

根據周邊已經形成及正在形成的雨水系統,按照高水高排的原則,確定的調蓄池雨水匯水范圍如下：西起西環高速公路,東至濱河西路,北起柴化公路,南至汾西街（西南環線以西）、北排洪溝。匯水面積約1256 hm2。

5.2.2 計算公式及參數

（1）暴雨強度公式

式中：q 為設計暴雨強度,L/（s·hm2）；P 為設計重現期,a；t 為降雨歷時,min；t1為地面集水時間,取10 min；t2為管渠內雨水流行時間,min。

（2）調蓄池計算公式（脫過系數法）：

式中：V 為調蓄池有效容積,m3；α為脫過系數,取值為調蓄池下游設計流量和上游設計流量之比；Q 為調蓄池上游設計流量,m3/min；b、n 為暴雨強度公式參數；t 為降雨歷時,min。

（3）調蓄池放空時間公式：

式中：t0為放空時間,h；V 為調蓄池有效容積,m3；Q'為下游排水管渠或設施受納能力,m3/s；η為排放系數。

（4）徑流系數：規劃建設區采用綜合徑流系數￠=0.65,調蓄池放空時間不大于6 小時,排放效率0.6。

5.2.3 計算成果

雨水設計流量采用推理公式計算,調蓄池采用脫過系數法計算。由于匯水面積大于200 hm2,采用數學模型Infoworks ICM 模型校核。以下通過對一年一遇、兩年一遇、三年一遇的排水標準進行計算比較,確定合理的設計方案。

（1）推理公式及脫過系數計算結果

經計算,P=1 年匯水范圍流量為Q=33 m3/s；P=2 年匯水范圍流量為Q=42 m3/s；P=3 年匯水范圍流量為Q=47 m3/s。集中轉輸大黑水河上游洪水及邊山支溝調蓄后洪水11 m3/s,P=1 年,調蓄池進水流量按44 m3/s,脫過流量30 m3/s,經脫過系數法計算,調蓄池池容V=5.3 萬m3；P=2 年,調蓄池進水流量按53 m3/s,脫過流量30 m3/s,經脫過系數法計算,調蓄池池容V=9.1 萬m3；P=3 年,調蓄池進水流量按58 m3/s,脫過流量30 m3/s,經脫過系數法計算,調蓄池池容V=11.5 萬m3。

（2）Infoworks ICM 模型計算校核結果

模型計算假定,由太白路雨水方涵集中轉輸洪水流量11 m3/s。

調蓄池泵站進水對應的峰值流量、調蓄池池容及水泵累計抽升流量見圖1。

由圖可知,泵站單孔進水涵流量于2 小時15 分鐘達到最大,為8.16 m3/s,四孔流量總計32.64 m3/s；水泵累計抽升雨水量總計33.53 萬m3；降雨在5 小時10 分鐘需要調蓄池池容最大為2.03 萬m3。

2）P=2 年

調蓄池泵站進水對應的峰值流量、調蓄池池容及水泵累計抽升流量見圖2。

圖2 大黑水河泵站進水管線（單線）流量隨時間的變化（P=2 年）

由圖2 可知,泵站單孔進水涵流量于2 小時05 分鐘達到最大：11.93 m3/s,四孔流量總計47.72 m3/s；水泵累計抽升雨水量總計36.41 萬m3；降雨在4 小時55 分鐘需要調蓄池池容最大為6.71 萬m3。

3）P=3 年

由圖3 可知,泵站單孔進水涵流量于2 小時10 分鐘達到最大：13.19 m3/s,四孔流量總計52.76 m3/s；水泵累計抽升雨水量總計40.00 萬m3；降雨在3 小時10 分鐘需要調蓄池池容最大為8.55 萬m3。

圖3 大黑水河泵站進水管線（單線）流量隨時間的變化（P=3 年）

4）根據以上計算結果確定,脫過泵站流量30 m3/s。調蓄池有效池容8.6 萬m3。

5.3 兩次方案設計內容比較與效果

本次對尚未實施的工程內容進行了變化,利用太白路下排水箱涵,做為增加的一條新的排水通道,增大了北排洪溝北岸泵站的規模,提高了該區域排水標準。

現將兩次工程內容變化處列表進行比較見表1。

表1 方案設計實施情況對比

本工程通過以上工程措施,解決了大黑水河太古鐵路以南,西環高速公路以西,北排洪渠以北流域面積12.7 km2的山區洪水,以及太古鐵路以南,西干渠以西,北排洪渠以北,西環高速以東,流域面積14.33 km2的城市雨水,將流域范圍內防洪標準提高到五十年一遇,雨水重現期提高到三年,同時減輕了大黑水河下游的防洪排水壓力。

6 結語

通過本次研究,提出了一系列優化設計方案,旨在改善大黑水河流防洪排水體系的性能和安全性。研究結果表明,通過合理規劃和科學管理,可以提高大黑水河流防洪排水體系的效率,減少洪災風險,保護人民生命財產安全,同時注意實施需要考慮到當地的地理環境和社會需求,確保其可持續性和環境友好性,因此,在將來的工作中,可近一步完善優化設計方案,并與當地政府和相關部門合作,共同推動大黑水河流防洪排水體系的優化建設和管理。