极端气候条件下沿海平原建成区管网容量评估分析

陈 露

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

0 引言

由于全球气候持续变暖，极端天气事件持续增长。城市内涝频繁发生，轻则城市瘫痪，重则洪水淹城，造成人员和财产损失。尤其自2020 年6 月以来，江南、华南、西南等地出现持续性强降雨天气，南方地区发生入汛以来最强降雨过程，江南大部、华南中北部及西南地区东部等地区降雨量打破历史记录。随着城市开发进程加快，硬质路面及雨水排放系统基本已完善，在建城区对雨水管网全面提标改造基本不具备实施条件。此外沿海平原地区河网密集，河道水位较高，对传统重力为主的自排系统影响较大，城市水安全面临更大的挑战。

传统的推理公式法无法对内涝进行动态分析，借助模型采用降雨资料对片区管网动态分析，对造成内涝的原因进行分析，为提出合理经济的提升改造措施提供参考依据。

1 工程概况

该文选用连云港市某工业园区内地块进行案例分析，该地块位于连云港徐圩新区，地块范围为228 国道以东（含228 国道）、复堆河以西、西港河以南、南复堆河以北，四周均有水系，不受外部转输雨水的影响，属于一个独立的雨水排放体系。地块性质属于沿海平原，地块内道路管网基本已建成，地块内建设正在有序推进。

2 现状分析

2.1 规划河道控制水位过高

城市排水安全不仅取决于排水系统的排水能力，还在取决于排放水体的水位控制。参考当地防洪除涝规划修编，在20 年一遇暴雨强度下，西港河最高水位约2.39m，其余河道约2.35m（85 高程）。该模拟采用30 年一遇暴雨，因此该模拟水位暂按经验选取：西港河2.49m，其余河道2.45m（85 高程）。地块标高为3.5m～4m，在地势平坦地区，水头越小对排水越不利。

2.2 管道重现期标准偏低

随着建设强度的逐步增加，径流量逐步加大，汇流时间逐步减少，圩区内管网排放压力进一步增大。该地块内路网及管网基本已建成，地块内道路及地下雨水管网建设时期较早，原雨水管网重现期标准均采用1-2 年，基地内已建或在建企业11 家，均采用雨污分流制，基本采用2 年一遇的暴雨重现期标准，今年来随着雨水专项规划修编，道路雨水管网设计标准已提高至5 年，但该片区内道路占比很少。随着地块内企业入驻，下垫面硬化率不断提高，原设计雨水管网无法满足地块及道路雨水排放需求。采用推理公式并结合Infoworks ICM 模型模拟方法，对该片区现状管网的排水能力评估，根据评估结果，现状超过95%的管道排水能力低于2 年一遇设计标准。

2.3 内涝防治及超标雨水系统不明确

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021)，连云港属于大城市，内涝防治标准为30 年一遇，该地块内雨水管网重现期最高标准仅为5 年，其超过设计标准的雨水均为超标雨水，该地块内仅部分地块设置了应急事故水池，还没有考虑该部分的雨水，无法判断应对极端暴雨的能力。

3 技术方案

3.1 总体方案

总体方案为：1）对地块及道路雨水排放需求进行分析，采用推理公式法校核规划管径，然后采用模型法进行内涝校核，并与实际情况进行率定，如与实际情况基本吻合，则校核的成果能被采用。设计重现期标准内降雨通过雨水管渠系统合理排放，不发生内涝积水。对无法满足内涝排放需求的管径进行方案设计，合理布局雨水排水系统，消除内涝隐患。同时提出详细设计参数，为企业地块内部排水系统建设、改造等提供参考。2）市政道路雨水根据受纳水体的分布、地形地势的条件，结合已建企业集中排放情况，本着就近、分散排放的原则划分雨水排水分区，就近排入水系内。3）新建企业和市政雨水项目应按规划确定的重现期标准实施雨水系统的建设，已实施完成、且低于规划重现期标准的道路和企业雨水系统，应结合大修改造计划，分批、逐步达到规划重现期标准。4）结合实际道路管网情况，提出方案应经济合理，尽量减少对道路交通的影响，采用施工难度较小的工程措施。

3.2 设计标准

该设计采用连云港暴雨强度公式：

式中：-降雨强度（mm/min）；-设计暴雨强度（/s·hm）；-降雨历时（min），=+；-地面集水时间，取10min；-管道内流行时间；-设计暴雨重现期为道路雨水管取5年，地块雨水管取3 年。

式中：-雨水设计流量（L/s）；-地面综合径流系数，一般取值为0.65，硬质路面取值0.8；-汇水面积（hm）。

圣·维南方程组如下。

式中：-过流断面流量；-距水道某固定断面沿流程的距离；-时间；-重力加速度；-过流断面的面积；-过流断面平均流速；-过流断面的水深；J-由于摩阻损失而引起的能量比降。

该方案采用芝加哥雨型进行模拟研究，参考当地城市内涝治理系统化实施方案，雨峰系数取0.4，30 年一遇3h 时设计降雨强度如图1 所示。

图1 连云港市30 年一遇3 小时芝加哥雨型降雨强度

该方案内涝防治标准如下：在30 年一遇3h 设计降雨条件下，地块雨水可以通过预留通道排出，且不造成地块内积水；若地块积水超过30cm，则确定该处为积涝点，须进行优化改造。

3.3 工程方案

根据实际情况，该研究范围内道路建设时间较早，管道采用有HDPE 管及钢筋混凝土管、石砌方沟，管材质量较差，同时管道老化、破损情况严重。该片区地质比较特殊，为淤泥质，管道沉降严重，管道多处出现堵塞、逆坡等情况，也是导致管道排放能力不足、道路及地块产生积淹情况的原因之一。具体情况需要结合CCTV 报告进行优化。

根据当地石化产业基地雨水专项规划修编：规划将现状损坏严重、基本丧失排水功能的雨水管道以及有路没管部分安排在2020 —2025 年实施；将没路没管或者有路有管，但不满足=3 年一遇重现期标准的部分安排在2026—2030 年实施。其余满足规划=3 年一遇重现期标准的部分建议保留利用。

对片区内8 条道路下雨水管道全部校核，仅苏海路的S228 至石化三路路段、陬山二路的S228 至港前大道路段、陬山路的S228 至海滨大道路段、石化七路的港前大道至海滨大道路段、港前大道的苏海路至陬山二路路段、石化三路的苏海路至复堆河路路段下雨水管网管径满足排水需求，其余路段均不满足重现期要求，均须在后期的建设计划中进行提标改造。

该地块内道路下管网除极个别道路的雨水管网须转输地块水，其余道路仅收集路面雨水。在对道路下雨水管道进行校验后，确保雨水管道基本能满足路面雨水排放需求。在此前提下，有关地块积淹问题主要为转输地块集中水量时排水通道不满足需求造成的，所以地块排水校验主要分析地块雨水预埋通道过流能力。

根据当地石化产业基地雨水专项规划修编，首先采用推理公式法对地块采用3 年重现期标准，对现状及规划企业排口进行校核及规划，然后采用Infoworks ICM 软件对校核后主要排水通道及现状过路管涵进行模型校核，若片区内主要排水通道可以满足内涝防治要求，则该方案以规划为主；若存在积淹水点，则对该段管道进行优化，以解决片区内涝风险。

选用Infoworks ICM 软件进行模拟，Infoworks ICM 的水力计算采用完全求解的圣.维南方程模拟管道，对超负荷的模拟采用Preissmann Slot 方法，能仿真各种复杂的水力状况。利用贮存容量合理补偿反应管网储量，避免对管道超荷载、洪灾错误预计。

该工程采用连云港市暴雨强度公式，采用芝加哥雨型，30 年一遇3h 降雨标准对片区内主要排水通道进行校验，雨峰系数取0.4。该设计范围内地块性质主要为工业用地和仓储用地，考虑厂区多数为硬质路面，因此该模拟地块汇流参数（地面曼宁粗糙系数）取0.013。规划重力管道坡度以1‰计，现状管道以现状坡度进行模拟。管材均选用钢筋混凝土管，管道粗糙系数选取0.013。检查井地面高程以4m 计。排口标高除现状以外，均以0.4m 计。该设计范围内涉及河道有：西港河、深港河、复堆河、南复堆河、新复堆河，共5 条河道。参考当地防洪除涝规划修编，在20 年一遇暴雨强度下，西港河最高水位约2.39m，其余河道约2.35m（85 高程）。该模拟采用30 年一遇暴雨，因此本次模拟水位暂按经验选取为西港河2.49m，其余河道2.45m（85 高程）。

模型建立步骤如下：1）管线、节点数据录入。将本次设计范围内主要排水通道管长、管径、管底高程以及检查井的地面高程、检查井深度等空间数据与属性数据导入Infoworks ICM 模型。2）汇水区划分。根据地块进行汇水87 区域的划分，将划分后的汇水分区导入Infoworks ICM 模型。3）运行软件校核雨水管道排水能力。

根据模拟结果，该片区内共有4 处排水通道存在积淹水情况，如图2 所示。1）A 厂区存在2 根压力管无法满足雨水排放需求，DN1800 压力管处积水深度0.42m，积水时间约35min；DN1500 压力管处积水深度0.3m，积水时间约25min。2）B 厂周边道路为已建道路，现状有两处预留管道。通过模拟可知，该厂区通过2 根已建过路管涵进行排放时，1100mm×1200mm 现状管涵无法满足排涝标准，将会产生积水，积水深度约0.56m，积水时间约45min。C 厂规划3000mm×1600mm 通道接入西侧3×d1500mm 雨水管网。根据模拟结果，该处在30 年一遇3h 降雨时存在严重积水，积水深度超1m，积水时间约100min。

图2 厂区积淹位置图

3.4 涝点地块分析

该厂区模拟前为DN1800 和DN1500 压力管存在积水问题，现管径优化为DN2200 和DN1800。经过模拟，该处内涝已消除，可以满足内涝防治要求。

设计将卫星石化二期现状1100mm×1200mm排水通道调整为2000mm×1400mm，可以消除内涝，满足内涝防治要求。

雨水须经雨水管网转输后排入河道，企业排口距排出口距离较远，约1km；同时该地块高程较低仅为3.5m，与河道最高水位水头差为1.05m，当满管流时水力坡度与管道埋设坡度基本一致。方案一：须将雨水管道调整为4000mm×2000mm才能消除积涝，该方案须将该段雨水管网全部废除，工程量较大；方案二：该地块解决内涝的措施为新增一处排口，位于该地块东南角，该处距河道较近，受河道水位影响较小，新增通道规模为3200mm×1600mm，地块内部采用压力管道进行强排至该出口处。考虑经济、施工难度等因素，本次选用方案二。

3.5 工程措施总结

该地块内河道基本已完成开挖，但现状地坪标高与河道规划控制水位的高差过小是影响片区内排水防涝安全的焦点问题之一，建议多途径多措施并进，控制地坪标高与河道水位的安全高差，以提高排水安全性。现编防洪除涝规划仍采用水利上的20 年标准，建议对防洪除涝规划进行修编，提出满足30 年内涝标准的控制水位；同时须在内外河交界处设置闸站，降低外圩水位及潮汐等对内河水位的影响。

虽然该片区内河道开挖，但河底标高均高于规划标高，须对河道进行清淤疏浚，增加河道的调蓄空间，确保排涝通道的畅通无阻。

根据规划及该校核结果，按照建设计划对地块内道路下雨水管网进行分阶段改造，打通从地块到河道的通路，确保设计标准内降雨条件下排水通畅。

该地块企业排口均为超标雨水通道，将校核后的企业排口改造及规模方案纳入管网改造建设计划内，实现极端条件下，地块在内涝标准下大雨无积涝。

4 结论

沿海平原地区具有地势平坦、水系发达、河道水位高等特点，在极端暴雨条件下，雨水管道基本为满管流状态，水力坡降与管道坡度基本一致，数学模型法相对推理公式法更贴近实际降雨情况。该研究可为沿海平原已建成地区排水防涝提供参考。