城市河網(wǎng)密集區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)研究

聶俊坤

(1. 北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100045；2.北京市城規(guī)技術(shù)服務(wù)中心，北京 100045)

城市河網(wǎng)密集區(qū)河湖水系交錯(cuò)密布，人口集聚且土地開發(fā)利用強(qiáng)度較高，該類區(qū)域通常由城鎮(zhèn)雨水排水管網(wǎng)系統(tǒng)與排水河網(wǎng)共同承擔(dān)排水除澇任務(wù)。針對城市排水河道與雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，通?？煞謩e基于水量平衡原理以及恒定均勻流公式進(jìn)行計(jì)算評(píng)估[1- 2]。然而，受限于河網(wǎng)密集區(qū)地勢低洼易澇等河道排水邊界條件制約，傳統(tǒng)恒定均勻流公式無法有效綜合評(píng)價(jià)該類區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水效率并辨識(shí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，綜合考慮城市下墊面特征、市政排水管網(wǎng)以及排水河道等因素構(gòu)建數(shù)值耦合模型逐步應(yīng)用于實(shí)踐，但受限于復(fù)雜的模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求，造成該類耦合模型常無法直接指導(dǎo)排水除澇規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。近年來，相關(guān)學(xué)者針對城市內(nèi)澇與排水系統(tǒng)評(píng)估開展了一系列有益研究[3- 5]，然而針對河網(wǎng)密集區(qū)雨水排除系統(tǒng)與內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施綜合評(píng)價(jià)仍需深入研究。因此，為了綜合評(píng)價(jià)河網(wǎng)密集區(qū)多排水工況下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力與城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，有必要構(gòu)建雨水管網(wǎng)與排水河網(wǎng)耦合模型，評(píng)價(jià)區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)能力并辨識(shí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，以期對河網(wǎng)密集區(qū)排水防澇規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

1 雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型構(gòu)建

研究分別基于Mike21、Mike Urban以及Mike11模型構(gòu)建城鎮(zhèn)下墊面、市政排水管網(wǎng)以及排水河網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)值模型，同時(shí)基于Mike Flood耦合上述模型，構(gòu)建河網(wǎng)密集區(qū)雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)系統(tǒng)耦合模型。所構(gòu)建耦合模型綜合考慮地表產(chǎn)匯流、管道動(dòng)態(tài)匯流、管網(wǎng)漫溢以及河道排水邊界條件變化等因素，可定量描述河網(wǎng)密集區(qū)城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)與排水河道對區(qū)域內(nèi)澇產(chǎn)生的影響作用。

1.1 研究區(qū)概況

選取我國某城市河網(wǎng)密集區(qū)為研究對象，研究區(qū)處于城市排水尾端且河網(wǎng)水系密布，區(qū)域易因超標(biāo)雨洪或排水不暢誘發(fā)城市內(nèi)澇問題。研究范圍內(nèi)共有市政排水河道與各類排水渠系33條，水面率約為3.41%，區(qū)域內(nèi)雨水地表徑流基本以重力流方式通過雨水管網(wǎng)匯入河道，所選區(qū)域具有城市河網(wǎng)密集區(qū)典型代表特征。研究區(qū)因地勢整體相對低洼，部分雨水管道通過淹沒出流方式排入河道，下凹橋以及低洼建設(shè)區(qū)內(nèi)的積水通過排澇泵站強(qiáng)排入河，區(qū)域排水防澇條件不佳。區(qū)域內(nèi)共有排澇泵站9座，河道內(nèi)排澇水位通過閘門與泵站聯(lián)合控制。因此，有必要通過分析區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)能力，綜合辨識(shí)研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1地面漫流模型構(gòu)建

采用研究區(qū)地形DEM高程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域建設(shè)區(qū)、市政道路、農(nóng)田綠地以及水域等模擬計(jì)算要素，基于Mike21模型對區(qū)域下墊面進(jìn)行高程點(diǎn)插補(bǔ)與地形網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格采用5m×5m精度。同時(shí)，通過校核實(shí)測高程與規(guī)劃標(biāo)高，對異常豎向高程實(shí)施匹配修整，從而構(gòu)建低洼區(qū)二維地面漫流模型。

1.2.2雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模型構(gòu)建

采用城市雨水管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)以及區(qū)域雨水管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，結(jié)合雨水管網(wǎng)豎向標(biāo)高、檢查井以及管道尺寸等空間高程數(shù)據(jù)，依據(jù)流域下墊面特征及雨水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分雨水匯流子流域，在考慮區(qū)域入河排水口、雨水檢查井以及管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建雨水管網(wǎng)Mike Urban數(shù)值模型[6]。研究區(qū)排水管網(wǎng)模型共概化為178個(gè)入河排水口以及2920個(gè)雨水檢查井。

1.2.3河網(wǎng)系統(tǒng)模型構(gòu)建

結(jié)合實(shí)地調(diào)研查勘、區(qū)域河湖水系規(guī)劃設(shè)計(jì)資料以及水系普查結(jié)果，考慮河道水系長度、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、水工構(gòu)筑物以及斷面形式等因素，構(gòu)建排水河網(wǎng)系統(tǒng)Mike11模擬模型，綜合考察等排水河道行洪流量、洪水位等數(shù)據(jù)指標(biāo)，評(píng)估河網(wǎng)系統(tǒng)排水條件[7]。研究區(qū)河網(wǎng)模型共概化為172個(gè)洪水位模擬高程點(diǎn)、125個(gè)洪峰流量模擬點(diǎn)以及11座河道泵站閘門。

1.2.4模型參數(shù)選取

基于Mike Urban針對城市排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬主要涵蓋管道以及地表徑流計(jì)算，其中地表徑流模擬可作為管道水力計(jì)算的邊界水力條件。管道水力模擬中管網(wǎng)糙率取值為0.012～0.015，河網(wǎng)水力模擬河道糙率取值為0.025。地表匯流模擬水力衰減系數(shù)設(shè)置為0.8，地表徑流平均速率設(shè)置為0.2m/s，水頭損失系數(shù)設(shè)置為0.001m。依據(jù)GB50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[8]，設(shè)置相應(yīng)下墊面不透水率范圍為20%～75%。曼寧系數(shù)依據(jù)管網(wǎng)不同材質(zhì)分別設(shè)定為75～85，計(jì)算時(shí)間步長取值范圍為5～20s，水力黏滯系數(shù)取1.0，地表干濕水深取值范圍為0.01～0.03m。

1.2.5模型精度率定

針對構(gòu)建的雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型，結(jié)合歷史調(diào)查內(nèi)澇積水情況進(jìn)行精度校準(zhǔn)與參數(shù)率定。同時(shí)，綜合對比經(jīng)驗(yàn)推理公式與模型在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)能力評(píng)價(jià)中的差異性，從而驗(yàn)證構(gòu)建耦合模型準(zhǔn)確性與適用性[9]。研究選取2018年7月某場強(qiáng)降雨歷程，該次降雨歷時(shí)約為22h，日累計(jì)降雨量約為75mm，該場降雨造成研究區(qū)局部道路與建設(shè)用地內(nèi)澇積水。內(nèi)澇積水點(diǎn)模擬結(jié)果與實(shí)地調(diào)研記錄情況基本吻合，構(gòu)建耦合模型可滿足模擬需求。

2 模型應(yīng)用與分析

2.1 雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力綜合評(píng)價(jià)

2.1.1評(píng)價(jià)原理與方法

基于構(gòu)建模型與傳統(tǒng)恒定均勻流公式綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力。其中，采用模型評(píng)價(jià)應(yīng)首先辨別排水管網(wǎng)為淹沒出流或自由出流邊界，同時(shí)采用雨水檢查井溢流以及管道滿管情形作為判別依據(jù)，即需要模擬分析四種管網(wǎng)排水工況條件：①雨水檢查井溢流且管網(wǎng)下游淹沒出流；②管道滿管且管網(wǎng)下游淹沒出流；③雨水檢查井溢流且管網(wǎng)下游自由出流；④管道滿管且管網(wǎng)下游自由出流，即該種工況與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計(jì)算條件相似[10]。此外，基于傳統(tǒng)恒定均勻流公式評(píng)估管網(wǎng)排水工況時(shí)，以排水管道為滿管恒定均勻流及管道縱坡與水力坡降相同作為計(jì)算條件，以管道設(shè)計(jì)過流能力不小于實(shí)際過流能力作為排水能力復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)，基于該公式推求管網(wǎng)排水能力無法有效考慮下游河道水位頂托影響[11]。

2.1.2邊界約束條件

(1)降雨條件

通過分析研究區(qū)所處暴雨分區(qū)以及匯水面積，設(shè)計(jì)降雨基于暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行推求：

Q=1602(1+1.037lgP)/(t+11.593)0.681

(1)

式中，Q—研究區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；t—場降雨歷時(shí)，min；P—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年。設(shè)計(jì)雨型依據(jù)研究區(qū)典型實(shí)測降雨資料采用同頻率放大計(jì)算得出，管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期選取為1、2、3、5年一遇，降雨歷時(shí)選取為180min。

(2)河道邊界

結(jié)合研究區(qū)河道規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，綜合對比區(qū)域河網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)水位以及雨水管網(wǎng)入河排水口高程，研究區(qū)多數(shù)河道20年一遇設(shè)計(jì)洪水位淹沒雨水管道出口內(nèi)頂，造成區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)普遍處于淹沒出流工況。因此，基于構(gòu)建模型評(píng)價(jià)區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力，采用河道20年一遇規(guī)劃設(shè)計(jì)洪水位高程作為管網(wǎng)排水下游控制水位。

2.1.3評(píng)價(jià)結(jié)果與影響因素

綜合對比采用模型與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力綜合對比評(píng)價(jià)

由表1可知，在雨水檢查井溢流且管網(wǎng)下游淹沒出流、管道滿管且管網(wǎng)下游淹沒出流、雨水檢查井溢流且管網(wǎng)下游自由出流、管道滿管且管網(wǎng)下游自由出流四種不同工況下，滿足研究區(qū)2年一遇規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力達(dá)標(biāo)率分別為18.78%、8.45%、27.14%、16.54%。當(dāng)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)入河下游出流邊界條件一致時(shí)，雨水檢查井溢流工況較管道滿管出流工況可顯著提升雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力約10%左右，上述排水能力差異主要是由于規(guī)劃設(shè)計(jì)滿管無壓流與實(shí)際管網(wǎng)壓力出流管道流態(tài)不同所造成。因此，研究區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)可在一定壓力出流邊界條件下，滿足管網(wǎng)排水能力并保障區(qū)域地表不漫溢積水。此外，當(dāng)雨水檢查井溢流或管道漫流條件一致時(shí)，雨水管道自由出流相較于淹沒出流，有助于提升管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力約8%左右。綜合對比模型模擬工況四與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計(jì)算結(jié)果可知，兩者在不同設(shè)計(jì)頻率下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力差異性低于7%，表明所構(gòu)建模型在評(píng)價(jià)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力時(shí)具有較高模擬精度與適用性。由上述各工況管網(wǎng)排水能力評(píng)價(jià)結(jié)果可知，研究區(qū)在滿足2年一遇規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力達(dá)標(biāo)率均低于30%，區(qū)域雨水管網(wǎng)排水能力嚴(yán)重不足。

2.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

2.2.1評(píng)價(jià)原理與方法

基于構(gòu)建的雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型，模擬研究區(qū)在規(guī)劃設(shè)計(jì)防澇標(biāo)準(zhǔn)下河道行洪水位、區(qū)域地表積水面積，辨識(shí)設(shè)計(jì)降雨下區(qū)域河網(wǎng)與雨水管網(wǎng)內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征。同時(shí)，針對河網(wǎng)密集區(qū)推求排澇流量，應(yīng)依據(jù)不同下墊面用地類型以及降雨過程逐時(shí)計(jì)算產(chǎn)匯流量。若計(jì)算時(shí)段區(qū)域產(chǎn)流量小于雨水管網(wǎng)排除能力，則區(qū)域內(nèi)降雨產(chǎn)流將會(huì)及時(shí)排除；若計(jì)算時(shí)段區(qū)域產(chǎn)流量大于雨水管網(wǎng)排除能力，則將會(huì)造成區(qū)域地表積水；若區(qū)域匯流量等于雨水管網(wǎng)排除能力，則產(chǎn)匯流量之間的差值將會(huì)于下個(gè)計(jì)算時(shí)段由管網(wǎng)排除。同時(shí)，基于水量平衡原理推求研究區(qū)地表積水量以及河網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)蓄量，通過對比構(gòu)建耦合模型模擬結(jié)果辨識(shí)區(qū)域內(nèi)澇成因。

2.2.2降雨邊界條件

研究區(qū)防澇標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇設(shè)計(jì)，采用DB11/T969—2016《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[12]最大24h暴雨雨型，50年一遇設(shè)計(jì)24h降雨時(shí)程分配如圖1所示。

圖1 研究區(qū)50年一遇24降雨量設(shè)計(jì)雨型

2.2.3評(píng)價(jià)結(jié)果與致澇成因辨識(shí)

基于構(gòu)建數(shù)值模型與水量平衡原理，針對研究區(qū)不同雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水工況綜合評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)見表2。

表2 研究區(qū)不同雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水工況下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

由表2可知，綜合對比排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=1時(shí)模型與水量平衡原理評(píng)價(jià)結(jié)果，上述方法計(jì)算河道行洪水位深差值小于0.1m，區(qū)域地表內(nèi)澇積水平均深度計(jì)算差值小于0.03m，表明構(gòu)建雨水管網(wǎng)-河網(wǎng)耦合模型與水量平衡原理內(nèi)澇評(píng)價(jià)較一致，即水量平衡原理適用于河網(wǎng)密集區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。當(dāng)排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年一遇時(shí)，基于水量平衡原理計(jì)算所得流域河道行洪水位深可控制在2.40m左右，該重現(xiàn)期下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)對流域匯流至河道內(nèi)洪峰流量削減顯著，但造成地表產(chǎn)生較深溢流積水，即該重現(xiàn)期時(shí)研究區(qū)內(nèi)澇致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源于區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力低下。當(dāng)排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)重現(xiàn)期由1年一遇逐步提升至5年一遇時(shí)，流域排水河道洪峰水位深逐步上升且地表溢流積水深度逐步降低，區(qū)域地表積水深下降與河道行洪水位深上升均呈減緩趨勢。此時(shí)，研究區(qū)河道行洪水位普遍超過20年一遇規(guī)劃設(shè)計(jì)洪水位高程，即區(qū)域內(nèi)澇致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源于排水河道系統(tǒng)蓄泄功能不足，造成研究區(qū)河網(wǎng)水位過高且排水管網(wǎng)系統(tǒng)出流條件不佳。因此，研究區(qū)應(yīng)提升區(qū)域雨水管網(wǎng)系統(tǒng)治理標(biāo)準(zhǔn)與河道蓄泄功能，從而有效削減區(qū)域內(nèi)澇發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

城市河網(wǎng)密集區(qū)排水防澇規(guī)劃治理特征顯著，構(gòu)建雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型適用于城市河網(wǎng)密集區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)能力綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合耦合模型與水量平衡原理可揭示區(qū)域多工況下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，有助于該類區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警與防澇措施評(píng)估。雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力與河網(wǎng)蓄泄能力不足是導(dǎo)致城市河網(wǎng)密集區(qū)發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害的重要致災(zāi)原因。此外，城市河網(wǎng)密集區(qū)內(nèi)澇防治應(yīng)選取適宜該類區(qū)域洪澇特征的標(biāo)準(zhǔn)與思路，應(yīng)綜合考慮城市豎向合理規(guī)劃布置排水河道與雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)針對局部低洼易澇點(diǎn)可采取設(shè)置防倒灌閘門、泵站強(qiáng)排等措施強(qiáng)化防澇除澇效果。