城市道路洪澇安全評(píng)估分析

摘 要：洪澇風(fēng)險(xiǎn)是城市公共風(fēng)險(xiǎn)管理的重要依據(jù)之一，以廣州市南沙區(qū)桂閣大道為例，在排水系統(tǒng)、海綿城市LID措施、降雨、徑流和地形等條件下，構(gòu)建城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)模型，在不同降雨頻率條件下，模擬城市遭遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)，以模擬結(jié)果和等級(jí)閾值劃分結(jié)果進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該文在傳統(tǒng)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析城市道路洪澇安全的因素，綜合考慮城市道路洪澇風(fēng)險(xiǎn)的暴露性、危險(xiǎn)性、補(bǔ)救措施等因素，進(jìn)行城市道路洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析研究，評(píng)估結(jié)果可為城市相關(guān)部門的防洪排澇決策提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市道路；跨河路橋；防洪排澇；風(fēng)險(xiǎn)模型；情景模擬；洪澇彈性

中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0159-04

Abstract： Flood risk is one of the important bases for urban public risk management. Taking Guige Avenue， Nansha District， Guangzhou City as an example， under the conditions of drainage system， sponge city LID measures， rainfall， runoff and topography， an urban flood risk model is constructed. Under the conditions of different rainfall frequencies， the flood risk of the city when encountering design rainstorm is simulated， and the flood risk assessment is conducted based on the simulation results and the classification results of grade thresholds. On the basis of traditional urban flood risk， this study further analyzes the factors of urban road flood safety， comprehensively considers the exposure， danger， and remedial measures of urban road flood risk， and conducts urban road flood risk analysis and research. The evaluation results can provide reference basis for flood control and drainage decisions of relevant departments in the city.

Keywords： urban road; river crossing road and bridge; flood control and drainage; risk model; scenario simulation; flood resilience

近年來(lái)，極端天氣頻發(fā)，城市道路洪澇災(zāi)害對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，給人民生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的阻礙。根據(jù)《Nature Climate Change》，到2050年，廣州是全球136個(gè)沿海城市中洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最高的城市。造成珠三角地區(qū)內(nèi)澇的原因除了極端天氣，還有急劇的城市化擴(kuò)張，導(dǎo)致地面的下墊面地類改變。南沙區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)的幾何中心、廣州市的副中心，通勤范圍涉及相鄰的黃埔區(qū)、天河區(qū)、番禺區(qū)等以及深圳市、東莞市、中山市和佛山市等區(qū)域，通暢的市政交通對(duì)于生產(chǎn)生活十分重要。

由于南沙區(qū)地勢(shì)低平、河涌橫縱交錯(cuò)，城市化建設(shè)速度快，原有的農(nóng)林地、小微水體等被建筑、道路所替代，導(dǎo)致下墊面地類發(fā)生了較大的變化，進(jìn)而使得區(qū)域內(nèi)的徑流系數(shù)增大、產(chǎn)匯流時(shí)間、調(diào)蓄能力減小，使得區(qū)域更易發(fā)生洪澇災(zāi)害。通過(guò)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，緩解現(xiàn)狀內(nèi)澇情況、預(yù)防城市內(nèi)澇問(wèn)題是城市建設(shè)中的重要內(nèi)容。一般以淹沒(méi)水深、淹水時(shí)長(zhǎng)、淹沒(méi)范圍等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以為常用一維方法結(jié)合歷史資料模擬推算洪水，其結(jié)果的時(shí)效準(zhǔn)確度不足，導(dǎo)致在對(duì)城市洪澇災(zāi)害情況的評(píng)估不夠準(zhǔn)確。本文以廣州市南沙區(qū)為例，基于一維管網(wǎng)+二維地形耦合的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，綜合利用InfoWorks ICM、ArcGIS和AutoCAD等軟件模擬分析，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 項(xiàng)目概況

南沙區(qū)總面積786.06 km2，位于廣州市最南端，是西江、北江、東江三江匯集之處，北臨沙灣水道，南瀕珠江出?？诹尕暄?。桂閣大道從南沙區(qū)北部橫穿而過(guò)，總長(zhǎng)15.6 km，跨蕉門水道、西樵水道、騮崗水道等外江水系，穿大崗瀝、細(xì)瀝涌、西涌和烏洲涌等內(nèi)河涌。涉河工程設(shè)計(jì)參數(shù)表見(jiàn)表1。

基本資料包括工程設(shè)計(jì)資料、主要水系的基本水文數(shù)據(jù)、河道地形測(cè)量圖、政排水管網(wǎng)圖、陸域航測(cè)資料、土地利用規(guī)劃以及當(dāng)?shù)厮臏y(cè)站的雨量、水位等數(shù)據(jù)。研究區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)地測(cè)量或者政府部門提供。

2 研究方法及模型構(gòu)建

2.1 研究方法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外洪澇風(fēng)險(xiǎn)研究不斷深入，城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)的理論成果也趨于穩(wěn)定，其中華霖富公司開發(fā)的InfoWorks ICM軟件，是一款基于Wallingford基礎(chǔ)模型的集規(guī)劃和管理防洪、雨水和下水道系統(tǒng)的城市洪澇模擬軟件，可以快速準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)雜的水力和水文網(wǎng)絡(luò)圖元進(jìn)行建模，系統(tǒng)的建模數(shù)據(jù)可無(wú)損識(shí)別ArcGIS、Auto CAD源數(shù)據(jù)，InfoWorks ICM軟件能夠?yàn)榫唧w項(xiàng)目設(shè)計(jì)創(chuàng)建可靠的數(shù)字孿生模型，在市場(chǎng)上具有較高的認(rèn)可度和接受度。

本次模擬采用InfoWorks ICM作為排水模型洪澇風(fēng)險(xiǎn)模擬軟件，洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析主要通過(guò)構(gòu)建城市洪澇模型進(jìn)行計(jì)算，城市洪澇模型由產(chǎn)匯流模型、雨水管網(wǎng)、二維地表模型、一維河道水動(dòng)力模型耦合而成。二維地表模型、地下管網(wǎng)排水模型和河道水位數(shù)據(jù)通過(guò)以下過(guò)程進(jìn)行耦合：①二維地表-排水管網(wǎng)通過(guò)雨水口/地表單元進(jìn)行耦合，以反映管網(wǎng)排水作用及漫溢淹沒(méi)過(guò)程。②河道-排水管網(wǎng)通過(guò)河道概化成明渠與管網(wǎng)排水口進(jìn)行耦合，以反映河道水位對(duì)管網(wǎng)的頂托或倒灌作用。③河道-排水管網(wǎng)-二維地表通過(guò)河道概化成明渠、雨水管網(wǎng)排口、雨水口及地表單元進(jìn)行耦合，模擬設(shè)計(jì)工況下區(qū)域淹沒(méi)情景。

由項(xiàng)目實(shí)際情況及規(guī)劃條件而建立的洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，充分考慮區(qū)域?qū)嶋H條件，可以更詳細(xì)、更快、更準(zhǔn)確地模擬城市洪水來(lái)襲的情況，根據(jù)洪澇淹沒(méi)的范圍、時(shí)長(zhǎng)、深度等數(shù)據(jù)，其結(jié)果可為區(qū)域現(xiàn)狀排水系統(tǒng)評(píng)估提供參考，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)城市易澇點(diǎn)、提高城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理的效率。

2.2 研究數(shù)據(jù)

本次分析的數(shù)據(jù)有區(qū)域地形數(shù)據(jù)、河道內(nèi)的水文邊界條件、市政路網(wǎng)數(shù)據(jù)及配套的服務(wù)設(shè)施的資料等。地形數(shù)據(jù)包括路線河道水下地形數(shù)據(jù)、陸域的航測(cè)數(shù)據(jù)等，通過(guò)ArcGIS軟件處理，將地形測(cè)量數(shù)據(jù)與河道堤防、攔河壩等工程結(jié)合起來(lái)，生成dem數(shù)據(jù)。洪（潮）澇邊界條件數(shù)據(jù)來(lái)自政府門戶網(wǎng)站發(fā)布的南沙區(qū)外江堤防防洪標(biāo)高論證專題研究資料，以及南沙區(qū)現(xiàn)狀水文測(cè)站的實(shí)測(cè)降雨、水位等資料。工程設(shè)計(jì)資料由設(shè)計(jì)單位提供，市政路網(wǎng)及配套設(shè)施的資料由評(píng)估單位向政府部門申請(qǐng)?zhí)峁?/p>

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1 排水管網(wǎng)模型構(gòu)建

將矢量數(shù)據(jù)表達(dá)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的要素，并對(duì)其進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查，對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性、有效性檢驗(yàn)。并結(jié)合管網(wǎng)將研究區(qū)域劃分為多個(gè)匯水分區(qū)?；谝痪S圣維南方程對(duì)地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行求解，從而得到地表一維的溢流數(shù)據(jù)。

2.3.2 二維地表模型構(gòu)建

借助ArcGIS Desktop的數(shù)據(jù)處理及空間分析兩大功能，結(jié)合區(qū)域高程數(shù)據(jù)和土地利用方案，將研究區(qū)域劃分為若干個(gè)帶有高程、土地利用屬性的網(wǎng)格。二維地表模型在一維地表的基礎(chǔ)上擴(kuò)展地上水流模擬功能，將地表空間簡(jiǎn)化為一系列洼陷區(qū)和匯水通路，通過(guò)一維元件簡(jiǎn)化模擬二維的地表流動(dòng)。

2.3.3 河道概化成明渠

將矢量數(shù)據(jù)表達(dá)的河道概化為帶有名稱、底部高程、井深和所在位置等屬性的明渠，在概化明渠上邊界輸入河道對(duì)應(yīng)排澇標(biāo)準(zhǔn)斷面位置處的洪峰流量作為初始流量，在概化明渠下邊界輸入河道對(duì)應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)斷面位置處的設(shè)計(jì)洪水位作為明渠排出口常水位。

2.3.4 模型耦合

模型耦合是將排水管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)筑物的特征信息如管點(diǎn)、管段、泵站和出水口等排水設(shè)施，與地表產(chǎn)匯流計(jì)算相關(guān)的基本地理特征信息如地形、土地利用、土壤類型、降雨數(shù)據(jù)以及河道水位數(shù)據(jù)等耦合，實(shí)時(shí)反映排水或者倒灌等管網(wǎng)與河道在排水口處發(fā)生水量交換，匯入或者滿管反灌等地表和管網(wǎng)檢查井之間的水量交換。建成區(qū)的模型耦合應(yīng)在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行完全耦合。

2.3.5 設(shè)計(jì)暴雨模擬計(jì)算

南沙新區(qū)內(nèi)澇防治重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)為20～100年，采用市政計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)廣州暴雨強(qiáng)度公式生成短歷時(shí)180 min 20年、50年、100年一遇重現(xiàn)期降雨過(guò)程，降雨雨型選用芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)R=0.48。根據(jù)內(nèi)河涌常水位，外江5年一遇24 h動(dòng)態(tài)水位作為內(nèi)澇評(píng)估計(jì)算模型的水文邊界條件。

廣州市暴雨強(qiáng)度公式采用

q=，

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L·（s·hm2）-1），P為重現(xiàn)期（年），取值范圍為2～100年；t為降雨歷時(shí)（min）。

2.3.6 模型率定與驗(yàn)證

利用南沙區(qū)實(shí)測(cè)降雨、水位資料及歷時(shí)洪澇記錄資料對(duì)建立的洪澇模型進(jìn)行針對(duì)性的率定和驗(yàn)證，模型調(diào)參直至模擬結(jié)果和歷史記錄較為接近，可認(rèn)為該耦合模型的模擬精度和可靠性較好。20年、50年、100年一遇短歷時(shí)降雨重現(xiàn)期降雨過(guò)程如圖1—圖3所示。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 模擬分析

在本次模擬分析中，充分考慮河道堤防、公路、擋墻等建筑的阻水功能、市政干道的阻水兼導(dǎo)水功能，以及河涌與泵站、水閘在感潮水文條件下調(diào)度蓄水、排水功能。

在不同頻率設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下，將桂閣大道洪澇模擬分析的積水深度按照小于0.15 m、0.15～0.30 m、0.3～0.5 m、大于0.5 m，劃分為基本不積水、輕微積水、中度積水和嚴(yán)重積水，再按照積水深度繪制淹沒(méi)范圍，桂閣大道省道S111隧道100年一遇降雨條件的模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

3.2 小結(jié)

本次以InfoWorks ICM軟件采用情景模擬分析法，研究了南沙區(qū)桂閣大道及周圍區(qū)域在不同頻率設(shè)計(jì)暴雨條件下內(nèi)澇的時(shí)空變化情況，主要結(jié)論如下。

1）在20～100年一遇暴雨條件下，道路基本不積水。隧道的積水深度、積水范圍均隨著降雨頻率的減小而增大。原桂閣大道省道S111隧道、桂閣大道下穿南沙港快速路隧道、南沙大道桂閣大道隧道、桂閣大道市南大道隧道、連溪大道桂閣大道隧道的排水系統(tǒng)在100年一遇暴雨條件下，最大積水深度及積水時(shí)長(zhǎng)情況分別為Hmax=0.15 m，T積水=2.0 h；Hmax=0.27 m，T積水=0.75 h；Hmax=0.27 m，T積水=2.83 h；Hmax=0.27 m，T積水=1.5 h；Hmax=0.15 m，T積水=2.8 h。

2）原桂閣大道的各個(gè)隧道的排水方式為直排入河，經(jīng)模擬分析，桂閣大道隧道排水系統(tǒng)在遭遇五年一遇的外江防洪（潮）設(shè)計(jì)水位時(shí)，外江水位隧道雨水排放影響較?。还痖w大道隧道排水系統(tǒng)在遭遇20年一遇以上的外江洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，隧道排水系統(tǒng)在漲潮時(shí)段會(huì)受外江水位頂托影響。

3）為保證桂閣大道各隧道積水深度小于0.15 m，積水時(shí)間不超過(guò)1 h，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化：①針對(duì)隧道產(chǎn)匯流時(shí)間短、隧道底部易聚水的特征，在隧道進(jìn)出口增加截水溝，將路面雨水截流至排水管，避免外部路面雨水流入隧道，同時(shí)擴(kuò)大隧道泵站的泵排流量。②桂閣大道各隧道排水系統(tǒng)采用雙出路排水設(shè)計(jì)，一條排水路徑為直排河涌，并在出水口設(shè)置防倒灌拍門，同時(shí)設(shè)計(jì)一條備用排水路徑，接入市政排水管網(wǎng)，避免潮水頂托導(dǎo)致隧道排水不暢而發(fā)展為內(nèi)澇。③加裝內(nèi)澇預(yù)警設(shè)施，針對(duì)雨季中隧道排水系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)行24 h監(jiān)控和實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。

4 討論

南沙區(qū)在國(guó)內(nèi)大中行城市中，近些年來(lái)南沙區(qū)沒(méi)有發(fā)生造成重大損失的洪澇災(zāi)害，得益于南沙區(qū)在水行政規(guī)章制度、城市防汛管理辦法、洪澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和公共應(yīng)急搶險(xiǎn)能力等方面的綜合管理。城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)模擬分析采用情景模擬方法，一方面可基于區(qū)域現(xiàn)狀狀況遭遇極端天氣條件下分析和發(fā)現(xiàn)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)的易澇點(diǎn)和洪澇災(zāi)害程度，有利于城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理，方便相關(guān)管理部門有組織、有計(jì)劃地制訂并實(shí)施相應(yīng)的管理和應(yīng)急措施；另一方面對(duì)于規(guī)劃項(xiàng)目，可就洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果開展規(guī)劃項(xiàng)目的洪澇彈性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估排水系統(tǒng)對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的抵抗能力、整體規(guī)劃方案對(duì)環(huán)境的恢復(fù)能力。

另外，過(guò)去標(biāo)準(zhǔn)化的洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理是從防災(zāi)、減災(zāi)、備災(zāi)、響應(yīng)和災(zāi)后重建等來(lái)考慮，而現(xiàn)在，在洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與可持續(xù)發(fā)展之間探索出降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)彈性的發(fā)展模式，即海綿城市。城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)模型作為海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)的一種技術(shù)手段，可為海綿城市設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

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