基于暴雨洪水管理模型的菊樹北涌排澇評估及綜合整治

林希璐

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510635)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷推進,城市土地的不透水面積增加,導(dǎo)致雨水無法迅速滲透到地下,加上排水系統(tǒng)的不完善,使城市內(nèi)澇成為普遍存在的問題[1]。頻繁的暴雨事件和不完善的排澇系統(tǒng),導(dǎo)致城市經(jīng)常面臨洪水的威脅,給居民的生活和財產(chǎn)安全帶來巨大的風(fēng)險[2]。

為了解決菊樹北涌排澇問題,基于暴雨洪水管理模型的評估和綜合整治成為一種有效的方法。該模型能夠模擬和預(yù)測暴雨洪水過程,評估現(xiàn)有排澇系統(tǒng)的性能,并提供科學(xué)的洪水管理和排澇決策支持。本文針對菊樹北涌排澇能力面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)以及現(xiàn)有排澇系統(tǒng)存在的問題,如排水管道狹窄、泵站容量不足等,提出相應(yīng)的改進和優(yōu)化方案。本次研究的創(chuàng)新點是對菊樹北涌排澇系統(tǒng)的模擬和分析,并深入了解其存在的問題和瓶頸,提出相應(yīng)的改進方案和措施,以期提高菊樹北涌的排澇能力和抗洪能力,為菊樹北涌的排澇問題提供科學(xué)的解決方案,提高該區(qū)域的防洪排澇能力,保障居民的生活和財產(chǎn)安全。研究結(jié)果可為其他城市的排澇工程和洪水管理提供借鑒和參考,推動城市的可持續(xù)發(fā)展和安全運行。

1 暴雨洪水管理模型在菊樹北涌排澇中的應(yīng)用

1.1 菊樹北涌排澇工程概況

本次研究對象是菊樹北涌綜合整治工程,位于廣州市荔灣區(qū)。菊樹北涌綜合整治工程的整治長度0.79km,概算總投資2 021.16萬元。工程任務(wù)主要是排澇和堤岸整治,其次是水景觀建設(shè)。整治起點為菊樹北涌匯入大和涌處,終點為菊樹北涌閘泵。本次的整治長度為0.825km,在整治過程中,預(yù)計河寬設(shè)計8.3～12.2 m,設(shè)計河底高程約-0.45～-0.2m。菊樹北涌為海龍圍內(nèi)的排澇河道,設(shè)計排澇流量4.39m3/s。河道的整治內(nèi)容包括堤岸重建、橋涵拆除重建。排澇綜合整治工程是為了解決城市內(nèi)澇問題而進行的一系列綜合性工程,其主要任務(wù)是通過改善排水系統(tǒng)、優(yōu)化水資源利用和改變城市規(guī)劃,提高城市的排澇能力和抗洪能力。

排澇綜合整治工程首先對城市的排澇狀況進行調(diào)查和評估,包括收集歷史洪水和內(nèi)澇數(shù)據(jù),分析排水系統(tǒng)的瓶頸和問題,確定治理的重點區(qū)域和目標(biāo)。然后根據(jù)調(diào)查和評估結(jié)果,制定排澇綜合整治的規(guī)劃和設(shè)計方案。其次根據(jù)規(guī)劃和設(shè)計方案,進行排澇綜合整治工程的建設(shè)和施工,包括土地開挖、管道安裝、泵站建設(shè)等工程活動。完成排澇綜合整治工程后,需要進行運行和維護工作,確保排澇系統(tǒng)的正常運行。最后對排澇綜合整治工程進行管理和監(jiān)督,確保工程的質(zhì)量和效果。通過改善排水系統(tǒng)、合理規(guī)劃城市,可以有效應(yīng)對暴雨洪水和內(nèi)澇問題,提高城市的生活質(zhì)量和安全性。

本次研究嘗試基于暴雨洪水管理模型進行菊樹北涌排澇綜合整治,暴雨洪水管理模型是用來預(yù)測和管理暴雨引發(fā)的洪水的一種數(shù)學(xué)模型。這種模型基于大氣條件、地理地形和水文特征等因素,通過建立數(shù)學(xué)方程和模擬方法,模擬暴雨洪水的發(fā)生和演變過程,以提供預(yù)警和決策支持。因此,在暴雨洪水管理模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用設(shè)施景觀設(shè)計技術(shù)(Low Impact Development, LID),其模型見圖1。

基于暴雨洪水管理模型的LID是一種綜合性的策略,旨在減少暴雨洪水的影響,并改善水資源管理[3-4]。它采用多種措施來模擬和管理暴雨引起的徑流,減少洪水風(fēng)險,并提高水質(zhì)。包括雨水收集,通過安裝雨水桶、雨水花園、地下蓄水池等設(shè)施,用于收集和儲存降雨水,這樣可以減少徑流量,延緩洪水的形成。通過綠地建設(shè)增加綠地覆蓋,包括綠色屋頂、雨水花園、濕地等,這些綠地可以吸收和滯留降雨水,減少徑流和提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]。其次采用透水鋪裝材料,如透水混凝土、透水磚等,降低地面徑流產(chǎn)生的速度和量。同時,利用植被、濕地植被等進行生物工程修復(fù),提高土壤的保水能力和降雨水的滯留時間。

1.2 暴雨洪水管理模型在排澇中的應(yīng)用

暴雨洪水管理模型是一種用于評估和管理城市洪水風(fēng)險的工具[6]。該模型通過模擬暴雨洪水事件的發(fā)生和傳播過程,預(yù)測洪水的淹沒范圍和水位,并提供洪水預(yù)警和災(zāi)害應(yīng)對的建議[7-8]。在排澇中利用暴雨洪水管理模型,可以進行城市排澇系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計,通過模擬不同降雨強度和頻率的暴雨事件,評估排澇系統(tǒng)的能力和脆弱性,確定合適的排澇設(shè)施和容量,以應(yīng)對不同級別的洪水[9]。暴雨洪水管理模型中,通過模型的計算,可以預(yù)測洪水事件中的徑流量大小,并預(yù)測洪水事件中的水位變化情況。

為了評估模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的一致性和可信度,采用變異系數(shù)進行分析,變異系數(shù)如下:

(1)

為了描述降雨事件的頻率和概率,采用降雨重現(xiàn)期指標(biāo)進行分析,降雨重現(xiàn)期是洪水管理和排澇規(guī)劃中重要的參考指標(biāo)。通過對歷史降雨數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計,可以確定不同重現(xiàn)期下的降雨強度。這些數(shù)據(jù)對于城市排澇系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)非常重要,因為排澇系統(tǒng)需要具備足夠的容量和能力來處理不同重現(xiàn)期下的降雨事件,以保障城市的排澇效果。

為了選擇菊樹北涌的降雨情景,將短歷時重現(xiàn)期設(shè)置為1、2、3、5年;為了考察菊樹北涌管網(wǎng)排水能力,將重現(xiàn)期設(shè)置為10、20、30、50年。其中,短歷時降雨暴雨表達式如下:

(2)

式中:q為降雨強度;T為設(shè)計的重現(xiàn)期;t為降雨歷時。

暴雨洪水管理模型可以提供準確的洪水預(yù)警信息,及時預(yù)測洪水的發(fā)生和發(fā)展趨勢[10],有助于城市管理部門做出及時的應(yīng)急響應(yīng),調(diào)動救援力量和資源,保障人民生命財產(chǎn)的安全。為了驗證模型的合理性,通過不同重現(xiàn)期下相關(guān)水文數(shù)據(jù)的相應(yīng)變化進行研究,結(jié)果見圖2。

圖2 不同降雨重現(xiàn)期菊樹北涌水文數(shù)據(jù)變化情況

圖2為菊樹北涌水文數(shù)據(jù)在不同降雨重現(xiàn)期下的相應(yīng)變化趨勢。由圖2可知,除降雨量以外,隨著降雨重現(xiàn)期的增加,菊樹北涌的徑流總量、排放總量、下滲量與降雨重現(xiàn)期的變化呈正相關(guān)變化關(guān)系。其中,當(dāng)降雨重現(xiàn)期大于3年時,系統(tǒng)的徑流總量大于系統(tǒng)的排放總量,表明內(nèi)澇的出現(xiàn)。這是由于排水系統(tǒng)不足或者排水設(shè)施堵塞等原因,導(dǎo)致地表積水嚴重。但由圖2可以看出,無論是重現(xiàn)期為1年還是為50年,在所有重現(xiàn)期內(nèi),系統(tǒng)徑流總量、排放總量、下滲量均隨著重現(xiàn)期的增加而攀幅量較大。其主要原因是極端降雨事件如暴雨會導(dǎo)致短時間內(nèi)降下大量的雨水,超出排水系統(tǒng)的處理能力,雨水排水系統(tǒng)包括下水道、暗管、排水溝等設(shè)施。如果這些設(shè)施的設(shè)計容量不足或者建設(shè)不完善,就會導(dǎo)致雨水無法迅速排出,最終造成內(nèi)澇。從圖2還可以看出,系統(tǒng)徑流總量的變化趨勢與整個系統(tǒng)的變化趨勢保持一致,而徑流峰值與凈流量也隨著重現(xiàn)期的增加而增加,由此可知本次研究的暴雨洪水系統(tǒng)具有一定的合理性。

暴雨洪水管理模型在城市排澇中的綜合整治過程是通過模擬和預(yù)測暴雨洪水過程,以及評估和優(yōu)化排澇系統(tǒng)的設(shè)計和運行,從而提供科學(xué)的洪水管理和排澇決策支持來進行的。具體來說,首先收集和整理相關(guān)的地理數(shù)據(jù),包括地形數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場調(diào)查、衛(wèi)星遙感、氣象觀測等方式獲取,并進行處理和轉(zhuǎn)換,以便在模型中使用;接著基于歷史降雨數(shù)據(jù)和氣象模型。其次根據(jù)城市的地形和排水系統(tǒng)的參數(shù),結(jié)合暴雨模擬和預(yù)測結(jié)果,可以建立排澇系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后基于模型模擬結(jié)果,可以評估城市區(qū)域的洪水風(fēng)險,包括淹沒范圍、淹水深度等指標(biāo)。根據(jù)評估結(jié)果,可以提出相應(yīng)的洪水應(yīng)對建議,如建設(shè)防洪墻、調(diào)整土地利用等,以減少洪水災(zāi)害的影響。總之,暴雨洪水管理模型通過模擬和預(yù)測暴雨洪水過程,以及評估和優(yōu)化排澇系統(tǒng)的設(shè)計和運行,為菊樹北涌排澇提供科學(xué)的決策支持。

2 暴雨洪水管理模型在菊樹北涌的排澇效果分析

2.1 排水防澇能力評估

為了評估暴雨洪水模型在菊樹北涌排澇問題中的應(yīng)用效能,首先對菊樹北涌的流量平衡狀態(tài)進行評估,連續(xù)性誤差是評估水量流量模型準確性的重要指標(biāo)。通過研究連續(xù)性誤差,可以了解模型輸出與實際情況之間的差異,并評估模型的可靠性和準確性。在城市排水防澇中,如果模型的連續(xù)性誤差較大,可能導(dǎo)致對排水系統(tǒng)的評估和優(yōu)化不準確,進而影響城市的防澇能力。評估結(jié)果見表1。

表1 水量變化在不同降雨重現(xiàn)期下的數(shù)值

研究連續(xù)性誤差與城市排水防澇能力的關(guān)系,有助于提出改進模型和優(yōu)化排水系統(tǒng)的策略。由表1可知,隨著重現(xiàn)期的增加,下滲量與徑流量的比值逐漸減小,從0.69減少至0.5,表明在研究模型下排水問題得到顯著改善。由此可知,暴雨洪水管理模型的模擬結(jié)果合理。通過深入研究連續(xù)性誤差的成因,可以針對性地改進模型和優(yōu)化排水系統(tǒng),減小誤差,并提高排水系統(tǒng)的效率和防澇能力,有利于進行下一步研究。將改造后的徑流總量、峰值流量、下滲量及超載管道的削減率進行比較,得出暴雨洪水系統(tǒng)在菊樹北涌排澇中的作用,分析結(jié)果見圖3。

圖3 排水能力評估

圖3為暴雨洪水管理在菊樹北涌的排水能力評估結(jié)果圖。由圖3可知,隨著重現(xiàn)期的增加,徑流系數(shù)下降,重現(xiàn)期為50年時,總削減率超過20%。同樣,隨著重現(xiàn)期的增加,峰值流量也呈下降趨勢,由此可以得知暴雨洪水系數(shù)有效減緩了內(nèi)澇,同時提高了洪水的排放量,當(dāng)重現(xiàn)期為10年時,徑流峰值削減18%以上。隨著重現(xiàn)期的增加,洪水下滲量呈增加趨勢,到重現(xiàn)期為50年時,下滲率增加25%以上,表明暴雨洪水系統(tǒng)對菊樹北涌的水土流失起到有效的整治作用。而從超載管道看,隨著重現(xiàn)期的增加,區(qū)域的超載管道呈現(xiàn)出下降趨勢,由此可以得出研究系統(tǒng)減少了區(qū)域管網(wǎng)的洪水負擔(dān),在重現(xiàn)期為50年時,對超載管道的削減效果達到最好削減率為38%。綜上可知,研究的暴雨洪水管理系統(tǒng)可以有效減少洪水的徑流量與徑流峰值,有利于菊樹北涌的內(nèi)澇整治與洪水排放,提高洪水管理能力。

2.2 暴雨洪水管理技術(shù)在菊樹北涌的實際應(yīng)用效果分析

節(jié)點作為排水系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分,負責(zé)接收和排放雨水,因此通過研究節(jié)點溢流情況,可以了解排水系統(tǒng)在暴雨等極端條件下是否能夠正常運行。因此,為了評估暴雨洪水管理系統(tǒng)在菊樹被涌中的實際應(yīng)用效果,通過對排水系統(tǒng)中的節(jié)點溢流情況對排澇效果進行直觀的分析。對不同降雨重現(xiàn)期的節(jié)點溢流情況的分析結(jié)果見表2。

表2 節(jié)點在不同降雨重現(xiàn)期的溢流情況

由表2可知,當(dāng)降雨重現(xiàn)期為1～5年時,菊樹北涌的節(jié)點過載管道超過40,其過載率由59%降為41%,過載量減少18%,且隨著重現(xiàn)期的加大,相應(yīng)的節(jié)點最大溢流量呈下降趨勢。當(dāng)重現(xiàn)期超過10年時,節(jié)點溢流的個數(shù)出現(xiàn)明顯減少的趨勢;當(dāng)重現(xiàn)期為50年時,節(jié)點溢流個數(shù)減少到8,過載率僅為8%,節(jié)點溢流時間縮減為0.01h。由此可知,暴雨洪水系統(tǒng)在城市內(nèi)澇中有著明顯的改善效果。

根據(jù)應(yīng)用模型前后菊樹北涌地區(qū)的徑流過程變化線,對其排澇應(yīng)用能力進行評估,結(jié)果見圖4。圖4(a)為重現(xiàn)期為5年時改造前和改造后徑流量過程變化;圖4(b)為重現(xiàn)期為10年時改造前和改造后徑流量過程變化;圖4(c)為重現(xiàn)期為50年時改造前和改造后徑流量過程變化。

圖4 不同重現(xiàn)期下排放口徑流過程變化線

由圖4可以看出,在不同的重現(xiàn)期下,菊樹北涌的徑流量在改造后都有明顯的削弱現(xiàn)象。當(dāng)重現(xiàn)期為50年時,改造后的徑流量比改造前的徑流量削弱20m3。與降雨峰值相比,徑流峰值均有明顯的后延趨向,徑流峰值相比于降雨峰值延遲0.2h。由此可知,暴雨洪水管理系統(tǒng)有利于緩解菊樹北涌地區(qū)的內(nèi)澇現(xiàn)象。綜上可知,暴雨洪水管理系統(tǒng)在菊樹北涌地區(qū)的排澇應(yīng)用中有著顯著的效能,不僅能夠減少系統(tǒng)管網(wǎng)的洪水負載量,同時能夠減少雨水徑流量。

3 結(jié) 論

針對菊樹北涌地區(qū)內(nèi)澇問題亟待解決的現(xiàn)狀,本文提出了利用設(shè)施景觀設(shè)計技術(shù)的暴雨洪水管理模型對河道進行改建,并對暴雨洪水管理模型進行了性能對比試驗。結(jié)果顯示,在重現(xiàn)期為50年時,對超載管道的削減效果達到最好削減率為38%;當(dāng)重現(xiàn)期為50年時,節(jié)點溢流個數(shù)減少至8,過載率僅為8%。最長的節(jié)點溢流時間僅為0.01h;當(dāng)重現(xiàn)期為50年時,改造后的徑流量比改造前的徑流量削弱20m3。研究表明,暴雨洪水管理模型可以有效解決菊樹北涌地區(qū)的內(nèi)澇問題。