基于MIKE管网的内涝风险评估及泵站规划——以某泵站为例

张 波

(深圳市城市公共安全技术研究院,广东 深圳 518046)

0 引 言

近年来,大中型城市内涝灾害频发,凸显出城市排水系统与城市快速发展的矛盾［1］。阳江市位于广东省西南沿海,珠江三角洲西缘。该市四围地区地处华南高暴雨区,围内地势低洼,由于围内无电排泵站,排涝设施不够完善［2-3］。当排水期间遭遇外河偏高标准的高潮位时,围内涝水无法通过水闸自行排除,极易发生内涝［4］。四围地区已纳入阳江市城南新区规划,围区城市化的发展也对该地区的治涝工程建设提出了更高要求［5］。因此,切实提高该地区的排涝能力,有效完善四围涝区排涝体系,保障区域经济社会发展和人民生命财产安全,实施四围涝区整治工程是十分必要的,也是非常紧迫的。

为此,本文首先提供两种较为可靠的泵站设计方案,并对二者进行比选。同时,构建MIKE FLOOD 耦合模型,校核评估所设计的阳江市四围地区泵站系统是否满足设计要求,并对所选方案的城市内涝风险进行评估。研究旨在设计出能够满足城市排水需求的泵站,为解决城市内涝问题提供理论与技术支持。

1 基于MIKE管网的内涝风险评估及泵站规划方案设计

1.1 工程概况

四围涝区位于阳江市南部,包括玉沙、那格、四围、岗列4个管理区［6］。该片区西接漠阳江东支流,东邻那龙河,围内面积12.75km2,排涝区集雨面积15.9km2。片区现状地面高程为1.2～3.2m左右,地势相对较低。片区水系较为发达,主要由沙格涌及其他几条小河涌组成,但现状河、渠淤塞较为严重。排涝建筑物主要有沙格、庙仔、滘仔、五家村4座水闸。本研究以泵站为主,对阳江市四围涝区整治工程设计范围进行了地质勘察。图1为该工程的水系概况［7］。

图1 工程区域水系图

由图1可知,工程区地形总体呈北高南低,东南面为辽阔的南海,最高峰在东北部的崖鹰山,山顶高程 251.4m;西北最高峰在大放鸡山,山顶高程 224.7m。漠阳江在场区由西北流向东南,那龙河在场区由东北流向西南,两条河流在本区南部交汇后流入南海。堤围位置一般地势较开阔平坦,地面高程 1～5m。工程区域属南亚热带季风海洋性气候,台风是影响最大的灾害性天气,常伴随着暴雨和风暴潮,造成洪涝灾害。区域最大的水系是漠阳江水系,那龙河和漠阳江在出海口处交汇。河流流向基本由北而南,注入南海。

该区域的底层区域地层主要有寒武系八村群(∈bc)、第四系海积层(Qm)、冲积层(Qal)、残坡积层(Qel+dl)及人工堆积土层(Q4s),侵入岩主要有燕山期花岗岩和印支期花岗岩。工程区域地质构造单元属于黄汲清划分的华南褶皱带,位于粤中拗陷构造单元中的阳春-开平凹褶断束的南部。区域内地下水类型主要有第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,并以前者为主。第四系孔隙水主要贮存于冲积相、海积相的粉细砂、中粗砂、砾砂和圆砾中,含(透)水层厚度0.5～8.6m,主要接受大气降水和河水补给,并向河流排泄或补给底部基岩裂隙含水层。涨潮时,河(潮)水补给地下水;退潮时,地下水排泄于河流。

基岩裂隙水分布于河流两岸或河床第四系地层下伏基岩中,区域花岗状片麻岩及花岗岩本身为弱透水层,其中强、弱风化带或断层破碎带为含水层,但含水性不均,水量小。基岩裂隙水由第四系孔隙水补给,通过透水层或构造裂隙向河流或深部含水层排泄。

1.2 阳江市泵站MIKE管网耦合模型建立及内涝风险评估研究

MIKE软件模型工具适用于所有同水相关的环境模拟,包含MIKE11、MIK21、MIKE URBAN等多种模型［8］。这3种模型都有各自的局限性,但经过MIKE FLOOD耦合后,能够有效发挥一维与二维模型各自的优点［9］。该模型的核心是求解浅水方程。本次研究结合阳江市四围涝区泵站的实际情况,并采用MIKE FLOOD模型法,可使方案结果更为直观,便于决策者进行方案选择。图2为MIKE FLOOD耦合模型的构建过程。

图2 MIKE FLOOD建模的基本步骤

由图2可知,在构建MIKE FLOOD耦合模型之前,需要先建立一维城市管网模型。通常情况下,该模型采用适宜于高度城市化地区、计算原理简单、参数明确的表面径流模型中的时间-面积模型,即T-A Curve(A)模型［10］。逐步建立降雨径流模型,在此过程中,需要确定MIKE URBAN模型中定义的集水区［11］。完成地表降雨径流模型构建之后,建立动态城市管网水力模型,即network 模型。该模型的建立首先需要对城市管网水力与降雨径流模型进行连接,加载第一阶段模型文件。点击Start simulation进行计算,获得后缀为PRF的管流模型文件,此时的管网水力模型构建完成。然后运行一维管网模型,由于具有差异的基础数据和相关参数设定会对模型的稳定性造成一定影响,导致MIKE软件出现报错或警告。出现此类情况时,需根据报错报告等寻找原因,并在修正后再进行模型运行。模型在完成校核后,即可建立一维河道模型。二维城市地表漫流模型的建立最为重要的数据是地形,同时创建合理的网格也是获得模型有效结果的关键要素。最后构建一维与二维耦合模型,利用MIKE FLOOD中城市管网耦合工具,将MIKE 21与MIKE URBAN进行耦合。然后运行MIKE FLOOD模型软件,当运行成功后,即可获得相应的文件与效果图。

本次研究将设计降雨作为阳江市四围涝区工程的边界条件。在排水设计中,重点是洪峰流量的计算。芝加哥雨型的洪峰不受历时的影响,并且其流量计算只需模拟一次即可获得各段管道的结果。芝加哥暴雨过程线法是以暴雨强度为基础,将降雨强度转化为随时间变化的函数。因此,联立暴雨强度与降雨强度公式,可通过微分求得t时刻的瞬时降雨强度,公式如下［12］：

(1)

式中:ta、tb为降雨历时和降雨峰值时刻的时间间隔;H为历时t的降雨总量;a为设计的降雨量;b为降雨峰值;n为相关的衰减常数。

降雨峰值前后所对应的瞬时暴雨强度如下:

(2)

式中:r与降雨峰值相对应,通常在0.4左右。

阳江市的暴雨强度计算表达式如下:

(3)

式中:P为设计重现期,a。

通过构建的MIKE管网耦合模型模拟及相应的计算,即可对阳江市四围涝区泵站区域进行内涝风险评估。

1.3 阳江市四围涝区泵站规划方案设计

拟建城南电排站位于沙格涌下游主河道右岸与四围联围堤防之间,现庙仔涵闸闸址处,站址距沿海高速公路联络线约700m。站址处四围堤防两侧地形平坦、开阔,高程在0.7～1.2m左右。现庙仔涵闸穿堤而过,涵闸洞身段长约20.0m,共两孔,单孔净宽4.0m,孔高3.5m,涵洞出口处设置有两扇钢闸门。涵闸进水渠与沙格涌主河道相连,长约100.0m,渠宽30～50m,进水渠两侧为滩地与鱼塘;出水渠与漠阳江相接,长约110.0m,宽40～60m,出水渠两侧均有鱼塘分布。在庙仔涵闸东北侧约150m有四围灌溉渠穿过,灌溉渠走向与漠阳江主河道基本垂直,采用渡槽方式跨越漠阳江。灌溉渠渠顶高程较高,为3.5m左右,与现状四围堤防基本齐平,现状四围堤防在灌溉渠处隔断。

本次研究根据站址地形条件,对泵站总体布置(轴线比选)进行3种方案设计。方案一(中间轴线方案):将原庙仔涵闸拆除,在原涵闸进、出水渠位置建设排涝泵站,并在泵站右侧新建一排水涵闸,以恢复庙仔涵闸的排水功能,新建涵闸孔口规模与原庙仔涵闸孔口规模基本相同。方案二(左侧轴线方案):保留原庙仔涵闸,将泵站布置于涵闸左侧约25.0m的位置,为防止泵站出水对灌溉渠堤脚造成冲刷破坏,在出水渠左侧新建一长约80.0m的导流墙,泵站施工期间对原庙仔涵闸进行保护,方案二泵站轴线比方案一轴线向左侧偏移约18m。两种方案的涵闸断面见图3。

图3 两个设计方案涵闸断面

由图3(a)可知,方案一闸槛高程-1.81m,与沙格涌河底相平,闸前水位1.8m,过闸水头损失取0.2m,计算闸孔净宽7.6m,选定闸孔总净宽8.0m,设置2孔,单孔净宽4.0m,涵洞高4.0m。由图3(b)可知,方案二闸槛高程-1.31m,比沙格涌河底高0.5m,闸前水位1.8m,过闸水头损失取0.2m,计算闸孔净宽9.3m,选定闸孔总净宽10.0m,共设置2孔,单孔净宽5.0m,涵洞高4.0m。

两个方案从地形、地质、施工及水力条件来说无较大差别,泵站工程投资亦相当。虽然方案一占用原庙仔涵闸站址,需对庙仔涵闸拆除重建,使泵站及涵闸工程总投资较方案二有所增加,但考虑方案一主要利用原有水利工程用地进行建设,占地面积及占地补偿工作难度相对较小,且方案一对原庙仔涵闸拆除重建,有利于四围涝区整体防洪排涝安全,因此研究选择方案一为推荐方案。

2 结果分析

首先选取在2022年6月中,发生10年一遇降雨的某个时间段,并利用MIKE FLOOD耦合模型进行模拟测试。图4为实际与模拟测得阳江市四围涝区各涝点的最大淹没深度。

图4 实际与模拟测得涝点的最大淹没水深

由图4可知,通过研究构建的MIKE FLOOD耦合模型,模拟所得的阳江市各涝区的最大淹没水深与实际所测结果相差较小,其误差范围在0.01～0.02m之间,表明研究的MIKE FLOOD耦合模型的模拟精度较高,具有可靠性。

本次研究针对阳江市四围涝区泵站的实际情况进行了方案设计。设计的两个方案施工交通条件相同,均利用四围联围堤顶路作为泵站进场路,并且均需设置内、外河围堰,围堰长度及布置型式基本相同。在施工场区,均可布置在内河侧的滩地或鱼塘内。表1为两个方案的主要工程量及永久占地情况。

表1 阳江市四围涝区泵站设计方案主要工程量及永久占地情况

由表1可知,在方案一对原庙仔涵闸拆除重建的前提下,方案二的工程部分总投资比方案一多投资约171万元。方案一泵站与涵闸建筑物布置较为紧凑,泵站与涵闸共用进、出水渠道,整体占地面积较小,为2.391hm2,较方案二总占地面积少0.46hm2。并且大部分占地为现有水利工程用地,占地条件较好。而方案二由于无法利用原涵闸进、出水渠道,导致泵站总体占地面积增加。且方案二占用鱼塘的面积较大,占地赔偿投资较高,比方案一多赔偿23.88万元。另外,根据该地区工程建设经验,占地赔偿工作一直为影响工程可实施性、工程建设进度及社会稳定的重要因素。方案一主要利用现有水利工程用地,占地赔偿工作较为简单,从占地条件来讲,方案一优于方案二。综上可知,研究选择方案一作为阳江市四围涝区泵站的布置方案,更节省成本且占地性价比较高。实验采用MIKE管网模型,对阳江市四围涝泵站区域10年一遇24h暴雨所产生的径流量进行模拟,并对四围涝区的玉沙、那格、四围、岗列4个管理区进行特征点分析。方案实施前后4个阳江市研究区水深随时间的变化情况见图5。

图5 方案实施前后四围涝区水深随时间变化

由图5可知,研究的4个涝区均存在一定程度上的积水,且随着时间的增加,积水深度逐渐升高。在图5(b)中,方案实施后的4个涝区的积水深度均较方案实施前小。玉沙、那格、四围、岗列在方案实施后的积水高峰值比方案实施前分别低0.42、0.11、0.31、0.06m。在24 h历时的降雨条件下,4个涝区反映出不同的规律。即玉沙、那格、岗列在降雨过程中很快达到水深峰值,然后缓缓下降,仅四围在降雨峰值过后,积水深度仍不断增加。根据模拟得到的管道最大充满度,能够获得管道在降雨过程中的状态,从而评估得到研究的阳江市四围涝区泵站地区管道的排水能力。图6为管网最大充满度区间统计结果。

图6 管网最大充满度区间统计结果

由图6可知,在方案一实施前后,绝大多数管道的最大充满度都小于4,表明这些管道在排水过程中,基本能满足排水需求。但仍有一部分管道的最大充满度大于6,管道内部压力较大,且施工后比施工前的管道平均充满度要低,施工后最大充满度大于4的管道数目占比较施工前少2%。综上可知,实施方案一后的泵站系统能较好地满足排水的需要。

3 结 论

为了提高阳江市四围地区排涝能力,对该地区内涝风险进行评估,本次研究构建了MIKE FLOOD耦合模型,并利用该模型对设计的阳江市四围地区泵站进行内涝风险评估。结果表明,MIKE FLOOD耦合模型的模拟误差在0.01～0.02m的范围内,表明该模型具有可靠性。方案一比方案二的工程部分总投资节省约171万元,且占地少赔偿23.88万元,表明方案一更节省成本且占地性价比较高。方案一实施后,4个涝区的积水高峰值比方案实施前分别低0.42、0.11、0.31、0.06m,且施工后最大充满度大于4的管道数目占比较施工前少2%。表明研究的泵站系统能较好地满足排水的需要,降低内涝风险。