鄭州“7·20”極端降雨的城市內(nèi)澇模擬及風險評估

張金萍, 張朝陽, 左其亭

(1.鄭州大學 水利與土木工程學院,河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學 黃河生態(tài)保護與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展研究院,河南 鄭州 450001)

近年來,隨著城市化的快速發(fā)展,極端降雨事件所引發(fā)的城市內(nèi)澇問題日益突出,嚴重制約了城市的有序發(fā)展。2016年7月,湖北武漢發(fā)生持續(xù)降雨,主要生活區(qū)一片汪洋,經(jīng)濟損失達22億元[1]。2018年7月15—17日,北京及周邊地區(qū)遭受大暴雨襲擊,昌平回龍觀地鐵站多路段積水,造成嚴重交通中斷[2]。2021年7月17—23日,鄭州市遭遇歷史罕見特大暴雨,發(fā)生嚴重內(nèi)澇災害,造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。

極端降雨事件所引起的城市內(nèi)澇問題越來越受到人們的關注。2020年,趙麗元等[3]以武漢市為例,采用二項Logistic模型,分析了不同降雨強度下的內(nèi)澇影響因素。2021年,徐宗學等[4]以福州市江北城區(qū)為例,模擬了極端降雨事件下的洪澇過程。同年,章衛(wèi)軍等[5]分析了鄭州“7·20”極端降雨洪水實際情形,以水深、流速等指標對內(nèi)澇風險進行了評估。上述成果為研究極端降雨事件所引起的城市內(nèi)澇問題提供了一定的技術參考和分析思路。本研究選取鄭州市金水區(qū)老城區(qū)為研究對象。首先,應用InfoWorks ICM軟件構建的城市雨洪模型模擬了鄭州“7·20”極端降雨淹沒過程。其次,對極端降雨情景下的管道超負荷狀態(tài)、節(jié)點溢流和地面積水情況進行分析。最后,應用改進的英國內(nèi)澇風險等級評估方法評估城市內(nèi)澇風險,并與基于積水深度和積水時間的內(nèi)澇風險評估方法進行對比。因此,本研究不僅可為極端降雨事件所引起的城市內(nèi)澇風險等級評估方法的制定提供參考,還能為城市遭遇極端暴雨時內(nèi)澇風險預判、防控和應急響應提供科學的技術支撐。

1 概況

1.1 研究區(qū)概況

鄭州地處華北平原南部、黃河下游,位于河南省中部偏北,屬溫帶季風氣候,四季分明,多年平均降水量為640.9 mm,6—9月降水量較集中,約占全年降水量的60%。金水區(qū)在鄭州市東北部,為河南省委所在地,是鄭州市核心區(qū)域,地勢西南高、東北低[6]。本文以金水區(qū)老城區(qū)為研究對象,總面積約為74.44 km2,如圖1所示。該區(qū)域建筑密集且金水區(qū)的大部分人口分布于此,是內(nèi)澇防控的重點區(qū)域。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2 資料概況

1)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù):來源于鄭州市排水工程規(guī)劃中的鄭州市雨水干管規(guī)劃圖。管道斷面形式有矩形和圓形。矩形管道最小尺寸為900 mm×700 mm、最大為3 000 mm×2 000 mm;圓形管徑最小為1 000 mm、最大為2 800 mm。

2)遙感影像數(shù)據(jù):遙感影像圖(2019年)來源于中科圖新,分辨率為0.49 m。房屋、道路、林地、草地、裸土和水體資料通過ArcGIS最大似然分類法由遙感影像圖分析獲得。

3)高程數(shù)據(jù):地形資料(2019年)來源于中科圖新,精度為12.5 m,經(jīng)房屋、道路網(wǎng)格精細處理后用于模型構建。研究區(qū)高程范圍為82～157 m(黃?；?。

4)降雨數(shù)據(jù):鄭州“7·20”極端降雨序列來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。設計降雨序列來源于由鄭州城鄉(xiāng)規(guī)劃局牽頭、華北水利水電大學修編的鄭州市暴雨強度公式[7],時間間隔取5 min,雨峰系數(shù)取0.5,降雨總歷時取120 min,公式如下:

(1)

式中:i為暴雨強度,mm/h;P為設計暴雨重現(xiàn)期,年;t為設計暴雨總歷時,min。

2 研究方法

2.1 InfoWorks ICM簡介

InfoWorks ICM是綜合流域排水模型軟件,主要包括降雨徑流模塊、管網(wǎng)水流模塊、二維地面洪水演進計算模塊等。

在地表產(chǎn)匯流過程模擬中,InfoWorks ICM提供了Horton、SCS等產(chǎn)流模型和SWMM、SCS Unit等匯流模型。在一維管網(wǎng)水動力模擬中,需要求解完全圣維南方程組,包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[8]。其表達式分別為:

(2)

(3)

式中:A為斷面面積,m2;Q為流量,m3/s;g為重力加速度,m2/s;θ為管道中心線與水平線的夾角,(°);K為輸水率;S0為渠底坡度。

在地表二維積水模擬中,采用淺水方程即平均深度形式的Navier-Stokes方程[8]對二維流態(tài)進行數(shù)學描述,假設水流主要在水平方向,忽略流速在垂直方向上的變化。淺水方程表達式如下:

(4)

S0,x-Sf,x+q1u1,

(5)

S0,y-Sf,y+q1v1。

(6)

式中:h為水深,m;u、v分別為x和y方向的速度,m/s;S0,x和S0,y分別為x和y方向的底坡;Sf,x和Sf,y分別為x和y方向的摩擦力;q1為單位面積上的出流量,m3/s;u1和v1分別為q1在x和y方向的速度,m/s。

2.2 內(nèi)澇風險等級評估方法

目前,國內(nèi)常用的內(nèi)澇風險等級評估方法往往基于積水深度和積水時間[9](以下簡稱“法Ⅰ”),而將地面水流流速作為風險評估指標的研究甚少,有研究表明水流流速對行人穩(wěn)定性有較大影響。JONKMAN S N等[10]對一名身高1.7 m、體重68 kg的實驗人員在水流中的穩(wěn)定性進行測試,結(jié)果表明,實驗人員在水深0.35 m、流速2.4～2.6 m/s時會因失穩(wěn)而摔倒;在水深0.26 m、流速3.0～3.1 m/s時也會摔倒。NIELS L等[11]通過對影響人體穩(wěn)定性模型的校準與分析,得到影響人體穩(wěn)定性的主要參數(shù)為流速、水深、身高和體重。由此可見,水流流速是評估城市內(nèi)澇風險所不能忽略的重要指標之一。

本研究在英國基于行人安全的內(nèi)澇風險等級評估方法[12]的基礎上,明確損害因子的取值,并改進洪水災害指數(shù)的取值范圍,使其更適用于極端降雨下內(nèi)澇風險的評估。根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術規(guī)范》(GB 51222—2017)中“車道的積水深度不超過15 cm”的要求和《住宅建筑規(guī)范》(GB 50368—2005)對外窗窗臺距地面凈高的要求,確定積水深度d的等級,并通過對鄭州“7·20”極端降雨的模擬,對比實際積澇點危險程度,明確各等級積水深度d對應損害因子DF的取值,即d=0時,DF=0;01.00 m時,DF=1.5。然后通過式(7)計算洪水災害指數(shù)HR,并基于行人安全確定不同取值范圍所對應的內(nèi)澇風險等級,最終得到改進后的內(nèi)澇風險等級劃分標準,見表1(以下簡稱“法Ⅱ”)。

表1 基于行人安全的內(nèi)澇風險等級劃分

HR=d(v+0.5)+DF。

(7)

式中:HR為洪水災害指數(shù);d為積水深度,m。

3 模型構建與管道排水能力評估

3.1 模型構建

研究區(qū)透水表面包括林地、草地和裸土,入滲模型選用Horton公式,相關參數(shù)根據(jù)InfoWorks ICM軟件幫助中心選取;不透水表面包括房屋、道路和水體,徑流量計算采用固定徑流系數(shù)法,固定徑流系數(shù)根據(jù)《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)選取。區(qū)內(nèi)有4條河流,概化為方形管道后,與排水管道、雨水井和出水口共同組成了城市排水系統(tǒng),共計排水管道331根、雨水井335個、出水口6個。根據(jù)街道和房屋分布等得到240個子匯水區(qū),子匯水區(qū)的徑流匯入距離最近且地勢較低的雨水井。

利用高程數(shù)據(jù)創(chuàng)建地面模型,并根據(jù)研究區(qū)邊界確定2D計算區(qū)間后對其進行網(wǎng)格劃分。設置道路計算網(wǎng)格的最小和最大面積分別為2 m2和10 m2,其他計算網(wǎng)格的最小和最大面積分別為25 m2和100 m2。將建筑和道路網(wǎng)格高程分別提高5 m和降低0.15 m,以體現(xiàn)其對洪水的阻擋和引導作用。最后將雨水井的類型改為“2D”,從而實現(xiàn)一維管網(wǎng)和二維地表的耦合計算。

3.2 參數(shù)率定與模型驗證

根據(jù)鄭州市實測暴雨資料,采用傳統(tǒng)的人工試錯法率定模型參數(shù),主要對比指標為綜合徑流系數(shù)和積水點位置。基于InfoWorks ICM的鄭州市金水區(qū)老城區(qū)內(nèi)澇模型的最終參數(shù)率定結(jié)果見表2。

表2 鄭州市金水區(qū)老城區(qū)內(nèi)澇模型參數(shù)取值

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)澇積水網(wǎng)絡爬蟲及調(diào)研情況,“7·20”極端降雨造成內(nèi)澇積水較為嚴重的區(qū)域主要為香山路澇點、中州大道國基路澇點、中州大道北三環(huán)立交橋澇點、文化路東風路澇點、紅專路文化路澇點、南陽路黃河路澇點、金水路澇點、金水路未來路澇點、城東路商城路澇點,以此作為實際水深。對比模型模擬水深與實際水深(表3),可知二者的數(shù)值較為一致,模型具有較好的可靠性。由表3也可看出,模擬水深普遍大于實際水深,主要原因是地形數(shù)據(jù)存在高程畸點,導致局部數(shù)字地形與實際地形有所差別。

表3 鄭州市金水區(qū)老城區(qū)主要積澇點水深統(tǒng)計

3.3 管道排水能力評估

在管道排水能力評估中,以超負荷狀態(tài)S來衡量管道的運行情況,超負荷狀態(tài)S是指管道內(nèi)的水深占管道高度的比例。超負荷狀態(tài)S分3種情況:0≤S<1,管道未滿管;S=1,管道滿管且當前時刻的水力坡度小于等于管道的坡度;S=2,管道滿管且當前時刻的水力坡度大于管道的坡度。分別對重現(xiàn)期為1、2、3、5年的設計降雨進行模擬,得到鄭州市金水區(qū)老城區(qū)管道的排水能力,如圖2所示。

圖2 鄭州市金水區(qū)老城區(qū)管道排水能力圖

由圖2可知:排水能力不足1年一遇和大于5年一遇的管道占比較大,分別為31.87%和33.86%;有58.54%的管道排水能力小于等于3年一遇,不滿足鄭州市城市規(guī)劃管理技術規(guī)定。

4 鄭州“7·20”極端降雨內(nèi)澇模擬結(jié)果分析

本文選取鄭州“7·20”極端降雨量較集中的時段(15:00—20:00)進行研究,實測降雨數(shù)據(jù)見圖3,最大小時降雨發(fā)生在17:00,降雨量為201.9 mm。為更加直觀地反映管道超負荷狀態(tài)、節(jié)點溢流和地面積水的變化情況,繪制了各整點時刻的城市內(nèi)澇淹沒圖(圖4),并統(tǒng)計了部分模擬結(jié)果(表4)。

圖3 鄭州“7·20”極端降雨15:00—20:00實測降雨數(shù)據(jù)

圖4 鄭州“7·20”極端降雨15:00—20:00城市內(nèi)澇淹沒圖

表4 鄭州“7·20”極端降雨15:00—20:00城市內(nèi)澇模擬結(jié)果統(tǒng)計

整體來看,隨著鄭州“7·20”極端降雨的持續(xù)進行,研究區(qū)中部和南部首先產(chǎn)生面積較大的積水,這是由于研究區(qū)中部和南部排水能力較低的管道首先被雨水充滿所致。由表4可知,研究區(qū)滿管管道占比呈現(xiàn)出先增后減的趨勢;自17:00開始,滿管管道占比迅速增加;18:00時滿管管道占比最大,為98.69%,且此時S=1與S=2的管道長度之差也最大,為25.17 km,這說明17:00降雨量的迅速增加導致更多管道的自身過流能力不足;18:00之后,隨著降雨量的減小,排水能力較大的管道內(nèi)雨水優(yōu)先消退但消退速度較緩;20:00時滿管管道占比仍較大,為76.88%。

分時段來看,鄭州“7·20”極端降雨15:00的降雨強度為12.3 mm/h,已達到大雨級別,但此時滿管管道占比和溢流節(jié)點占比僅為2.53%和0.71%。16:00的降雨強度急劇增加到60.6 mm/h,遠超特大暴雨級別,但此時滿管管道占比和溢流節(jié)點占比也不高,更多的降雨產(chǎn)流在地面迅速填洼和匯集,造成地面最大積水深度為1.30 m,積水范圍占29.14%,而此時受地形和雨量影響,地面最大水流流速已達1.96 m/s,嚴重威脅行人的人身安全。鄭州“7·20”極端降雨17:00的降雨強度達到峰值,為201.9 mm/h,滿管管道長度和溢流節(jié)點數(shù)量較16:00分別增加了66.68 km和55個,地面最大積水深度為2.15 m,地面最大水流流速為3.22 m/s,積水范圍占50.28%。雖然其降雨強度最大,但是各項模擬結(jié)果并不是最大,這是由于此時降雨強度過大,大量的雨水未能有效進入排水管道,更多地則是通過地表路網(wǎng)系統(tǒng)進一步向下游匯流,所以此時地下排水管網(wǎng)還可以容納更多的雨水,排水功能未能充分發(fā)揮。鄭州“7·20”極端降雨18:00的降雨強度銳減,這為前期大量降雨進入排水管道爭取了時間,更多的管道被雨水充滿,滿管管道占比和溢流節(jié)點占比達到最大,分別為98.69%和68.09%,地面最大積水深度為3.73 m,積水范圍占87.68%。鄭州“7·20”極端降雨19:00時,隨著降雨強度的進一步減小,滿管管道長度和溢流節(jié)點數(shù)量較18:00分別減少了10.2 km和73個,但此時地面最大積水深度、水流流速和積水范圍均較大,所以受災風險仍極為嚴重。鄭州“7·20”極端降雨20:00時,降雨強度又有所減小,但較19:00減幅不大。雨量的減少使得滿管管道占比和溢流節(jié)點占比進一步下降,并且降雨過程的放緩使得雨水流入管道時間更加充分,地面最大積水深度、水流流速和積水范圍也有明顯的減弱趨勢,但是由于前期雨量太大且太過集中,因此受災風險仍較為嚴重。

5 內(nèi)澇風險等級評估

基于模擬結(jié)果中最大地面積水深度及對應的水流流速,采用法Ⅰ和法Ⅱ分別對鄭州市金水區(qū)老城區(qū)內(nèi)澇風險進行評估,并繪制相應的內(nèi)澇風險等級圖(圖5)。結(jié)果顯示:由法Ⅰ計算得到的無風險區(qū)占研究區(qū)的20.11%,低風險區(qū)占21.45%,中風險區(qū)占26.66%,高風險區(qū)占31.78%;由法Ⅱ計算得到的低風險區(qū)占10.95%,中風險區(qū)占18.62%,高風險區(qū)占31.23%,超高風險區(qū)占39.20%。

為進一步探究法Ⅰ和法Ⅱ的不同,選取5個主要地區(qū),統(tǒng)計其積水情況(表5)。在鄭州“7·20”極端降雨情況下,法Ⅰ的無、低、中風險地區(qū)占比較大,法Ⅱ的高、超高風險占比較大,法Ⅱ?qū)Τ鞘袃?nèi)澇風險等級評估的標準更高,其模擬結(jié)果與調(diào)研結(jié)果比較接近。因此,法Ⅱ可考慮城市內(nèi)澇中流速對行人安全的影響,能對城市內(nèi)澇風險等級進行有效評估,從而發(fā)揮預報、預警的作用,在極端降雨中具有較好的適用性。

表5 鄭州市金水區(qū)老城區(qū)主要積水點內(nèi)澇風險

6 結(jié)論

1)構建了鄭州市金水區(qū)老城區(qū)的InfoWorks ICM內(nèi)澇模型,采用4種不同重現(xiàn)期的設計降雨對管道排水能力進行評估。結(jié)果表明,鄭州市金水區(qū)老城區(qū)有33.86%的管道排水能力能夠達到5年一遇,有58.54%的管道不能滿足鄭州市城市規(guī)劃管理技術規(guī)定。

2)在鄭州“7·20”極端降雨情景下,地面最大積水深度出現(xiàn)時間比降雨峰現(xiàn)時間滯后1 h左右,排水能力較小的管道首先被充滿,排水能力較大的管道優(yōu)先退水,且來水快、退水緩;與河流相連的管道大多為自身排水能力不足,入河管道是治理的關鍵。

3)基于英國內(nèi)澇風險等級評估方法,結(jié)合相關規(guī)范對公式參數(shù)閾值進行修正,以鄭州“7·20”極端降雨事件為例,分別采用法Ⅰ和法Ⅱ?qū)ρ芯繀^(qū)內(nèi)澇風險等級進行評估。結(jié)果表明,法Ⅱ的評估結(jié)果更接近于實際,法Ⅱ更適合極端降雨事件下城市內(nèi)澇風險等級的評估,并且法Ⅱ考慮了流速對行人安全的影響,是一種科學有效的內(nèi)澇風險等級評估方法。