基于InfoWorks ICM模型的陜西省咸陽市 排水系統(tǒng)能力及內(nèi)澇風(fēng)險評估

吳彥成，丁 祥，楊利偉，張 乾

(1. 長安大學(xué) 基建處，陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 3. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，地面的硬化程度越來越高，加上近年來氣候反常、暴雨頻發(fā),城市內(nèi)澇問題日趨嚴(yán)重[1-5]。2018年7月12日，渭河咸陽段迎來了當(dāng)年度最大的洪峰，洪水倒灌入陜西省咸陽市主城區(qū)排雨管道(簡稱“管道”)中，導(dǎo)致一處超過200 m路段出現(xiàn)內(nèi)澇，積水最深處甚至達(dá)到了1.3 m[6-7]。由此可見，對城市現(xiàn)有排水系統(tǒng)能力和內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估十分重要[8-10]。

InfoWorks ICM模型是一個十分成熟的雨洪模擬軟件，被廣泛應(yīng)用到工程實(shí)踐和學(xué)術(shù)研究中[11-12]。1998～2001年，Wallingford公司研發(fā)了InfoWorks系列軟件[13]；隨后，學(xué)者們基于該軟件開展了一系列研究。例如，郭芝瑞等建立了InfoWorks ICM模型優(yōu)選定位調(diào)蓄池位置[14]；漢京超基于InfoWorks ICM模型建立了上海市福建北片區(qū)排水管網(wǎng)模型，并優(yōu)化排水系統(tǒng)提標(biāo)方案[15]；魏忠慶等基于InfoWorks ICM模型建立了F市排水系統(tǒng)耦合模型，明確了積水原因，提出了相應(yīng)的改造措施[16]；高婷等利用InfoWorks ICM模型評估了新生態(tài)城起步區(qū)排水系統(tǒng)的能力[17]；曾嬌嬌等采用InfoWorks ICM模型分析了珠海機(jī)場被淹原因并提出治理方案，保證了機(jī)場的安全運(yùn)行[18]。綜上所述，InfoWorks ICM模型能夠耦合模型，發(fā)揮一維管網(wǎng)模型和二維地表模型的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)地模擬從降雨開始到內(nèi)澇產(chǎn)生、演進(jìn)的全過程，為城市排水與城市內(nèi)澇關(guān)系分析、城市內(nèi)澇的災(zāi)害分析等提供有力工具[19-23]。

本文基于InfoWorks ICM模型建立了陜西省咸陽市主城區(qū)的一維耦合水動力學(xué)模型、二維耦合水動力學(xué)模型，對咸陽市主城區(qū)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并使用英國洪澇災(zāi)害指數(shù)評價體系對咸陽市主城區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估，以實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)能力的評估。

1 研究區(qū)概況

1.1 排水分區(qū)現(xiàn)狀

研究區(qū)位于陜西省咸陽市主城區(qū)，地處關(guān)中平原腹地，面積為523 km2。目前，咸陽市主城區(qū)共分為5個排水分區(qū)，分別為西高新區(qū)、老城區(qū)西片區(qū)、老城區(qū)北片區(qū)、老城區(qū)東片區(qū)和東部化工區(qū)。各分區(qū)的排水面積分別為31.7、8.6、21.2、17.9和7.0 km2。具體分區(qū)情況和部分排水泵站位置如圖1所示。

圖1 陜西省咸陽市主城區(qū)排水分區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Current Situation of Drainage Division in Main Urban Area of Xianyang City, Shaanxi Province

1.2 下墊面現(xiàn)狀

陜西省咸陽市主城區(qū)下墊面類型各不相同。老城區(qū)建筑密度高，不透水地面占比較大；新城區(qū)按照新的城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建筑密度相對較低，地面硬化程度也比老城區(qū)低。

根據(jù)地面透水特性，將下墊面劃分為草地、樹林、裸土、道路、廣場、屋頂和小區(qū)鋪裝7種，其徑流系數(shù)分別為0.15、0.10、0.30、0.85、0.90、0.95和0.50[24-25]。對7種下墊面徑流系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均計算，可得到研究區(qū)匯水面積的綜合徑流系數(shù)，據(jù)此可將咸陽市主城區(qū)重新劃分為9個排水分區(qū)(圖2)。

圖例中數(shù)值表示各排水分區(qū)的綜合徑流系數(shù)圖2 綜合徑流系數(shù)分布Fig.2 Distribution of Comprehensive Runoff Coefficient

1.3 高程和地形坡度現(xiàn)狀

高程對地表的產(chǎn)匯流過程和InfoWorks ICM模型耦合時的積水二維演進(jìn)都有很大的影響；地形坡度在一定程度上也可以反映地表徑流的流速和流向。因此，分析研究區(qū)高程和地形坡度十分必要。

在ArcGIS軟件中，利用克里金插值法可將高程點(diǎn)制作成1.5 m×1.5 m的高精度柵格，借助這種高精度數(shù)字高程模型，可具體化展現(xiàn)研究區(qū)高程(圖3)。由圖3可以看出，咸陽市主城區(qū)整體為北高南低、西高東低，地勢從西北到東南呈階梯形下降，落差為20～40 m，居于黃土塬與渭河之間的狹長地帶，暴雨災(zāi)害是威脅該地區(qū)的主要安全因素。渭河以北地區(qū)地勢從北到南同樣呈階梯形下降，高程為385～480 m。使用Arc GIS軟件中3D Analyst工具可獲得研究區(qū)地形坡度(圖4)。從圖4可以看出，研究區(qū)地勢起伏比較大，坡度為0°～7°，其中最高坡度位于研究區(qū)中線附近。

圖3 高程分布Fig.3 Distribution of Elevation

圖4 地形坡度分布Fig.4 Distribution of Topographic Slope

2 模型構(gòu)建

2.1 一維管網(wǎng)模型

2.1.1 設(shè)計暴雨

陜西省咸陽市的暴雨強(qiáng)度公式是20世紀(jì)80年代組織編制的。通過對咸陽市1984～2013年暴雨量進(jìn)行皮爾遜(Pearson)Ⅲ型曲線[26]擬合，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有暴雨強(qiáng)度公式已不能很好地反映咸陽市近年來的降雨規(guī)律。咸陽市極端降水事件與年降水量的變化和西安市近乎一致，且暴雨事件的分布頻率和暴雨強(qiáng)度也趨于一致[27]。因此，本文考慮采用西安市的暴雨雨型來模擬咸陽市的降雨規(guī)律。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)[28]，長安大學(xué)建筑工程學(xué)院利用數(shù)理統(tǒng)計法得出西安市暴雨強(qiáng)度公式為

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度；t為降雨歷時；P為設(shè)計重現(xiàn)期。

本研究中，雨峰系數(shù)為0.4，降雨歷時為120 min。

2.1.2 管網(wǎng)水力模型

通過現(xiàn)階段城區(qū)管道、檢查井、調(diào)蓄設(shè)施、排水泵站的地理坐標(biāo)、地面及管網(wǎng)高程構(gòu)建模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，由設(shè)計暴雨構(gòu)建降雨數(shù)據(jù)庫，借助ArcGIS軟件分析得到地面高程模型數(shù)據(jù)庫，以上共同構(gòu)成管網(wǎng)水力模型的基本數(shù)據(jù)庫要素框架。建模采用的降雨徑流模型參考排水系統(tǒng)在城市雨水水量管理中的應(yīng)用研究結(jié)果；產(chǎn)流模型中，不透水地面采用固定徑流系數(shù)法，透水地面選用Horton滲透公式；匯流模型采用SWMM非線性水庫法[29]。最后，基于InfoWorks ICM模型建立管網(wǎng)水力模型(圖5)。

圖5 管網(wǎng)水力模型Fig.5 Hydraulic Model of Pipe Network

2.2 二維地表模型

二維地表模型的地面高程數(shù)據(jù)取自CAD測繪圖，后又經(jīng)過實(shí)際測量對高程的誤差進(jìn)行修正。以地面高程模型為基礎(chǔ)，綜合考慮道路、建筑物等對水流的引導(dǎo)和阻擋，以及地面上不同類型地塊的糙率對城市內(nèi)澇的影響，得到研究區(qū)二維地表模型。

2.3 模型率定

使用蒙特卡洛法對模型進(jìn)行率定。本文選用2018年6月14日、15日(歷時15 h，總降水量為51.3 mm)的降雨與新興路、秦皇路、上林路3個排水泵站(位置見圖1)的監(jiān)測水位對模型的參數(shù)進(jìn)行率定。經(jīng)校核，3個排水泵站的納什系數(shù)分別為0.89、0.93、0.88(納什系數(shù)越接近1表示越好，大于0.7表示模擬值與實(shí)測值較吻合)。因此，該模型的模擬結(jié)果可靠，可用于后續(xù)的分析工作。

3 結(jié)果分析

3.1 城市排水系統(tǒng)評估

3.1.1 總體評估

根據(jù)管網(wǎng)摸查資料，陜西省咸陽市主城區(qū)現(xiàn)已覆蓋了一定數(shù)量的合流管網(wǎng)及雨污分流管網(wǎng)。咸陽市主城區(qū)建成區(qū)面積為86.4 km2，已建管道總長為117.3 km，每平方千米管道為1.998 km(表1)。管道主要采用鋼筋混凝土管，大部分管徑為DN400～DN800，部分管徑為DN800～DN1800。

表1 管道達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical Results of the Compliance Rate of Pipes

咸陽市主城區(qū)雨水進(jìn)水口大多采用單篦式或多篦式平篦雨水口，間距多為30～40 m，其覆蓋程度滿足《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)的要求(雨水口間距宜為25～50 m)[28]。但咸陽市主城區(qū)雨水口存在著一定的破損、移位及淤堵現(xiàn)象，堵塞率為15%～20%。管道敷設(shè)年代比較久遠(yuǎn)，部分管道淤堵現(xiàn)象十分嚴(yán)重。如圖6、7所示，清泰路及秦皇路、人民路與渭陽西路中間區(qū)段等管道達(dá)標(biāo)率比較低。

圖6 清泰路管網(wǎng)淤堵示意圖Fig.6 Schematic View of Pipe Network Silting in Qingtai Road

圖7 秦皇路、人民路與渭陽西路中間區(qū)段管網(wǎng)淤堵示意圖Fig.7 Schematic View of Pipe Network Silting in Qinhuang Road, Renmin Road and Middle Section of Weihexi Road

3.1.2 排水能力評估

基于InfoWorks ICM模型，采用重現(xiàn)期分別為0.5年、1年、3年、5年的降雨對管網(wǎng)水力模型進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：不同暴雨強(qiáng)度下，管道的負(fù)荷狀況小于1，即非滿管流時，滿足該管道對應(yīng)暴雨強(qiáng)度的排水需求。管網(wǎng)排水能力詳見表2及圖8。從表2可以看出：排水管網(wǎng)滿足3年一遇暴雨強(qiáng)度的管道達(dá)標(biāo)率(即3～5年一遇和大于5年一遇的管道達(dá)標(biāo)率之和)僅為21.4%。由圖8可知，現(xiàn)狀排水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期以0.5～1年為主，遇到3年一遇暴雨時，管網(wǎng)均呈現(xiàn)滿管流，僅位于防洪渠的各排水?dāng)嗝嫒詽M足排水需求，管道呈現(xiàn)非滿管流。

表2 管網(wǎng)排水能力評估Tab.2 Evaluation of Drainage Capacity of Pipe Network

管道管徑偏小(DN400～DN600)造成管網(wǎng)排水能力不足，管道呈現(xiàn)不同程度的淤積。因此，咸陽市主城區(qū)上游管網(wǎng)排水受下游管網(wǎng)水位頂托而排水不暢，造成雨水未能順利排入管網(wǎng)，而沿地表形成徑流，并沿地形坡度向城區(qū)地勢較低的區(qū)域匯集。

3.1.3 積水深度評估

由圖8可知：低重現(xiàn)期下(重現(xiàn)期為0.5年和1年)，排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的溢流現(xiàn)象不明顯；但是，高重現(xiàn)期下，絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都會發(fā)生溢流。綜合考慮，本文選用3年一遇暴雨分析積水深度。研究區(qū)的積水深度分布見圖9。

圖8 管網(wǎng)排水能力分布Fig.8 Distribution of Drainage Capacity of Pipe Network

圖9 管網(wǎng)積水深度分布Fig.9 Distribution of Water Depth of Pipe Network

咸陽市主城區(qū)積水主要發(fā)生在地勢較低的區(qū)域，包括人民路七廠什子到大劇院之間、陜棉八廠及抗戰(zhàn)路火車站周邊區(qū)域。其中，咸通路陜中附院門口、文匯路聯(lián)盟二路周邊、金旭路東郊加油站及上林橋西部的積水深度為0.15～0.30 m；畢塬路、民生路、渭陽路人民政府周邊積水深度為0.3～0.5 m，積水嚴(yán)重。結(jié)合管網(wǎng)水力模型模擬降雨過程，并計算雨水徑流的流經(jīng)范圍，結(jié)果顯示上述積水主要是北部地區(qū)降雨匯流并在低洼地區(qū)匯集形成。其中，樂育路、新興路、西蘭路下穿隴海鐵路地道橋區(qū)域受北部滾坡水下匯影響積水嚴(yán)重。管網(wǎng)水力模型模擬計算得到3個排水泵站下穿部分匯水水量分別為2 373、7 099、2 324 m3，且存在2次顯著匯水過程。因此，咸陽市主城區(qū)現(xiàn)狀排水泵站能夠滿足研究區(qū)降雨匯水水量的需求，但在北部滾坡水下匯時，排水泵站無法及時排除下穿地道部分的積水。

3.2 城市內(nèi)澇風(fēng)險評估

目前，內(nèi)澇風(fēng)險評估的指標(biāo)及其等級劃分并無統(tǒng)一規(guī)定?！妒彝馀潘O(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)[28]雖然有關(guān)于地面積水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的界定，但是對于規(guī)劃層面的內(nèi)澇風(fēng)險評估尚難以操作。針對咸陽市主城區(qū)的實(shí)際情況和特點(diǎn)，為簡化計算和評估的復(fù)雜性，本文借鑒英國洪澇災(zāi)害指數(shù)評價體系開展城市內(nèi)澇風(fēng)險評估。

3.2.1 洪澇災(zāi)害指數(shù)閾值

2000年，Karvonen等通過實(shí)踐闡明了洪澇災(zāi)害指數(shù)與洪水深度、流速的密切相關(guān)[30]。據(jù)此，本文管網(wǎng)水力模型主要考慮用洪水深度和流速計算洪澇災(zāi)害指數(shù)。其表達(dá)式為

Hr=d(v+0.5)+df

(2)

式中：Hr為洪澇災(zāi)害指數(shù)；d為洪水深度；v為洪水流速；df為水深危害參數(shù)，可取值0、0.5、1.0，這取決于廢墟、瓦礫等會附加產(chǎn)生的風(fēng)險，且與用地性質(zhì)有關(guān)。

結(jié)合咸陽市主城區(qū)的實(shí)際情況，本文水深危害參數(shù)取值為：當(dāng)d≤0.15 m時，df=0.5；當(dāng)d>0.15 m時，df=1.0。

洪澇災(zāi)害指數(shù)閾值[31]及分配詳見表3、4。在此基礎(chǔ)上，考慮咸陽市主城區(qū)地塊敏感性系數(shù)，包括人口密度及用地性質(zhì)，對城市內(nèi)澇風(fēng)險評估進(jìn)行校核。

表3 洪澇災(zāi)害指數(shù)閾值Tab.3 Threshold Values of Flood Disaster Index

3.2.2 內(nèi)澇風(fēng)險評估與區(qū)劃

將風(fēng)險評估范圍劃分成單元格，再根據(jù)以上確定風(fēng)險因素、風(fēng)險指數(shù)和各風(fēng)險因素的權(quán)重，對每個單元格計算其洪澇災(zāi)害指數(shù)。

根據(jù)管網(wǎng)水力模型，計算每個單元格的洪澇災(zāi)害指數(shù)，同時對照歷史洪災(zāi)情況進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險評估區(qū)劃。城市內(nèi)澇風(fēng)險評估區(qū)劃結(jié)果詳見表5和圖10。由圖10可以看出，咸陽市主城區(qū)中內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域主要發(fā)生在人民路—東風(fēng)路—渭河—咸通路圍成的地塊和東風(fēng)路—河堤路—福銀高速公路—金旭路圍成的地塊。人民路—東風(fēng)路—渭河—咸通路圍成的地塊具有以下特點(diǎn)：地塊地勢低洼；地面硬化程度比較高，徑流系數(shù)較高；排水系統(tǒng)建設(shè)不完善，道路下管道管徑偏小，部分管道沒有出路，同時下游沿渭河排放口封堵后，下游排水不暢；地塊地處城市中心，人口密度較大，同時為市政府及區(qū)政府所在地，商業(yè)、金融業(yè)較為發(fā)達(dá)。對上述各項因子得出的風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，得知該地塊為內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域。東風(fēng)路—河堤路—福銀高速公路—金旭路圍成的地塊由于地勢低洼，地面高程低于渭河常水位，降雨時極易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，故該地塊也為內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域。

圖10 內(nèi)澇風(fēng)險評估區(qū)劃Fig.10 Evaluation Division of Waterlogging Risk

表4 洪澇災(zāi)害指數(shù)閾值分配結(jié)果Tab.4 Allocation Results of Threshold Values for Flood Disaster Index

表5 城市內(nèi)澇風(fēng)險評估Tab.5 Evaluation of Urban Waterlogging Risk

4 結(jié) 語

(1)陜西省咸陽市主城區(qū)采用平篦雨水口，覆蓋程度滿足設(shè)計要求，部分雨水口有破損、移位及淤堵現(xiàn)象。而且由于管道敷設(shè)年代比較久遠(yuǎn)，部分管道淤堵現(xiàn)象十分嚴(yán)重，整體管道達(dá)標(biāo)率比較低。

(2)咸陽市主城區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)管徑偏小，在4種降雨強(qiáng)度(設(shè)計重現(xiàn)期分別為0.5、1、3、5年)的模擬中，管網(wǎng)排水能力絕大多數(shù)都在0.5年一遇之下，滿足3年一遇暴雨重現(xiàn)期的管道達(dá)標(biāo)率僅為21.3%。

(3) 咸陽市主城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險評估發(fā)現(xiàn)，內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域是位于地勢低洼處、地面硬化程度高且排水管網(wǎng)管徑較小的人民路—東風(fēng)路—渭河—咸通路圍成的地塊和東風(fēng)路—河堤路—福銀高速公路—金旭路圍成的地塊。

(4) 根據(jù)對現(xiàn)有排水系統(tǒng)的分析，建議提高已建地區(qū)排水標(biāo)準(zhǔn)，包括翻排雨水管道管徑，改建排水泵站，新建分流干管，近期以提高干管排水標(biāo)準(zhǔn)為主，遠(yuǎn)期需要結(jié)合道路及城區(qū)改造翻排支管。