基于数值模拟计算的大型泵站排涝效果分析

张玉伦 贾 能 陈盛达

(1.杭州市南排工程建设管理服务中心，浙江 杭州 310020；2.杭州市规划设计研究院，浙江 杭州 310016)

1 研究背景

杭州城西区域处于洪涝过渡地带，地势低洼，上承西部山洪，下受杭嘉湖平原河网高水位顶托，历来是杭州城市防洪排涝最薄弱环节。随着省市科创战略平台城西科创大走廊及云城布局城西后，区域面临的洪涝高风险与经济社会高质量发展的矛盾日益突出。为此，杭州提出建设城西南排通道工程破解洪涝难题，新建一条长约13km、洞径约11m、洞底高程-50m的深埋排水隧洞，隧洞进口设在五常港附近，在出口钱塘江九溪水域新建大(1)型强排泵站，设计排涝流量200m3/s(远期300m3/s)，利用闲林湿地、五常湿地和西溪湿地将城西洪涝水汇流后通过隧洞快速南排入钱塘江，见图1。工程任务以防洪排涝为主，兼顾改善水环境。工程估算投资约60亿元。

图1 城西南排通道工程示意图

由于工程牵扯面广、规模和投资大，各方对工程效益比较关注。水利行业一般应用河网非恒定流水动力模型进行数值计算，从河网高水位、高水位持续时间、排水量等角度开展效益分析，对非水利专业决策者而言数据相对抽象。基于此，本文以应用河网水动力模型计算得到的流量和实测水位作为边界条件，采用InfoWorks ICM软件构建雨水管网和河网耦合的城市排水模型，结合地面高程变化情况，模拟本工程建成前后河道水位和区域积水情况，评估区域内涝风险变化，从积水深度、积水面积、积水量角度定量分析排涝效果，展示更直观、具体。国内外学者利用InfoWorks ICM软件进行雨水管网数值计算取得了很多研究成果[1-10]，但构建雨水管网和河网耦合的城市排水模型开展大型泵站排涝效果分析的并不多见。

2 研究区域概况

研究范围北至余杭塘河，东至西溪河，南至沿山河(含留下街道)，西至何过港—林场港—梧桐港—闲林港，总面积约69.7km2，见图2。在行政区划上分属于杭州市西湖区和余杭区，区位条件优越，区域内既有得天独厚的自然水域，又有数量众多的科技企业和创新平台，覆盖了城西科创大走廊核心区域，是杭州大城西地区东西向联结的重要节点。

图2 研究区域示意图

区域内除留下街道东南部地势较高外，其余总体以平原地貌为主，中部及西部有面积宽广的天然湿地。研究范围内95%的地坪高程在2～6m之间。从水系上划分，该区域属杭州市区运河水系上游，西南为山区，有上埠河等山区性河道，往东北进入下游平原，主要行洪通道包括闲林港、五常港、余杭塘河、沿山河等。

3 模型构建

本次数模分析采用Wallingford软件(InfoWorks ICM)，InfoWorks ICM模型系统能够精确模拟雨污水收集系统，预测雨污水管道和河道系统的工作状态，或降雨后对环境的影响。

3.1 模型概化

本次模型分析对区域主要河道及雨水管网进行概化。共划分4607个子汇水区。现状雨水管覆盖区域单个子汇水区域的面积大部分在0.5～2hm2之间，就近汇入附近的雨水管网中，雨水管网未覆盖的区域子汇水区相对概化，就近汇入附近的河道中。经概化后的模型共计有检查井节点4547处，雨水管段4547段，雨水管径在500～2000mm之间。圩区排涝泵站12个，河段358段。二维网格的最大网格为100m2，最小网格面积为25m2，见图3。

图3 模型概化示意图

3.2 边界条件

共设5个水位边界，其中1个为运河水位边界，其余4个为余杭塘河北面的通义港、九曲洋港、蓬驾桥港、西行河水位边界，水位边界的时间间隔为1h。共设5处流量边界，分别为梧桐港、沿山河、上埠河、留下河和老和山山水，其中沿山河流量和老和山山水根据沿线汇流面积分配至沿线的河道中。流量边界的时间间隔为1h。水位边界采用水位站实测值，流量边界采用城西南排通道工程河网水动力模型计算结果，见图4。

图4 计算边界条件

3.3 模型验证

模型验证采用2013年“菲特”台风期间的水位和积水点进行。计算成果表明，模拟和实测的水位过程线变化基本一致，其中洪水位实测值与计算值吻合较好，最大变幅差误差在5%以内。除个别积水点外，“菲特”台风期间模拟计算得到的积水点与实际报道的积水点吻合较好。经过验证，本数学模型可以满足数值计算需求，见表1。

表1 “菲特”台风最高洪水位验证 单位：m

4 计算成果分析

本次开展了4个典型工况研究，分别是“罗莎”台风雨、“菲特”台风雨、50年一遇梅汛降雨、50年一遇台汛降雨，限于篇幅，本文就“菲特”台风雨、50年一遇梅汛降雨进行详细分析。

4.1 “菲特”台风雨工况

遭遇“菲特”台风雨，现状条件下，区域河道水位呈现西高东低趋势，西南部河道水位均超过4m，大部分河道处于高水位运行状态；城西南排通道工程建成后，区域河道水流均向方家桥港和五常港汇集，紫金港河以东、方家桥港以西的河道水位在3.5～4.0m之间，隧洞进水口附近河道水位相对较低，如蒋村港、五常港、永胜港水位在3.3～3.5m之间，而圩区内河道普遍处于2.5～3.3m之间。五常港和方家桥港附近的水位大幅下降，水位最高降幅达到0.85～1.0m，区域内大部分河道水位降幅超过0.5m，靠近运河水位降幅最小，但也达0.3～0.5m。河道高水位变化情况见图5。

图5 “菲特”台风雨工况工程建成前后河道高水位分布

遭遇“菲特”台风雨，现状条件下，区域内出现了较大范围的积水，积水量为65.8万m3/d，积水面积2.06km2，积水区域主要集中在留下街道、学院路、益乐新村、天目山路等。最深积水处位于留下街道，深度超过1.5m。城西南排通道工程建成后，研究区域积水面积进一步下降，留下街道范围内的积水基本消失，区域内基本消除超过15cm的积水。积水区域变化情况见图6。

图6 “菲特”台风雨工况工程建成前后积水点分布

4.2 50年一遇梅汛降雨工况

遭遇50年一遇梅汛降雨，现状条件下，区域内的大部分区域河道水位超过4m，仅有东片少量河道水位在4m以下，城西南排通道工程建成后，区域内的河道流向发生较大的变化，均向方家桥港和五常港汇集，研究范围内河道水位也下降至3.5～4m，平均降幅达到0.4m以上，进水口附近的河道水位在3.3～3.5m。河道高水位变化情况见图7。

图7 50年一遇梅汛降雨工况工程建成前后河道高水位分布

遭遇50年一遇梅汛降雨，现状条件下，积水量为87.1万m3/d，积水面积3.445km2，积水区域主要集中在文一路、留下街道、全丰苑北侧、景兴路等，最深积水处位于留下街道，最大积水深度可达1m以上。城西南排通道工程建成后，积水总量下降至9.7万m3/d，积水面积大幅度减少至0.529km2，除局部地势低洼处，大部分区域的积水点消除。积水区域变化情况见图8。

图8 50年一遇梅汛降雨工况工程建成前后积水点分布

统计各工况下积水情况，工程建成前，50年一遇台汛降雨积水面积最大，积水深度超过5cm的面积达4.994km2，占研究区域面积近7%；50年一遇梅汛降雨积水面积超过3.445km2。工程建成后，各工况积水下降明显，其中50年一遇台汛降雨工况下，积水面积由4.994km2降至1.332km2，减少73%，50年一遇梅汛降雨工况下，积水面积由3.445km2降至0.529km2，减少85%，见表2。

表2 不同工况下工程建成前后积水数据对比

4.3 内涝风险评估

一般认为，当积水深度小于0.15m时，积水不会淹没道路侧石，不影响行人和机动车的通行，当积水深度超过0.15m时，会造成一定程度的灾害损失，本次拟订内涝风险分级的最低界线为积水深度h>0.15m，积水时间t>1h，见表3。

表3 内涝风险等级划分标准

通过数值模拟计算，在50年一遇台汛降雨工况下，工程建成后，内涝高风险区域面积从0.46km2减少到0.04km2，减少91.3%，中风险区域从0.88km2减少到0.077km2，减少91.25%，低风险区域从1.73km2减少到0.41km2，减少约76.3%。在50年一遇梅汛降雨工况下，工程建成后，内涝高风险区域面积从0.35km2减少到0.035km2，减少90%，中风险区域从0.53km2减少到0.02km2，减少96.23%，低风险区域从1.16km2减少到0.14km2，减少87.93%。

4.4 积水原因分析

城西南排通道工程建成后，研究区域内在台汛或梅汛期遭遇强降雨时，局部区域仍面临积水风险，主要原因如下：ⓐ局部管道的排水路径较长，且在外河水位较高时，由于承压出流导致管道的排水能力降低，雨水排出不及时，从而产生路面积水；ⓑ该风险区自身的地势要明显低于周边道路和地块，由于地势低洼导致极易产生积水；ⓒ由于道路建设时序原因导致局部管道排水无出路，直接汇流到道路或者附近小区的地势低洼处，产生积水。

对于上述原因产生的积水，可考虑采取以下措施予以消减：对于受纳水体顶托严重或者排水不畅的雨水管道，应当结合道路整治对雨水管网不合理处进行重新设计，提高管道的排水能力，同时定期疏通管道，减轻管道淤积程度。对于已有规划但现状尚未建成的区域，应优先考虑通过调整用地布局和场地、道路竖向标高，降低区块内涝风险，同时结合地形地貌，规划地表雨水的行泄通道。对于现状已经建成的地势低洼区域，通过保留现状圩区，同时结合旧城改造工作，对原有低于标准的管网进行改造，并通过适当的雨水调蓄措施，提高应对内涝风险的能力。

5 结 论

本文以城西南排通道工程为例，基于雨水管网和河网耦合城市排水模型数值计算结果，从河道水位、积水量、积水面积变化方面，定量分析了工程排涝效果，得到以下结论：

a.目前研究范围部分区域排涝能力明显不足，主要集中在何过港以南片区，在发生高重现期的降雨时，河道水位过高，造成较大范围的积水和内涝。从积水的范围来看，西湖区范围内受灾相对更严重，积水点主要集中在学院路、教工路、天目山路、文一路以及留下区块范围内。

b.城西南排通道工程建成后，不同工况下河道水位平均降幅超过0.4m，最高降幅超过1m；积水量、积水面积减少超过50%，最多减少84%，工程排涝效果非常显著，大幅降低了杭州城西区域内涝风险，可使杭州城西区域治涝标准达50年一遇。

c.内涝防治是一项系统工程，本工程建成后，河道水位已降至较低水平，但仍有区域反复出现积水，应同时加强区域内的低洼点改造，雨水管网、雨水口等建设工程，增加区域内水面率，降低区域内涝风险。

本文所涉工程案例较为典型，构建雨水管网和河网耦合的城市排水模型开展数值模拟，可有效克服水利行业常用计算软件的局限，直观展示内涝变化情况，定量分析大型泵站排涝效益，并进一步论证工程方案的科学性、合理性。水利、城市规划行业可就河网非恒定流水动力模型和城市排水耦合模型的联合应用开展深入研究，使得数值计算更可靠、更准确、更直观。