傅 春,付耀宗,肖存艷,鄧俊鵬,王樂志,裴伍涵
(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330031; 2.江西省交通技工學(xué)校,江西 南昌 330038)
近年來,隨著全球氣候變化以及城市化的快速發(fā)展,我國越來越多的城市遭遇內(nèi)澇災(zāi)害的嚴(yán)重度以及頻次前所未有,造成了巨大社會經(jīng)濟損失,嚴(yán)重威脅了居民的生命財產(chǎn)安全[1-2]。為解決這一棘手問題,應(yīng)運而生了各種水文水利模擬軟件,應(yīng)用比較廣泛的有美國SWMM軟件[3-4]、美國SWAT軟件、丹麥MIKE系列軟件等[5-6],其中MIKE系列軟件憑借人性化的用戶界面,便捷的操作方式和強大的前處理、后處理功能,得到了眾多研究者的青睞[7-8]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者將生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的彈性力概念延引至城市內(nèi)澇研究中,為該領(lǐng)域的研究提供了新思路,有助于深入了解城市內(nèi)澇從受災(zāi)到災(zāi)后恢復(fù)的完整過程,緩解城市暴雨內(nèi)澇壓力,取得了良好的研究成果。Simonovic等[9-10]首次提出將彈性量化為時間空間的函數(shù),提高了人們對系統(tǒng)恢復(fù)能力的理解。Mugume等[11]將城市排水系統(tǒng)與彈性力聯(lián)系起來,基于系統(tǒng)性能的損失計算了烏干達坎帕拉市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的彈性指數(shù)。肖楠[12]利用了彈性分析法研究了深圳市坪山新區(qū)在不同重現(xiàn)期降雨下遭遇城市內(nèi)澇時的彈性指數(shù)以及計算典型內(nèi)澇節(jié)點的彈性值。本文基于MIKE FLOOD模型并結(jié)合彈性分析法研究了鷹潭市月湖新區(qū)在不同降雨重現(xiàn)期下形成內(nèi)澇以及淹沒退去的完整過程,研究結(jié)果有助于更快、更準(zhǔn)確地制定出科學(xué)合理的抗災(zāi)策略。
研究區(qū)位于江西省鷹潭市月湖新區(qū),占地面積約為3.32 km2,地形大致為左高右低,年均降雨量為1 817.2 mm,雨季一般為每年的4—10月,由于研究區(qū)為規(guī)劃區(qū),故將下墊面情況粗略劃分為道路用地、建筑用地、綠化用地、人造表面及其他用地。
根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》確定道路用地、建筑用地、人造表面、綠化用地、其他用地等不同類型下墊面的綜合徑流系數(shù)分別為0.85、0.70、0.65、0.10和0.20。模型中各子匯水區(qū)的不滲透系數(shù)根據(jù)綜合徑流系數(shù)方法獲得,即統(tǒng)計子匯水區(qū)中各種下墊面類型的面積占比與各下墊面對應(yīng)的綜合徑流系數(shù)自動計算子匯水區(qū)的不滲透率[13-14]。
研究區(qū)域暴雨強度公式為
(1)
式中:q為暴雨強度;P為降雨重現(xiàn)期;t為降雨歷時。
研究區(qū)域雨型選擇芝加哥雨型,采用短歷時降雨,降雨時長2 h,設(shè)置時間步長1 min,峰值系數(shù)0.4,計算得到1 a、3 a、5 a、10 a,20 a 等5個重現(xiàn)期的設(shè)計降雨,各重現(xiàn)期的設(shè)計降雨量分別為39.43 mm、52.48 mm、58.55 mm、66.79 mm和75.02 mm,各場設(shè)計降雨歷程如圖1所示。
圖1 不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨過程線
研究區(qū)域地形DEM數(shù)據(jù)由ArcGIS提取規(guī)劃的CAD節(jié)點高程數(shù)據(jù)后,對其進行柵格插值處理而獲得。為更好地凸顯道路的行洪能力及建筑物的阻水能力,在地形圖中將道路用地降低0.15 m,將建筑物拔高5 m。
城市內(nèi)澇彈性是指城市的排水系統(tǒng)遭遇降雨沖襲后,研究區(qū)域經(jīng)歷了從內(nèi)澇災(zāi)害到逐漸恢復(fù)至原狀態(tài)的一個過程,其表現(xiàn)為系統(tǒng)遭遇內(nèi)澇災(zāi)害后恢復(fù)到指定狀態(tài)所用時間[15-16]。因此,對城市內(nèi)澇進行彈性分析可以統(tǒng)籌考慮城市抵御內(nèi)澇災(zāi)害以及災(zāi)后復(fù)原能力[17]。城市排水防澇與眾多影響因素有關(guān),包括地形、土地覆被等自然因素以及土地利用情況、管網(wǎng)建設(shè)情況等社會因素[18],因此,就算在研究區(qū)域的相鄰區(qū)域,其內(nèi)澇彈性指數(shù)也可能會存在較大差異。
在系統(tǒng)遭受降雨干擾后,研究區(qū)排水系統(tǒng)性能開始會下降至一個最低值,到降雨結(jié)束后的一段時間,系統(tǒng)性能會逐漸恢復(fù)直至降雨前的水平,見圖2。排水系統(tǒng)性能在t1時開始呈下降趨勢,到t2時系統(tǒng)性能降至最小值p1。隨著系統(tǒng)自身的適應(yīng)調(diào)節(jié),t3時系統(tǒng)開始恢復(fù),系統(tǒng)性能逐漸上升,直至t4時系統(tǒng)恢復(fù)正常。因此,0~t1時段稱為系統(tǒng)準(zhǔn)備階段;t1~t2時段為系統(tǒng)的抵御吸收階段;t2~t3時段稱為系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)階段;t3~t4時段為系統(tǒng)恢復(fù)階段。
圖2 系統(tǒng)性能函數(shù)
在對研究區(qū)域進行復(fù)雜的網(wǎng)格彈性評價中,可以根據(jù)系統(tǒng)的性能函數(shù)曲線計算得到洪水的彈性指數(shù)。當(dāng)研究區(qū)域遭到洪水襲擊后,網(wǎng)格狀態(tài)可以分為淹沒與未淹沒兩種狀態(tài),因此可以通過統(tǒng)計淹沒網(wǎng)格個數(shù)與未淹沒網(wǎng)格個數(shù),用以代表相應(yīng)的研究區(qū)域內(nèi)淹沒面積與未淹沒面積[19]。當(dāng)研究區(qū)不存在淹沒網(wǎng)格時,未淹沒面積與總面積比值為1,此時研究區(qū)域系統(tǒng)性能為1;相反,當(dāng)研究區(qū)網(wǎng)格均被淹沒時,系統(tǒng)性能為0。本文采用未受洪水淹沒面積與研究區(qū)域總面積之比來代表該區(qū)域的系統(tǒng)性能。t時刻,若第i個柵格其積水深度大于設(shè)定的淹沒閾值時,則令t時刻i柵格的淹沒值dit=1;反之,則令dit=0。研究區(qū)的系統(tǒng)性能函數(shù)為
(2)
式中:pt為系統(tǒng)性能函數(shù);Nt為t時刻內(nèi)區(qū)域淹沒總網(wǎng)格數(shù)量;N為區(qū)域內(nèi)總網(wǎng)格數(shù)量。
研究區(qū)域的洪水彈性通過計算得到的系統(tǒng)性能函數(shù)對其進行積分求得:
(3)
式中:R為系統(tǒng)洪水彈性;tn為模型模擬時間。
在排水模型建立前,對研究區(qū)域的節(jié)點(含檢查井及排水口)和雨水管道概化,概化后共有104個節(jié)點與99條管道,節(jié)點其中包含5個排水口。節(jié)點及管道數(shù)據(jù)來源于規(guī)劃部門提供的 CAD 圖紙,包含檢查井底標(biāo)高、管底標(biāo)高、管徑與管長等。研究區(qū)管道均為圓管,管道最大直徑2 000 mm,最小 600 mm,總長度約27.32 km。將管道和節(jié)點數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE URBAN模型后,建立研究區(qū)排水系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系,并將降雨數(shù)據(jù)等邊界條件導(dǎo)入模型。
基于研究區(qū)內(nèi)雨水管道系統(tǒng)分區(qū)及雨水控制利用的規(guī)劃布局,對月湖新區(qū)進行子匯水區(qū)劃分。利用系統(tǒng)自有的泰森多邊形法將匯水區(qū)劃分為面積0.26~11.48 hm2不等的99個子匯水區(qū),子匯水區(qū)劃分結(jié)果如圖3所示。至此,研究區(qū)域管網(wǎng)模型建立完成,可對其進行模擬計算得到節(jié)點及管網(wǎng)的結(jié)果文件。
圖3 研究區(qū)域子匯水區(qū)劃分
二維模型的建立要引入地面基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù),基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)的獲取需要對研究區(qū)域以外的區(qū)域進行剔除,將之外的標(biāo)高數(shù)據(jù)拔高處理以關(guān)閉邊界。二維模型的參數(shù)設(shè)置參考蘇曉天[20]、孫鴻杰[21]研究成果,初始水位設(shè)置為0 m,干水深和淹沒水深分別設(shè)置為2 mm和3 mm,糙率設(shè)置為模型默認(rèn)的32。
二維模型建立完成后,利用 MIKE FLOOD 模型將MIKE URBAN管網(wǎng)模型與MIKE21二維地表漫流模型進行耦合,將研究區(qū)域節(jié)點連接到地形文件的網(wǎng)格中實現(xiàn)排水管網(wǎng)模型與二維地表漫流模型的耦合,其中,節(jié)點的檢查井與地形文件的連接方式為Urban連接。
為驗證模型各參數(shù)的合理性,選取鷹潭市月湖新區(qū)2019年7月6日場次降雨實測數(shù)據(jù)與模型在相應(yīng)降雨數(shù)據(jù)下的淹沒點及深度進行比較,通過對各參數(shù)進行反復(fù)的調(diào)整,直至模擬結(jié)果具有較高的精確性。觀察各個重現(xiàn)期模擬結(jié)果可知,研究區(qū)易澇點與實際降雨內(nèi)澇點基本一致,模型模擬所得結(jié)果與實際情況較為相似,可信度較高,見表1。
表1 2019年7月6日降雨的模擬與實測結(jié)果對比
MIKE耦合模型的降雨產(chǎn)匯流過程大致可以理解為:當(dāng)節(jié)點水位比其所處地面高程更高時,積水會漫流至地面;反之,當(dāng)?shù)孛娓叱谈哂诠?jié)點水位標(biāo)高時,積水會回流進而排出排水口[22-23],因此耦合模型可以較為準(zhǔn)確地模擬出研究區(qū)域遇降雨時的產(chǎn)匯流情況。
根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》,當(dāng)路面積水深度H>15 cm時,可能會致使車輛熄火;當(dāng)H>50 cm時,會造成較為嚴(yán)重的內(nèi)澇。為便于觀察,將本次模擬結(jié)果水深以15 cm和50 cm進行內(nèi)澇嚴(yán)重程度劃分。經(jīng)觀察,研究區(qū)在80 min時其淹沒范圍及深度基本達到模擬時段內(nèi)的最大值。
為便于區(qū)分易澇區(qū)域,將研究區(qū)域按照子匯水區(qū)劃分為99個集水區(qū)。由圖4可知,研究區(qū)洪水淹沒范圍隨著設(shè)計降雨重現(xiàn)期的增大而增大。集水區(qū)8、20、55遭遇不同重現(xiàn)期降雨時都出現(xiàn)了積水水深大于50 cm的嚴(yán)重內(nèi)澇區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研可知,研究區(qū)中的易澇區(qū)為山區(qū)的下凹地區(qū),因此,高程是導(dǎo)致上述內(nèi)澇區(qū)容易產(chǎn)生內(nèi)澇現(xiàn)象的主要影響因素。遭遇大暴雨后,易澇區(qū)積水需要長時間的自然滲透才能滲進地底,由于山區(qū)中的積水并不會給研究區(qū)居民生活帶來很多不便,因此本文就不對相應(yīng)易澇區(qū)再做相應(yīng)的內(nèi)澇彈性研究。
為對研究區(qū)的淹沒情況有一個更直觀的了解,現(xiàn)統(tǒng)計不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的積水網(wǎng)格數(shù)及積水區(qū)平均深度,如表2所示。隨著重現(xiàn)期的增長,積水區(qū)的平均水深有所增加,增長速度逐漸變慢;同時,研究區(qū)總內(nèi)澇積水范圍和不同等級的內(nèi)澇積水網(wǎng)格數(shù)均呈上升趨勢。研究區(qū)在重現(xiàn)期1 a和3 a的設(shè)計降雨下,積水水深及積水范圍都有著較大的差異,結(jié)合一維管網(wǎng)模擬可知,排水管網(wǎng)系統(tǒng)溢流節(jié)點數(shù)及超載管渠數(shù)的增加幅度更大。因此,研究區(qū)在遭遇不同的低重現(xiàn)期降雨時的管網(wǎng)負(fù)荷及積水情況差異更明顯。
表2 不同重現(xiàn)期80 min積水情況
采用彈性分析法對研究區(qū)內(nèi)澇情況進行分析,將研究區(qū)模擬所得的積水深度減去相應(yīng)的下墊面的淹沒閾值,旨在更合理、更符合現(xiàn)實地分析研究區(qū)遭遇洪水災(zāi)害后的防洪、承災(zāi)及恢復(fù)的完整過程,全面了解研究區(qū)對于內(nèi)澇災(zāi)害的防御與恢復(fù)能力[24]。
4.3.1淹沒網(wǎng)格變化
由于2 h降雨期間,研究區(qū)部分區(qū)域還處于淹沒狀態(tài),不能完整反映降雨后的恢復(fù)過程,因此本文將總模擬時長調(diào)為48 h,其中只有前2 h經(jīng)歷了設(shè)計降雨,這樣便能盡可能模擬出研究區(qū)遭遇不同重現(xiàn)期降雨后的恢復(fù)情況。不同下墊面淹沒閾值的設(shè)定關(guān)系到相應(yīng)網(wǎng)格的淹沒狀態(tài),Yin等[25-26]建議在模擬城市內(nèi)澇時,淹沒閾值的設(shè)定應(yīng)根據(jù)汽車排氣口距地面的高度設(shè)定為30 cm,但考慮到30 cm的積水水深會對研究區(qū)當(dāng)?shù)鼐用駧碇T多不便,在分析相關(guān)問卷調(diào)查后,將綠地用地的淹沒閾值設(shè)為15 cm,道路及人造表面的淹沒閾值設(shè)為5 cm,其他用地設(shè)為10 cm。
為更明顯表明系統(tǒng)在各種重現(xiàn)期降雨下的淹沒狀態(tài),將模擬得到的初始進水網(wǎng)格稱為積水網(wǎng)格,將處于不同下墊面類型的積水網(wǎng)格水深減去相應(yīng)淹沒閾值后其水深仍大于0的網(wǎng)格稱為淹沒網(wǎng)格。圖5、圖6表示不同重現(xiàn)期下的積水及淹沒網(wǎng)格數(shù)變化。
圖5 不同重現(xiàn)期積水網(wǎng)格數(shù)
圖6 不同重現(xiàn)期淹沒網(wǎng)格數(shù)
由圖5、圖6可知,積水網(wǎng)格數(shù)與淹沒網(wǎng)格數(shù)變化趨勢大致相似,都是先增加到一個峰值再逐漸降低。研究區(qū)在降雨時段30~60 min時,其積水面積增幅最大,且研究區(qū)遭遇不同重現(xiàn)期降雨時,基本均在降雨歷時65 min左右其積水網(wǎng)格數(shù)達到峰值。在模擬時段后期,研究區(qū)的淹沒網(wǎng)格減少速率變緩,主要原因是研究區(qū)的土地基本已達到飽和狀態(tài),積水下滲速度變慢。圖6中,不同重現(xiàn)期淹沒網(wǎng)格數(shù)變化趨勢非常相似,在降雨時段40~60 min時淹沒網(wǎng)格數(shù)迅速增加,其中1 a重現(xiàn)期降雨在60 min時便達到淹沒網(wǎng)格的峰值,主要原因是1 a重現(xiàn)期降雨其積水網(wǎng)格大部分的淹沒深度相對于淹沒閾值較小,淹沒網(wǎng)格在60 min后便開始逐漸消失;相較而言,3 a、5 a、10 a及20 a重現(xiàn)期降雨在60~80 min時段的淹沒網(wǎng)格增長幅度依次增大,這也進一步印證了積水網(wǎng)格水深對于淹沒網(wǎng)格變化的影響。在不同重現(xiàn)期淹沒網(wǎng)格逐漸消失的過程中都出現(xiàn)了一個下降幅度相對較大的突變時段,且隨著降雨重現(xiàn)期的增長,突變時段逐漸延后,在集水區(qū)1的綠地用地中其積水深度與淹沒閾值接近;同時,集水區(qū)1經(jīng)歷低重現(xiàn)期降雨時,其水深更快降為淹沒閾值,因此低重現(xiàn)期的突變時段會比高重現(xiàn)期的突變時段提前到來。
4.3.2系統(tǒng)性能
在計算系統(tǒng)性能函數(shù)時,由于淹沒網(wǎng)格數(shù)相較于研究區(qū)總網(wǎng)格數(shù)占比極少,為更明顯地表示出各個不同重現(xiàn)期降雨的系統(tǒng)性能差異,令研究區(qū)遭遇20 a重現(xiàn)期降雨,80 min時的積水網(wǎng)格數(shù)92 996作為式(2)中的總網(wǎng)格數(shù),根據(jù)式(2)計算得到研究區(qū)系統(tǒng)性能,如圖7所示。
圖7 研究區(qū)系統(tǒng)性能
由圖7可知,不同重現(xiàn)期降雨下系統(tǒng)性能的變化趨勢基本相同,都是先降低至一個最低值,再逐步恢復(fù)。研究區(qū)遭遇1 a重現(xiàn)期降雨后的系統(tǒng)性能在60 min時達到最小值;而在3 a、5 a、10 a及20 a重現(xiàn)期降雨下,研究區(qū)系統(tǒng)性能在60~80 min降雨時段還存在小幅的下降。80 min后,不同重現(xiàn)期降雨下研究區(qū)系統(tǒng)性能開始逐漸恢復(fù)至正常狀態(tài),僅有20 a重現(xiàn)期降雨在模擬時段48 h內(nèi)未得到完全恢復(fù)。在降雨結(jié)束后直至系統(tǒng)性能完全恢復(fù)之前,不同重現(xiàn)期降雨的系統(tǒng)性能差值并不會隨著時間變化而發(fā)生較大變化。不同重現(xiàn)期降雨的系統(tǒng)性能值均大于0.8,主要體現(xiàn)在不同重現(xiàn)期降雨下研究區(qū)淹沒面積較小,且研究區(qū)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性能在10 a及以下的重現(xiàn)期降雨均可以在48 h內(nèi)達到完全恢復(fù)狀態(tài)。不同重現(xiàn)期的系統(tǒng)性能恢復(fù)時間與對應(yīng)重現(xiàn)期下的淹沒網(wǎng)格消失時間一致,隨著重現(xiàn)期的增長,系統(tǒng)性能恢復(fù)到正常水平所需時間更久。
4.3.3內(nèi)澇彈性
相較于最大淹沒水深及淹沒面積的分析,內(nèi)澇彈性分析可以幫助我們綜合評估研究區(qū)遭遇暴雨襲擊后的恢復(fù)能力,完善城市洪水災(zāi)害評估。根據(jù)式(3)分別計算各個重現(xiàn)期降雨下的研究區(qū)系統(tǒng)在模擬時段內(nèi)的彈性值,計算得到的彈性值隨時間變化情況如圖8所示。
圖8 不同重現(xiàn)期內(nèi)澇彈性
由圖8可知,研究區(qū)排水系統(tǒng)在48 h內(nèi)的彈性值也是呈現(xiàn)出先降低、后升高的趨勢,其中在降雨存在的2 h內(nèi),系統(tǒng)內(nèi)澇彈性值的下降幅度最大。內(nèi)澇彈性值隨時間的變化中存在一個最低彈性值,代表了遭受降雨襲擊造成的系統(tǒng)性能在單位時間的最大損失,最低彈性值越大越好,表明系統(tǒng)性能所受的損失越小。經(jīng)計算可知,各重現(xiàn)期降雨下內(nèi)澇彈性的最低值分別為0.962、0.933、0.924、0.907及0.893,因此,隨著降雨重現(xiàn)期的增長,研究區(qū)內(nèi)澇彈性最低值越小。當(dāng)研究區(qū)遭受降雨后的任一時刻,降雨重現(xiàn)期越小,彈性值越大,因此,研究區(qū)在遭遇暴雨襲擊后的系統(tǒng)性能恢復(fù)水平隨著重現(xiàn)期的降低而變得更高。觀察各重現(xiàn)期下,內(nèi)澇彈性隨時間變化的狀態(tài),在出現(xiàn)最低值后,不同重現(xiàn)期之間的內(nèi)澇彈性值差距隨時間變化不大,說明此后不同重現(xiàn)期之間的系統(tǒng)性能恢復(fù)能力的差距較小。
內(nèi)澇彈性的最終值反映了整個過程中研究區(qū)的系統(tǒng)性能損失,最終值越大,說明在整個模擬周期內(nèi)系統(tǒng)性能的單位時間內(nèi)損失越小,也就說明其恢復(fù)能力越好。不同重現(xiàn)期降雨下研究區(qū)排水系統(tǒng)在48 h時的彈性值如圖9所示,研究區(qū)排水系統(tǒng)在48 h時的彈性值隨重現(xiàn)期的增長而降低,就降雨重現(xiàn)期的變化而言, 20 a與10 a降雨重現(xiàn)期之間彈性值僅相差0.012,而3 a相比1 a降雨重現(xiàn)期之間彈性值變化0.016。因此,研究區(qū)對于1 a至3 a的小重現(xiàn)期降雨更為敏感,低重現(xiàn)期降雨導(dǎo)致的內(nèi)澇淹沒范圍及深度變化更大。因此,系統(tǒng)性能的恢復(fù)水平隨著重現(xiàn)期的減小而變得更高。
圖9 不同重現(xiàn)期彈性值(t=48 h)
a.相較于高重現(xiàn)期降雨,研究區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)在1 a、3 a設(shè)計降雨后,其溢流節(jié)點數(shù)及超載管渠數(shù)的增加幅度更大,其不同程度淹沒等級下的淹沒范圍的增長率以及彈性值差均為最大。從一維管網(wǎng)模擬結(jié)果、二維地表漫流結(jié)果及內(nèi)澇彈性分析都可以得出研究區(qū)排水系統(tǒng)性能在遭遇1~3 a低重現(xiàn)期降雨時變化更為敏感。
b.在模擬周期內(nèi),研究區(qū)不同重現(xiàn)期下的彈性值均在0.89以上,說明研究區(qū)遭遇各個重現(xiàn)期降雨后其災(zāi)后恢復(fù)能力良好,主要原因是不同重現(xiàn)期降雨下研究區(qū)淹沒面積較小,且研究區(qū)遭遇10 a及以下的重現(xiàn)期降雨均可以在48 h內(nèi)恢復(fù)至正常狀態(tài)。同時,隨著降雨重現(xiàn)期的降低,其內(nèi)澇彈性值就更大,系統(tǒng)性能恢復(fù)更快、更好。
c.由于本研究中的城市內(nèi)澇彈性指標(biāo)是在研究區(qū)淹沒網(wǎng)格數(shù)變化的基礎(chǔ)上進行分析,而淹沒閾值對于積水網(wǎng)格是否淹沒起決定性作用,因此淹沒閾值的合理設(shè)定需更緊密結(jié)合實際,只有這樣內(nèi)澇彈性分析才能更加科學(xué)合理。