城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險評估

楊 嚴(yán)，彭海琴

(1.鎮(zhèn)江市氣象臺，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.上海市城市排水有限公司，上海 200233)

隨著城市化的高速發(fā)展，用地性質(zhì)改變，加上城市熱島效應(yīng)，致使城市極端天氣變多，內(nèi)澇災(zāi)害增多，造成路面積水、交通癱瘓，嚴(yán)重影響城市正常生活秩序。據(jù)統(tǒng)計2011年～2015年，北京、上海、武漢、廣州、南京、杭州等多個大中城市發(fā)生內(nèi)澇，造成經(jīng)濟(jì)損失的同時給城市人民生活帶來諸多不便[1-3]。

早期排水系統(tǒng)以及構(gòu)筑物的低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，造成了污水溢流和城市內(nèi)澇問題多發(fā)。為了解決城市內(nèi)澇問題，需要了解不同降雨強度下，現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的運行狀況，根據(jù)內(nèi)澇情況，適當(dāng)?shù)靥岣吲潘罎吃O(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。由此，本文的主要內(nèi)容為研究不同重現(xiàn)期下某排水系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)區(qū)域的積水情況，研究成果為該區(qū)防汛工作提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 研究對象

某排水系統(tǒng)位于上海市某區(qū)內(nèi)，為合流制排水系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為1年一遇。該系統(tǒng)服務(wù)范圍：北起惠民路，南至楊樹浦路，西沿懷德路、揚州路、通北路至楊樹浦路，東至楊樹浦港，服務(wù)面積為91萬m2，泵站設(shè)計規(guī)模為8.68 m3/s，截流泵站設(shè)計規(guī)模為0.55 m3/s，污水和截流雨水通過主干管進(jìn)入污水廠，雨水排港，服務(wù)范圍如圖1所示。

圖1 研究對象Fig.1 Object of the Study

研究區(qū)域人口密度為217.5人/(萬m2)，人均日綜合生活用水量為221 L/(人·d)[4]，污水定額為198.9 L/(人·d)。區(qū)域內(nèi)產(chǎn)流表面以及所占比例分別為路面59.73萬m2(65.64%)、房屋面19.79萬m2(21.75%)和綠化面11.61萬m2(12.76%)。

1.2 研究區(qū)域DEM數(shù)字高程模型

為了解不同降雨強度下，排水系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)內(nèi)澇積水情況，首先需建立研究區(qū)的高程模型。基于GIS在ArcMap運行環(huán)境，進(jìn)行空間分析，利用3D Analyst模塊，得到區(qū)域地面數(shù)字高程模型(DEM)[5-6]。DEM是一維模型(1D)排水管網(wǎng)模型和二維(2D)地表漫流模型耦合的條件[7]。根據(jù)主干線上檢查井路面高程點，建立不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型，將TIN模型轉(zhuǎn)換成DEM模型，如圖2所示。

圖2 (a)研究區(qū)域地面(TIN)和(b)數(shù)字高程模型(DEM)Fig.2 Triangular Irregular Network (TIN) and Digital Elevation Model (DEM) of Study Area

1.3 綜合流域排水模型建立

排水系統(tǒng)模型比較多，如美國伊利諾伊斯州城市排水地區(qū)模型ILLUDAS (illinois urban drainange area simulator)、水文計算模型HSPF(hydrological simulation program-fortran)、MIKE-SWMM(MIKE11 combined SWMM)、QQS(quality-quantity simulator)、SWMM(storm water management model)和Wallingford Model等。應(yīng)用比較廣泛的主要排水模型有英國環(huán)境部開發(fā)的ICM(InfoWorks integrated catchment management)，丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的MOUSE(modeling of urban sewer)，美國環(huán)保局開發(fā)的暴雨雨水管理模型SWMM(storm water management model)。 相比其他模型，SWMM和Infoworks在城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍較廣。而Infoworks ICM是第一款將城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型，與流域二維洪澇淹沒模型結(jié)合在一起的獨立模擬引擎軟件，更有優(yōu)勢。本研究采用Infoworks ICM建立流域排水系統(tǒng)模型。

InfoWorks ICM 2.0利用ArcGIS導(dǎo)入管網(wǎng)和檢查井?dāng)?shù)據(jù)，同時適當(dāng)?shù)睾喕芫W(wǎng)，道路兩邊的檢查井不參與建模，模擬干管與主要支管。管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括檢查井的井面高程和井底高程、管道的管徑、上下游管底高程、泵站高程。曼寧系數(shù)根據(jù)不同區(qū)域的實際管材確定管渠的N粗糙度。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)各個檢查井高程自動劃分匯水區(qū)，不同的匯水區(qū)根據(jù)實際的土地用地狀況配置不同參數(shù)，并選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)匯流模型，最后進(jìn)行管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢查，通過InfoWorks提供的工程合理性檢查功能，反復(fù)驗證和修改管道和檢查井，完善排水系統(tǒng)水力模型。

排水系統(tǒng)模型子集水區(qū)447個，檢查井449個，出水口1個，排水管道473根，泵站1座。管道總長度約13 713.8 m，管徑在300～2 000 mm。研究區(qū)域排水系統(tǒng)模型構(gòu)建如圖3所示。

圖3 排水系統(tǒng)模型Fig.3 Drainage System Model

1.4 模型率定

通過研究區(qū)域的產(chǎn)流表面比例能夠確定，非滲透表面選取Fixed產(chǎn)流模型，滲透表面選取Horton滲透模型，地表匯流選用Wallingford模型進(jìn)行研究[8]。研究選取3場降雨事件用于模型參數(shù)的率定，2場降雨事件用于模型準(zhǔn)確度驗證，通過反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)，來完成率定過程，相關(guān)降雨事件的特性如表1所示。

表1 五場降雨事件的特征Tab.1 Characteristics of Five Rainfall Events

率定過程以降雨事件對應(yīng)的泵站前池水位數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用確定性系數(shù)R2[1]評價模擬結(jié)果曲線與監(jiān)測時間序列的吻合程度。具體參數(shù)率定結(jié)果、模型率定與驗證結(jié)果分別如表2、表3所示。R2均超過0.8，所有降雨事件的模擬結(jié)果與實測值相比，顯示出良好的一致性。

表2 參數(shù)率定結(jié)果Tab.2 Results of the Parameters Calibration

1.5 降雨情景設(shè)定

設(shè)計降雨量按上海市暴雨強度公式計算[9]，參照模式雨型設(shè)計降雨[10-11]，計算重現(xiàn)期分別為1、3、5 a，歷時2 h的兩種不同的典型降雨情景，降雨強度曲線如圖4所示。

圖4 設(shè)計降雨過程Fig.4 Design Rainfall Process

2 排水系統(tǒng)模擬結(jié)果

2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀況

根據(jù)模擬重現(xiàn)期1、3、5 a結(jié)果顯示，出現(xiàn)溢流的檢查井個數(shù)，占檢查井總數(shù)、超負(fù)荷管長等具體情況如表4所示。

表4 管道和檢查井負(fù)荷情況Tab.4 Load Situation of the Pipes and Wells

由表4可知，隨著重現(xiàn)期增長，降雨強度增大，出現(xiàn)溢流的檢查井個數(shù)增多，超負(fù)荷管道長度增大。

2.2 內(nèi)澇風(fēng)險評估

風(fēng)險評估指標(biāo)主要以模擬結(jié)果中積水深度與積水流速為危險指數(shù)評價，計算如式(1)[7]。

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d—積水深度，m；

V—流速，m/s；

Df—水深危害參數(shù)，如d≤0.15 m，Df取0.5；如d>0.15 m，Df取1.0。

根據(jù)內(nèi)澇風(fēng)險指數(shù)，將城市內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分為：HR<0.75非敏感區(qū)域，為內(nèi)澇低風(fēng)險區(qū)；0.75≤HR<1.25的非敏感區(qū)域及HR<0.75敏感區(qū)域，為內(nèi)澇中風(fēng)險；0.75≤HR<1.25的敏感區(qū)域及HR≥1.25區(qū)域，為內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。敏感區(qū)域包括：學(xué)校、醫(yī)院和商業(yè)聚集區(qū)、主道路和人口高密度區(qū)。

利用1D排水管網(wǎng)模型耦合和二維(2D)地表漫流模型，分析重現(xiàn)期1、3、5 a情景下區(qū)域的內(nèi)澇情況，獲取積水區(qū)域的積水深度和積水流速等信息，內(nèi)澇風(fēng)險分布如圖5所示。

圖5 內(nèi)澇風(fēng)險分布Fig.5 Distribution of Waterlogging Risks the Study Area

敏感區(qū)域和非敏感區(qū)域的積水深度以及積水面積占比如表5所示。

表5 區(qū)域積水深度及積水面積占比情況Tab.5 Waterlogging Depth and Waterlogging Area Proportion

隨著重現(xiàn)期增長，降雨強度增大，內(nèi)澇面積增大，內(nèi)澇風(fēng)險程度加深。重現(xiàn)期1、3、5 a降雨下，研究區(qū)域的內(nèi)澇面積分別為9.63、40.36、63.52萬m2。當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到5年一遇時，龍江路與通北路、揚州路與齊齊哈爾路、平?jīng)雎愤@一片是內(nèi)澇中風(fēng)險區(qū)；平?jīng)雠沙鏊?、齊齊哈爾路兩側(cè)附近和榆林路兩側(cè)為內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。根據(jù)現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力的評估和內(nèi)澇風(fēng)險評估的結(jié)果可知，造成該市內(nèi)澇的主要原因有：惡劣天氣變多；城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致徑流量增加；現(xiàn)狀排水管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一年一遇，標(biāo)準(zhǔn)較低。

3 結(jié)論

本模型基于Infoworks ICM建立合流系統(tǒng)模型，在ArcGIS平臺基礎(chǔ)上建立研究區(qū)域DEM地面高程模型，結(jié)合1D排水管網(wǎng)模型和2D地表漫流模型，評估重現(xiàn)期1、3、5 a下，區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險情況，得到以下結(jié)論。

(1) 隨著重現(xiàn)期增大，降雨強度增大，地表徑流量增幅變大。

(2) 由于管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，重現(xiàn)期1 a時，出現(xiàn)溢流的檢查井共32個，占檢查井總數(shù)的7.1%，超負(fù)荷管道長度為-7 909.1 m，占管道總長度比例為57.6%；3 a時，溢流的檢查井共159個，占檢查井總數(shù)的35.3%，超負(fù)荷管道長度為9 071.2 m，占管道總長比例為66.1%；5 a時，溢流的檢查井共311個，占檢查井總數(shù)的69.1%，超負(fù)荷管道長度為9 354.7 m，占管道總長比例為68.2%。

(3) 隨著重現(xiàn)期增大，內(nèi)澇情況越來越嚴(yán)重，高風(fēng)險區(qū)所占面積越來越大。模擬結(jié)果與現(xiàn)實降雨積水范圍基本一致。