成都市中心城区排涝能力提升规划介绍
成都市中心城区排涝能力提升规划介绍
杨森1，朱钢2，陆柯2，易小楠2
(1.宜水环境科技<上海>有限公司，上海200040；2.成都市市政工程设计研究院，四川成都610015)
摘要：介绍了成都市中心城区排涝能力提升规划宏观思路，利用河网模型、二维地表漫流模型和片区精细化一维二维耦合模型，从宏观层面分析了流域整体排水防涝系统格局特征和主城区的内涝分布，同时从各排水片区的微观层面评估了内涝风险，并诊断了内涝主因。在此基础上制定的规划工程与非工程措施因地制宜，针对性强。
1 项目背景和工作思路
成都市境内河网密布，80余条河流穿城而过，多为宽浅河道。市区雨水系统绝大多数通过重力流排放入河，排河口有2 000多个，排水分区有600多个，由河道与地形分割而成。主城区骨干河道如清水河、府河、南河、沙河达到了100～200年一遇防洪标准，上游多数支河防洪能力为20～50年一遇。河网是主城区排水系统的主要排水廊道。当流域性暴雨或长历时降雨导致河道水位较高时，管网系统有可能受河道高水位影响而排放不畅；在局部暴雨或短历时暴雨下，河道水位上涨相对于本地集中暴雨对排水系统的影响滞后，雨水管网可能不会受到河道水位的影响或受影响甚微，此时管网系统的排涝能力成为关键。主城区的排水格局决定其洪涝风险必须考虑以下3种情形：①局部或短历时强降雨下，管网系统排涝能力有限引起的局部积水。积水点的位置和水深与暴雨强度、历时以及管网系统的排涝能力有关。②由于流域性长历时降雨，导致城区河道水位较高，城区排水系统受河道水位影响。受影响的范围和程度与降雨频率、河道防洪标准以及石堤堰等分洪工程调度有关。③本地大暴雨与流域性大洪水组合。
因此，对成都市排涝问题的研究不能将河道防洪和管网排水按业务管理切割，必须从宏观层面理清方向，了解流域整体排水防涝系统格局特征和不同区域的风险程度，再逐一研究各排水片区管渠系统的排涝问题。项目实施的技术思路如图1所示。
2 流域河网模型应用
2.1 河网模型的必要性
研究城区排水必须了解河网格局和在不同气候条件下的动态特征，这就需要构建研究区域水文模型和河网水动力模型，模拟设计洪水情形下河道的水力要素随时间、空间的演变规律，为各排水片区利用精细化模型研究局部问题，提供清晰的边界条件和技术依据。
另一方面，成都市辖区上下游河网地区的建设用地特征和重要性有差异，其防洪标准不同。实际上周边城区为主城区分流和截流了部分洪水资源，分担了部分洪水风险，并为城区河道提供了非雨季基流。上游石堤堰分洪枢纽工程可能会使下游部分河道由于水流特征的变化而导致行洪能力退化。城市的发展和一些河道的整治，将会对流域产汇流、水资源分配、排水系统带来影响。这些河道工程将在提高局部地区防洪排涝能力的同时，造成城区上下游、东西向之间河网水流特征和防洪能力的重新调整，这一系列的相互影响是一个复杂的动态过程。在河道工程规划管理中必须综合考虑水资源、水生态和防洪排涝。这一过程的预测是城市规划、建设、管理决策优化的重要基础，必然需要河网模型作为技术支撑。
2.2 河网模型
本规划中河网模型的范围将以三环内水系为研究核心，但考虑到水系的相互动态影响和可获得的边界资料情况，模型范围外延到骨干水系的重要水文控制站或水利工程处。河网模型总概化面积约为344 km2，内部河网概化充分考虑了河网分布和2013年布置的外环以内377个测量断面资料。概化后河网模型包括547个虚拟节点、596个河段和272个汇水区。在对研究区域内的水系进行概化和集水区划分后，利用XPSWMM仿真模拟软件进行河网水系的水文、水动力耦合计算。
采用2013年7月9日—10日的流域性长历时暴雨检验模型，并对不同设计频率下模拟洪水与2002年防洪规划成果进行了比较。结果表明，在望江楼水文站，流量峰值及其出现时间的模拟值与实测值非常接近（见表1）；同时，流域性50、100和200年一遇设计洪水计算结果（峰值流量分别为932、1 140、1 311 m3/s）与防洪规划成果（设计流量分别为1 010、1 160、1 310 m3/s）接近。由此可认为河网模型的概化、河道主要特征的体现和计算结果合理。
利用检验后的模型对多种设计水文条件组合进行模拟，结果表明：一系列河道和水利工程提高了中心城区河道抵抗流域性大洪水的能力；主城区河道的防洪能力达到100～200年一遇，周边地区防洪能力多数为20～50年一遇，部分地区不足20年一遇（见图2）。
市区周边不同区域河道防洪能力差异很大，对管网的影响也会不同。在城市不断发展、旧城改造、河道整治工程逐渐实施过程中，河道排水能力将逐渐增加并相互影响，将会增加中心城区洪水季节河道流量。因此，防洪和排涝是否首先考虑“排”需要慎重，“排”的同时会影响下游洪峰，导致非雨季河道流量偏少，影响河道基流、生态和水质。成都平原丰富的天然水系赋予了成都独特的城市水生态和沿河文化，不可逆的河道工程需要从流域水资源综合管理和保持原始河流水文生态特征角度加以考虑。
3 内涝风险评估
在确定了河网的排水能力和设计水位后，由于局部暴雨导致的城市内涝风险分析分为中心城区宏观分析和局部内涝精细化分析两个阶段。
3.1 中心城区宏观分析
内涝风险识别成果是主城区建设、用地规划、水务工程和应急管理的重要决策依据之一。为识别中心城区在极端局部大暴雨下可能发生的积水风险，本项目采用二维地表漫流水力学模型模拟了中心城区100年一遇6 h设计暴雨下的积水情形（如图3所示），并结合历史内涝积水调查，确定中心城区主要的22个易淹区和51个易涝点。
3.2 局部积水区域精细化分析
进一步对中心城区确定的易涝点所在的各排水片区建立精细化模型，包括：①片区汇水范围内的雨水管渠、检查井、连接暗井和出水口的网络拓扑概化，及其属性数据的查遗补缺和核实。②综合考虑了地面高程、地块接入市政管网的管道接口、建筑和道路背景、影像图以及可以获取的地块内雨水管道等因素划分的详细集水区。③依据下穿通道泵站的运行记录或运行原则，以及水泵的特性曲线或设计流量进行泵站概化。例如，人民公园片区模型概化图如图4所示。
利用2011年7月3日特大暴雨时主城区发生的内涝积水情形进行各片区精细模型的合理性检验。经检验后的各片区模型用于管网的排水能力分析和不同设计降雨频率下（10、20、50和100年一遇）的内涝风险分析，包括积水范围(如图５所示)、水深、影响对象和风险程度。
掌握各片区内涝风险是制定综合应对措施的基础。工程措施作为综合措施中的重要选项之一，往往投资较大，规划工程措施的制定应要考虑工程效益的最大化。因此，工程措施在理清引起各片区内涝的主导因素之后方可“对症下药”。在内涝成因分析中，需要考虑以下两种下边界条件：①下边界条件为自由出流，排水片区不受河道水位顶托影响。此种情形下，各片区的排涝能力最大。在遭遇设计频率降雨条件下，如50年一遇6 h设计暴雨，片区若有内涝产生，是排水系统自身的排涝能力局限所致，这是系统内因。②排水片区受河道洪水位和局部暴雨的共同影响。此种情形下，排水系统遭遇本地强降雨和流域性强降雨引起的外洪叠加影响。外洪对片区排涝的影响程度取决于片区排水管道系统的竖向高程、河道洪水位和本地暴雨特征，需进行边界水位的敏感性分析。各片区下河口处的河道洪水位来自于河网模型的计算成果。由于河道洪水位与片区局部暴雨的频率组合众多，在项目中仅考虑了50年一遇河道洪水位与片区同时遭遇50年一遇6 h设计暴雨的情形。
通过模拟分析，中心城区各片区内涝的影响因素总结如下：①内因，包括局部地势低洼、骨干管渠排涝能力不足、局部管网排涝能力不足、下游骨干管网回水影响；②外因，主要是河道外洪水位顶托。在本项目中判断排水片区产生内涝的主导因素是内因还是外因，又或者是内、外因共同作用，方法如下：满足CA≤30%和(CB≥85%或HB≥85%)的排水片区的内涝主导因素为内因，满足CA＞50%和(CB＜50%或HB＜50%)的排水片区的内涝主导因素为外因，其余情况为内因和外因共同影响。其中，CA、CB和HB的定义如下：①排水片区遭遇50年一遇6 h设计暴雨时，50年一遇外洪水位影响下的淹没水深和淹没范围面积分别用DL和AL表示，自由出流下的淹没水深和淹没范围面积分别用DF和AF表示。②淹没范围变化率CA=(AL-AF)/AF。③淹没范围重叠区域下的淹没水深变化FD=DL-DF（按模型二维网格统计）；FD≤0.1 m的面积记为AFD；AFD与AF的比例记作CB，即CB=AFD/AF。④淹没范围重叠区域下的淹没水深变化率SD=(DL-DF)/DF（按模型二维网格统计）；SD≤0.3的面积记为ASD；ASD与AF的比例记作HB，即HB=ASD/AF。
提升防涝能力综合措施的制定在内涝主因掌握透彻之后变得更有针对性。规划确定了中心城外环生态区建设兼具蓄洪和滞洪功能的大型湖泊和湿地，以及下游排洪河道的达标整治，提升中心城区的防洪排涝能力；各排水片区内部通过有限的工程治理（管网改扩建，局部下穿通道泵站强排升级以及进出口道路标高优化拦阻客水）、超标泄流路径规划、应急管理措施（监测、预警，应急排水和应急指挥）和地块开发时的LID措施，提升片区的排涝能力。
4 结论
防洪排涝需要转变思路，从风险管理和平衡角度，识别潜存风险，诊断洪涝主导因素，因地制宜制定综合措施，回避高风险。在成都中心城区排涝能力提升规划中使用的扎实基础数据、以风险评估为向导的规划理念和仿真模拟技术手段，三个方面结合得出的规划成果，为掌握宏观、多部门技术合作和精细化排水管理进行了有益的探索。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第3期“城市雨水管理”栏目）
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