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      1. 高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        慧聰水工業網 2021-09-14 09:04 來源:市政規劃交流作者:湯鐘 蔡婳婳

        城市內澇造成的影響和危害,暴露了我國在城市化水平不斷提高、城市規模不斷擴大的狀況下,市政基礎設施建設與安全保障不相適應的矛盾。香港作為一個高密度開發城市,同樣面臨過城市內澇問題,并通過一系列的技術措施進行針對性的解決,其經驗對國內現在面臨內澇困境的諸多城市具有參考意義。本文根據渠務署網站、論文等資料對香港跑馬地地下蓄洪計劃進行案例分析。

        1 項目背景

        在2000年8月、2006年4月和2008年6月的特大暴雨期間,跑馬地與其鄰近區域,包括成和道、黃泥涌道、摩利臣山道、立德里、跑馬地馬場和跑馬地游樂場,均曾發生嚴重內澇。在這些交通繁忙和人口稠密的地區,如使用傳統方案進行內澇治理,則需對地下排水管網進行大規模改造,涉及大量對公眾及商業活動造成影響的掘路工程,密集的地下已建管網等設施也會影響傳統方案的實施可行性。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        因此, 經香港特別行政區渠務署研究分析,制定了減低灣仔區內澇風險的三大策略:

        上游截流: 港島西雨水隧道;

        中游蓄洪: 跑馬地游樂場地下蓄洪池;

        下游疏浚: 下游集水區改善工程。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        跑馬地地下蓄洪池作為該片區內澇治理的關鍵環節之一,渠務署于2012年開展該工程,地下蓄洪池可于特大暴雨期間暫存從該游樂場和上游集水區所收集的部分雨水,減低流經下游雨水排放系統的流量。暴雨過后,暫存在蓄洪池內雨水便會通過自然回流及水泵經下游雨水排放系統順勢而下排出大海,大大減低灣仔及跑馬地低洼地區的內澇風險。本工程分兩期進行,分別于2015年及2017年投入運作。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        2 方案整體設計思路

        建于跑馬地游樂場底下的蓄洪池,容量為6萬立方米,相等于24個標準游泳池的地下蓄洪池、長約650米的箱形暗渠,以及一個抽水量達每秒1.5立方米的雨水泵房。跑馬地游樂場是區域最低點,是推行地下蓄洪計劃的理想地點。工程完成后,可抵御50年一遇的暴雨。

        工程的原設計方案是要將工字樁打入基巖作為地基以對抗浮力,但此設計所需成本較高,香港渠務署優化了工程設計,將蓄水池放在筏式地基上,以截水墻圍繞整個蓄水池,減低整個結構在地下水位高漲時的浮力。蓄水池池底鋪設完善的排水系統,以200mm管道收集地下水及已灌溉用水到原水缸作短暫儲存,加上由集水區收集的雨水,三種原水處理后會暫存于另一水池,作沖廁及灌溉用途。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        3 項目特點

        1、模型支持:率先采用先進的水力數學模型技術,以一維和二維的水力數學模型,仿真排水管道網絡和地面徑流,再用三維CFD模型,分析特定結構的水力性能,達至更精確的防洪工程設計。

        2、淺池設計:溢流堰于暴雨過后隨下游暗渠水位下降而降低,將蓄洪池內逾三分之二的雨水經溢流堰順勢排走,其余則由水泵抽走,與傳統設計需全由水泵抽走比較,能大大減省耗電量。

        3、智能控制:首個結合可調式溢流堰及數據采集與監控系統的工程項目,溢流堰會按水位傳感器自動調節高度并將雨水引入蓄洪池,控制下游流量,以達致防洪效果并提供再生水穩定的水源。

        4、三水收集:全方位利用水資源實現持續發展。收集以下“三水”:

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        通過此“三水合一” 的水資源概念使每一滴水都能夠充分利用,收集到的雨水及地下水會用于灌溉足球場,以及供水予附近公共洗手間的沖廁系統,做到防洪也環保,符合世界潮流。

        4 工程方案

        本項目的目標是在50年一遇的強暴雨期間,為跑馬地集水區提供洪水衰減服務。主要組成部分有:進水口、雙室導流箱涵、溢流堰系統、地下調蓄池和泵房。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        上游集水區的徑流會在新月花園的入口結構匯合,然后再往下游排放?,F有的箱形暗渠將會加以改造,而徑流將會通過新建的約630米長的分流雙室箱形暗渠傳送。入口處進行CFD優化設計將進水以穩定流動進入導流雙室箱涵。穩定的水流對于避免過量的徑流通過溢流堰系統流入調蓄池至關重要。

        1、低流量工況下,收集的雨水會沿導流雙室箱涵輸送到下游的排水系統,而不進入地下調蓄池。

        2、在暴雨期間,引水箱涵的過量徑流將通過“活動”溢流堰系統進入調蓄池。根據調蓄池上下游排水系統的流量深度、調蓄池的水位及維多利亞港的潮位實時監測數據,自動調整洪峰水位,使調蓄池能在最佳時間注滿水。

        3、暴雨發生后,將采用泵抽及重力排水的方法排空調蓄池。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

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        地下調蓄池容量60000立方米,規劃面積20000平方米。配套泵站的設計抽水速率為1.5立方米/秒。建成后,預計灣仔及跑馬地地區的內澇風險將會減低,市民可免受內澇造成的經濟損失和干擾。在該建筑完成后,該建筑區內的美化設施將予保留,供公眾使用。

        5 水力模型技術

        近年來,許多排水工程都采用了數值模擬分析方法。通過水力模型,能在各種設定情景下,模擬地表產流匯流規律、排水管網運行特征、地表積水狀況等,分析城市內澇防治系統的運行規律,為管網排水能力評估、內澇風險評估和規劃方案校核等任務提供重要的技術手段。

        香港跑馬地地下蓄洪計劃中使用了一維管網、二維地形以及三維CFD進行模型評估,這是香港首次采用綜合一維、二維及三維水力學模型技術設計新的排水系統。

        1、地形:為了準確進行內澇評估,需要規劃區域的高精度地形數據。采用了利用機載光探測及測距(LiDAR)在全港范圍內(對比下國內數據精度)進行的地形測量數據。然后將地形數據與地下雨水整合,形成跑馬地地區的一維、二維水力模型。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

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        2、模型校正及率定:跑馬地集水區面積約3.6公里。在評估分析收集的數據后,進行了詳細的實地調查和流量調查,以校正及率定模型。主要調查了以下內容:

        CCTV檢查:評估排水系統的結構和使用狀況,確認系統內部的連接狀況;

        檢查井檢查:補充部分模型參數;

        地形測量:獲取排水管渠/天然溪流的高程信息,并驗證激光雷達數據的準確性;

        安全檢查:檢查是否存在設施交叉和其他侵入風險;

        流量監測:記錄降雨期間的流量數據,以驗證和校準水力模型。

        3、基于CFD評估水工結構:渠務署采用的三維計算流體力學(CFD)對設計方案進行優化。使用CFD的優點是建立CFD模型所需的時間和后續對CFD模型的更改比使用傳統的物理模型要少。CFD模型可以通過計算機快速建立,CFD模型的任何部分的仿真結果都可以詳細查看,并以任何理想的方式呈現。通過對計算機程序的校準和驗證,提高了CFD模型的可靠性。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        本項目基于CFD模型對進水口結構的流場收斂設計、導流箱涵的流型以及側溢流堰的流場特性進行了優化。通過CFD仿真,將這些具有水力復雜性的水工結構的特性轉化為等效設計參數,并重新輸入到一維模型中,提供更準確的分析結果。

        這是香港首次采用綜合一維、二維及三維水力學模型技術設計新的排水系統。為了驗證整個水力模型的準確性,將包括2008年6月7日在內的歷史暴雨事件的降雨數據輸入模型,并將模擬結果與現場觀測的實際洪水情況進行比較。仿真結果與觀測結果吻合較好。

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        6 環境友好及可持續設計

        1、淺池節能設計

        尺寸是調蓄池設計的重點,傳統的設計方案往往采用較深的水深和較小的規劃面積,因為它將占用更小的用地面積,并在施工過程中降低對公眾的干擾。但在本項目中,采用了淺池節能設計,一個較淺的調蓄池將允許較高的儲水部分通過自動活動頂板堰通過重力排出。最終設計下超過三分之二的儲存雨水可以通過重力排出,其余的將通過抽水排出。調蓄池的深度亦減至最低,以便采用較低的水泵揚程和流程,進一步節省能源消耗。

        2、考慮氣候變化

        氣候變化最近已經成為設計考慮的關鍵問題之一。在極端事件發生時產生了更高的可變性,這增加了許多傳統基于概率的防洪指南的不確定性,從而增加了城市地區的脆弱性。在這種情況下,有必要考慮氣候變化等因素,提高城市韌性。

        本項目首次在香港的排水設計中,將未來20年每年水位上升3毫米作為下游邊界條件。除了設計,采用自動可移動壩頂堰系統也可以用于應對氣候變化的考慮。

        由于本項目投入使用后,海平面變化的變動性更大,使用可移動的頂板堰將消除未來土建工程修改的需要??赏ㄟ^編程控制堰的運行,將堰頂調整到略高的水平,以避免由于每年的潮位上升而過早地溢出到調蓄池中。

        3、平衡公共利益

        在本項目建設期間和建成后,如何平衡充分的防洪需求和環境保護、綠化等公眾利益是一個巨大的挑戰。在項目的規劃設計階段,多次進行公眾咨詢,收集附近居民和其他有關方面的意見和意見。這些咨詢確保市民的需要和關注得到妥善處理。

        地下貯水池、泵房及其他相關排水工程將影響本地區11個體育場地中的6個,體育場地的關閉是不可避免的,可能會給市民使用文體設施帶來不便。因此,本項目在規劃球場關閉安排的早期階段,就與康樂及文化事務署(康文署)體育協會等部門進行了聯絡溝通。然后將項目進行分兩期建設,以便在同一時間關閉不超過3個球場,從而盡量減少對使用者的干擾。由于整個調蓄池將建在地下,泵房和其他相關公用設施的設計盡量埋在地下,因此項目完成后不會減少供公眾方便使用的面積。

        上層建筑高度會受到嚴格限制,不會對香港賽馬會大看臺的視野造成影響。此外,興建期間的交通安排,包括進出鐵路交匯處的運輸,以及對周圍黃泥涌道的交通影響,亦備受市民關注。為保持賽馬會馬場地下現有唯一車輛通道的容量,興建了條新的地下建筑物料輸送隧道,連接工地與位于黃泥涌道外的全封閉通道,以便在施工期間運送物料。使用這條運輸隧道及全封閉的通道,亦可減低噪音、塵埃及其他對市民的滋擾。雖然交通影響評估的結論是建筑工程對交通的影響微乎其微,但亦會進一步嚴格限制建筑車輛在繁忙時間使用黃泥涌道,以進一步減少可能對公眾造成的交通影響。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        4、市政設施美化

        除了地下雨水蓄水池外,該項目還包括兩個地上附屬設施,一個泵房和一個風扇房。這些配套設施位于跑馬地游樂場內,周圍環繞著運動場和綠地。這些設施的設計融入了綠色元素,為公眾提供了一個“綠色生活”環境。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        為了將泵房偽裝到周圍環境中,采用了“洞頂綠樹?草坪”的設計理念。泵房掩映在綠色柔軟的草坪下,從地面到泵房頂部有一個緩坡。這條無障礙緩坡可輕松通往屋頂休息區,歡迎大家坐下來,以獨特的視角欣賞足球比賽和跑馬地的壯麗景色。綠色毯子還可以作為泵房的良好絕熱體,降低泵房內的溫度。泵房的垂直立面用木包層裝飾,以進一步增強其自然特征。

        泵房的概念在圓形風扇室及其相鄰的足球場后擋板中得到進一步發展,通過用窗簾般的背景包裹木裝飾的風扇室。除了在風扇房的立面上提供木材覆層外,垂直綠化結合了上爬和下爬的組合,包括多葉爬山虎 (Parthenocissus dalzielii)、匍匐無花果 (Ficus pumila) 和金銀花 (Lonicera periclymenum) , 被引入,為風扇房創造了一個自然的外觀。

        這種設計將原本堅硬的人造配套設施改造成了自然愉悅的景觀。這些綠色元素不僅掩蓋了周圍的泵房和風扇房,還通過提供休閑區供公眾享受來增強公共連通性。該設計獲得了 BEAM Plus 新建筑的最終白金評級。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

        7 建成效果

        本項目于2012年9月開工,2017年全部建成,工程總值約10億7,000萬開工港元,2014年獲得綠色建筑鉑金級認證。蓄洪池分兩期進行。一期工程于2015年3月完工,并于已經在暴雨中發揮功能,令跑馬地游樂場及馬場免受內澇威脅。

        高密度建成區內澇治理案例——香港跑馬地地下蓄洪計劃

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