应用SWMM对意式风情区排水管网防涝分析

2022-12-08张鹏

海河水利 2022年6期

张鹏

（天津市水务综合行政执法总队，天津 300074）

1 意式风情区概况

意式风情区位于天津市河北区海河沿线，紧邻天津站交通枢纽，是天津乃至全国唯一的以意大利建筑风格为主的区域，曾经是意大利租借地，现为4A级风景区。该区域属于温带大陆性季风气候，雨水主要集中在6—8月，其降雨量约占全年的75%。

意式风情区占地面积约28.45 hm2，地面标高平均为3 m左右，地势平坦，平均坡度在0.1‰～0.3‰。该区域内雨水管道总长度为6368 m（除支管长度外），合流管道总长度为4566 m，污水管道管径为400～600 mm，雨水管道管径不超过1000 mm，有检查井2000余座、出水口3个［1］。

由于意式风情区特殊的历史原因，区域内管道管径相对较小，合流制管道与分流制管道并存，且管道设计标准低，不能满足现有雨水排放的需要。该地块内建筑物比较多，而且道路以景观石材道路为主，这就减弱了下垫面的渗水能力，增加了排水管网瞬时排水压力，压缩了峰现时间，并且加大了地表径流量的峰值，以至于在暴雨情况下排水管道溢流、积水现象时常出现。

2 水力模型简介及降雨过程线计算

2.1 SWMM水力模型简介

暴雨管理模型（SWMM）于1969—1971年由美国环保署（EPA）资助开发，标志着城市排水计算机建模的开端。该模型主要用于模拟城市降水与径流的动态变化，分析单一降水事件或者中长期的水质变化规律。SWMM根据排水系统的水流特性，将系统划分为地表径流和管网汇流两部分，通过使用非线性水库模型和圣维南方程来模拟［2］。目前，该模型主要应用于城市防洪排涝的规划和优化方面。

2.2 降雨过程线计算

本文采用芝加哥合成降雨过程线法，结合天津市暴雨强度公式来计算模拟研究区域的降雨情况。根据《天津市雨水径流量计算标准》，参考流域分区及暴雨特点，意式风情区所在的河北区属于第Ⅰ分区，其所对应的天津市暴雨强度公式为：

式中：q为设计暴雨强度[L/（s·m2）]；t为降雨历时（min）；P为设计重现期（a）。

雨水管渠的降雨历时t按下式计算：

式中：t1为地面集水时间（min）；t2为管渠内雨水流行时间（min）。

3 管道排水能力分析

选取重现期P为1、3、5、10、30、50 a不同降雨强度，降雨历时为120 min，分别对管道排水能力进行模拟，得到不同重现期管道超载及积水情况，详见表1。由表1可以看出，重现期1 a的降雨，部分路段出现超载，个别节点有少量积水；随着降雨量的增加，超载管道随之增加，积水节点数及积水超过0.5 h的节点明显增多，积水深度呈阶梯型递增。当重现期为3 a时，积水超过0.5 h的节点超过50%，出现成片积水；当重现期达10 a时，已经有一半数量的管段发生超载，积水成片现象大面积出现，且退水缓慢。因此，意式风情区整体排水管网设计标准偏低，不能负荷暴雨及特大暴雨。

表1 不同重现期管道超载及节点积水情况

由于意式风情区建成年代久远，根据当时的排水量和技术水平，大部分雨水管道的设计年限在1～3 a。其中，设计重现期为1 a的管道有4865 m，占76%；设计重现期为3 a的管道有850 m，占14%；设计重现期为5 a的管道只有653 m，占10%。从这些数据明显看出，排水管道设计标准低是影响该地区降雨时管道排沥能力的主要原因。因此，降雨时易产生内涝。

4 积水节点分析

根据模拟结果可知，在各个重现期内发生积水节点最早、积水最多的路段都在建国道上，在遇到10 a以上大暴雨时，这些积水节点溢流时间都超过1 h。在2018年7月23日天津特大暴雨中，该路段的积水最为严重且退水时间很长，甚至发生井盖顶托现象。下面，以建国道作为典型积水区域进行模拟，分析积水原因。

4.1 积水点分析

不同重现期建国道上积水节点数目的统计情况，详见表2。由表2可知，在不同重现期条件下，随着降雨量的增大，积水节点个数也在递增，积水面积增大，并且发生积水的时间在提前，积水消退的时间在延长。这些都会造成积水面积增大，积水时间持久，极易发生内涝。根据模拟结果得出易发生积水且积水时间最长、积水深度最深的节点都集中在建国道上，这也与实际情况相符。

表2 不同重现期建国道积水节点数

4.2 积水管段分析

选取建国道排水管段进行某一重现期的模拟运行，重现期P为10 a，步长为10 min。由于数据众多，本文只选取具有代表性的6个节点、6段管段和1个排水口进行排水分析。6个节点包括Y57、Y58、Y59、Y60、Y61、Y62，6段管段包括YPCK3—Y60、Y60—Y59、Y59—Y58、Y58—Y57、Y57—Y62、Y62—Y61，排水口为YPCK3。降水30 min时，建国道排水管段水位剖面线如图1所示。该图展示了建国道排水管道水位在降雨过程中的动态变化。

图1 降水30 min时建国道排水管段水位剖面线

在降雨的前10～20 min，随着降雨量的增加，管内流量增加，排水口附近接近满载；降雨30 min，雨量持续增大，管道全线溢流，除节点Y60外，其他节点均积水；降雨40 min，即将到达雨峰，节点全部积水，管道全线溢流；降雨60 min，管道溢流达到最大值，节点全部积水；降雨80 min，管道溢流在下降，积水开始消退，但是节点还全部积水；降雨120 min，降雨结束，没有管道溢流，但是管道内还是超载，节点积水还未完全消退。

5 管道超载分析

通过模拟分析发现，区域内多条管道出现长时间的超载和溢流，严重影响整个排水系统的运行［3］。不同重现期管道超载情况详见表3，由表3可以看出，重现期越大，管道超载越严重，积水的道路越多。

表3 不同重现期管道超载情况统计

分析超载管道溢流原因如下：进步道为管径1650 mm的大型雨水管道，由于多条道路雨水汇集于此，瞬时流量增大，造成超载。虽然管道内超载，但是由于过水能力强没有造成溢流或者积水。而建国道、民生路、民族路、民主道路段由于管径小，只有600 mm，所以在同样降水情况下，管道无法承受超过设计很多的水流量，超过承载负荷造成溢流。

通过对意式风情区排水管网的模拟分析，得出建国道、民生路易积水路段及积水点位。这为今后制定意式风情区防汛预案以及在日常排水设施养护中将其作为重点防控对象，防止内涝发生提供了数据支撑。

6 防涝改造措施

6.1 改变排水体制

合流制管道已经不能适应快速发展的社会需求。意式风情区属于4A级景区，有很多保护建筑，近期暂时无法进行分流制改造，但雨污分流是彻底改造排水系统的必然趋势［4］。

6.2 改造原有管道

改造管道一般为改变管道管径，将原有的小管径管道更换为大管径管道，增加断面流量，从而提高排沥能力，避免内涝的发生［5］。由于意式风情区为重点景区，且比邻天津站枢纽，周围交通繁忙，且多为单行路，大面积破路施工会造成交通拥堵。所以，改造管线必须分批进行，且要与交通、道路等多部门协调后方可施工。

6.3 增加调蓄池

在积水路段增设雨水调蓄池，可以缓解部分排水管网的排水压力和路面积水问题。意式风情区由于条件和地理位置所限，不能进行大范围的排水管网改造，因此增设调蓄池是可行的办法。

雨水调蓄池位置选址，应根据调蓄目的、排水体制、管网布置、溢流管下游水位高程和周围环境等因素综合考虑后确定。通过计算，可在建国道易发生积水的节点Y62点位建设1个深5 m、底面积8 m2的调蓄池。该处附近存在绿地，除需砍伐部分树木外，几乎无破拆量且不需要重新征地。使用模型模拟增加调蓄池后，周围节点水位正常，未发生积水情况。因此，设置雨水调蓄池能有效改善该地区积水内涝问题且易于施工。该措施适合意式风情区。