水力模型在城市渍水原因分析及方案评估中的应用

张文博,杜立刚

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430021)

0 引言

武汉市某高新区作为国家级经济技术开发区,集中了大批高新技术企业。但由于历史原因,该地区部分区域竖向规划不合理,地势低洼,排水系统存在问题,造成汛期渍水的情况时有发生,城市运行和居民安全受到严重影响。2021年6月27日,该地区出现短时强降雨天气,导致城区再次发生渍水,其中主干道G4局部最大渍水深度超过0.5 m,造成交通瘫痪达数小时之久。基于此,本文将G4所在的整个汇水区作为研究对象,借助水力模型软件分析当日渍水原因并尝试提出解决方案。在众多的水力模型软件中,由于InfoWorks ICM不仅能较为真实地模拟管网系统与受纳水体之间的相互作用,还能较好地耦合管网河道一维水力模型及城市地表二维洪涝淹没模型,从而尽可能完整地模拟从降雨形成径流到管网收集传输,最后再排入自然水体的整个过程[1-3],故本文采用InfoWorks ICM软件来搭建研究区域的一维、二维耦合水力模型。

1 研究区概况

本次研究对象为主干道G4所在的整个汇水区——H汇水区,总面积约30 km2,防涝标准为50年一遇。该汇水区按主干排水管涵可划分为4个子系统,包括G4、G1、GD、BH干管子系统,4个子系统末端出口均为红旗渠。当红旗渠水位不高时,4个子系统的雨水均由末端闸门控制自排进入红旗渠,然后通过红旗渠排入TX湖(与外江连通);而当红旗渠水位上涨过高对上游形成顶托时,为保障某重要地块排涝安全,GD干管子系统末端闸门关闭,系统内雨水转而先排入秀湖后再由秀湖泵站抽排至红旗渠,其余子系统仍由闸门控制直接自排进入红旗渠。此外,由于H汇水区内存在雨污混流的情况,因此为保护湖泊水环境,晴天和小雨时,G4和G1干管子系统主箱涵末端的闸门(截污闸)处于关闭状态,以截流旱季污水和初期雨水进行处理,待雨势变大时再开闸排涝。

2 模型构建

将收集得到的H汇水区内的勘测管线、港渠断面、闸泵设施等数据在GIS中处理后导入模型网络进行概化,并根据不同类型下垫面确定适用的产汇流模型,最后结合区域地形数据进行2D区间网格化以搭建H汇水区的一维、二维耦合水力模型。此外,相关边界条件的设置主要包括降雨数据和红旗渠末端出口的TX湖水位2个参数,其中,降雨数据采用当日实测降雨,TX湖水位采用其规划最高控制水位。

3 运行工况设置

分析该地区当日渍水原因,初步推测可能存在3个方面的问题:一是区域管网建设标准偏低;二是系统出口红旗渠过流能力不足;三是箱涵末端闸门管控不合理。基于此,分别制定了3种运行工况以验证上述猜想。

3.1 工况一

为验证是否由于管网建设标准偏低造成地区渍水,将整个H汇水区与下游出流通道红旗渠断开且不设闸门,使H汇水区内4个子系统的末端保持自由出流的状态,排除红旗渠过流能力和末端闸门管控的影响,进而模拟验证是否由于区域管道建设标准偏低造成了此次渍水。

3.2 工况二

保持H汇水区管网系统和出流通道红旗渠之间的连通关系,考虑红旗渠可能对管网系统造成的顶托,同时管网系统末端不设闸门,排除闸门管控的影响,以此来模拟验证是否由于红旗渠过流能力不足造成了主干道G4的渍水。

3.3 工况三

在工况二的基础上,在管网系统末端设置截污闸,同时考虑红旗渠顶托和闸门管控的影响,且闸门开启与当日实际情况保持一致,即15点左右(雨峰过后)开启,从而模拟验证是否由于闸门管控不合理造成了本次淹水。

4 结果与分析

4.1 渍水原因分析

从工况一模拟结果可以看出,整个H汇水区没有出现成片的渍水高风险区(渍水深度超过0.7 m的区域),且主干道GD和G4几乎无明显渍水风险,表明在汇水区管网系统末端保持自由出流的畅通条件下,当日的实际降雨不会导致该区域发生严重的渍水,因此认为造成此次渍水的原因并非该区域管网建设标准偏低(见图1)。

图1 工况一模拟结果

工况二模拟结果表明,主干道GD发生了较为明显的渍水(局部最大深度在0.4～0.7 m),但G4仍未出现渍水风险,同时在降雨过程中,红旗渠上游的最高水位上涨至20.5 m,对管网顶托严重(见图2)。通过分析认为,红旗渠确实存在过流能力不足的问题,由于红旗渠无法同时满足来自GD和G4的雨水排放,致使其水位快速上升对上游管网形成顶托,从而导致地势较低、排水条件更为不利的GD发生较为明显的渍水(由于未达到起泵条件,此时秀湖泵站尚未开启)。然而,由于G4仍未出现渍水,因此红旗渠过流能力不足同样不是此次渍水问题的根源。

图2 工况二模拟结果

工况三模拟结果显示,主干道G4软件学院门口发生了严重渍水,G1道口及周边区域轻微渍水,与当日实际情况基本相符(见图3)。结合工况一和工况二的模拟结果综合分析可知,在G1和G4主箱涵末端闸门保持关闭直至雨峰过后开启的条件下,红旗渠前期主要排放GD子系统的雨水,因而该条件下GD未发生明显渍水,而G4由于两个主箱涵末端闸门未及时开启,导致出现了较为严重的渍水。因此,认为本次渍水的主要原因为末端闸门管控不合理。

图3 工况三模拟结果

4.2 改造方案研究

4.2.1 方案制定

通过上述分析可知,2021年6月27日主干道G4发生的局部严重渍水,一方面是由于其主干箱涵末端闸门开启不及时所导致的;另一方面,作为整个H汇水区出流通道的红旗渠虽然未直接导致本次渍水,但也确实存在过流能力不足的问题,致使地势较低的GD干管子系统始终伴随着较大的内涝风险。因此,为一劳永逸地解决H汇水区的易渍水问题,本文考虑从工程建设和管理提升两个方面研究提出解决方案。

工程建设方面,由于红旗渠起端与TX湖之间原本有一段溢流堰,标高为18.5 m,若红旗渠水位过高则可直接溢流进入TX湖,以确保红旗渠不会对上游形成顶托进而造成渍水。但由于施工原因,该溢流堰被临时用作施工便道并被抬高至20.5 m,致使在雨量较大时红旗渠水位迅速上涨,进而导致上游出现内涝风险。鉴于此,本文从节省投资的角度出发,提出将施工便道高程降至原本的18.5 m,恢复其溢流功能。而在管理提升方面,研究提出建设H汇水区智慧水务信息平台,以精确及时地感知区域渍水情况,快速有效地调度闸门泵站等水务设施,大幅提升排水防涝应急管理效率,降低区域内涝风险。

4.2.2 效果评估

效果评估的工况为溢流堰恢复且完成了智慧水务系统建设,红旗渠内涝水可正常溢流至TX湖、G4和G1干管子系统主箱涵末端闸门能够及时开启,降雨条件分别为2021年6月27日实测降雨、50年一遇3小时设计暴雨、50年一遇一日设计暴雨。通过模拟发现,工程实施后,GD、G4及G1等主干道的渍水风险显著下降,整个H汇水区内也仅有个别局部低洼点内涝风险较高,因此可以认为该方案成效显著。

5 结论

(1)采用InfoWorks ICM软件搭建了整个H汇水区的一维、二维耦合水力模型,同时针对2021年6月27日局部渍水问题的原因初步提出了3种猜想,分别是区域管网建设标准偏低、系统出口红旗渠过流能力不足、箱涵末端闸门管控不合理。

(2)为验证上述猜想,分别设置了3种运行工况进行模拟。结果表明:①H汇水区的排水管网建设标准满足2021年6月27日降雨条件下的排涝需求;②系统出流通道红旗渠确实存在过流能力不足的问题,但并非导致当日主干道G4发生局部渍水的原因;③2021年6月27日主干道G4发生局部严重渍水的主要原因是其两个主箱涵末端闸门开启不及时。

(3)通过恢复红旗渠起端与TX湖之间的溢流堰可以确保超过红旗渠过流能力的涝水直接溢流进入TX湖,不对上游造成顶托;此外,结合区域智慧水务信息系统建设可有效提升防涝应急管理效率,显著降低区域内涝风险。