冰島雷克雅未克市中心雨污合流排水系統洪災評估

[冰島]　A.O.赫羅德沃斯多蒂爾

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冰島雷克雅未克市中心雨污合流排水系統洪災評估

[冰島]A.O.赫羅德沃斯多蒂爾

摘要：短期強降水可造成大量財產損失，并對廢水管理帶來風險。為了評估冰島雷克雅未克市中心雨污合流排水系統當前及未來可能遭遇的洪水風險，采用MIKE URBAN軟件包對該區域的徑流和污水進行模擬。研究結果表明，有必要改善研究區域污水管道的薄弱環節，包括管徑逐步減小、管道坡度平緩或不連續等。

關鍵詞：合流制污水管道；溢流；降雨；暴雨；城市排水系統；洪災評估；冰島

1研究背景

由于暖氣流帶來更多水量，氣溫升高將導致降水強度變大。近年來，惡劣天氣已造成了多起嚴重的城市內澇事件，如歐洲中部1997年、2002年和2005年及英國2007年發生的洪水災害。內澇對城市地區的社會經濟產生較大影響，特別是可能對市中心的大量居民和重要服務設施帶來不利影響。通過徑流模擬進行洪水風險評估，可為編制應急計劃和優先制定防洪措施奠定基礎。研究表明，現有污水管網輸送能力變化較大。例如，2006年研究發現，大部分排水系統能夠應對降雨強度超過設計值40%～60%的情況。2012年有學者預計，在近期(2010～2040年)和遠期(2071～2100年)氣候變化情景下，檢修孔溢流的情況將增加60%～150%。2005年專家估計，當降雨增加20%時，溢流可能成倍增加。因此，研究局部洪水非常重要。

2013年有學者提出，由于氣候、人口和土地利用變化，城市排水系統應具備系統性和動態適應性，以應對更大的地表徑流。提出的對策必須具有靈活性、可靠性和可逆性。2007年專家提出，應該對現有的基礎設施進行有效綜合管理，以體現排水系統的貨幣價值。利用池塘、綠色屋頂和透水人行道存儲雨水的可持續性城市排水系統(SUDS)，被視為成本低且影響小的解決方案。2012年有學者提出了一種基于決策支持工具的新地理信息系統(GIS)，選擇SUDS更新方案，城市典型年合流制污水溢流量可能減少60%～80%。

冰島首都雷克雅未克是歐洲最北部的首府城市，年降雨量大約800 mm。2010年專家預測，21世紀冰島總降水量將每10 a增加1%。2010年有學者認為，過去60a來，雷克雅未克年最大10～60 min降水量沒有發生明顯變化。然而，這并不表示未來降水也不會發生變化，尤其是未來降水還將受到大氣環流模式改變的影響。2007年有學者認為，冰島降水的年際和年代際變化可能會阻礙對降水長期變化趨勢的判斷。

本文以雷克雅未克市政自來水公共設施服務商——雷克雅未克市能源公司(Orkuveita Reykjavikur)的名義，研究洪水災害評估，以及城市排水系統對降水型式改變和城市開發的敏感性。選擇雷克雅未克市中心為研究區域，是因為其具有重要的服務功能，且城市持續開發規劃有可能給老化的污水管網增加污水量負荷。本文對兩種不同類型的降水資料進行了洪水風險模擬和比較：①代表現狀的11 a長系列歷史降雨資料；②根據幾十年內年最大降雨而合成的設計暴雨，該設計暴雨可解決降雨資料缺乏地區的管網設計問題。此外，識別可能引起洪災(模擬和觀測)的系統結構組件，有助于查明其他老化管網存在的薄弱環節。

2方法

2.1　徑流和水力模擬

丹麥水力學研究所基于GIS城市降雨徑流模型，開發出城市管網模型MIKE URBAN，用該模型設計了雷克雅未克市污水收集系統，并對研究區域面積為1.8 m×1.2 km的污水流量進行模擬。特約寧湖(Tjornin Pond)北部區域地勢平坦，海拔一般在4 m左右。該區域主要分布有重要的政府部門、服務和文化機構。污水在重力的作用下，從山頂的教堂(海拔約22~37 m)流向低處的池塘或海洋。泵站將污水沿著海岸線向東輸送到污水一級處理設施。

雷克雅未克能源公司的GIS數據庫提供管網資料，并輸入到管網模型中。模型包括946根管道(長46 km)和862個檢修孔；容量達8 200 m3。多數管道建于1950年之前。特約寧湖北部的管道已被更換過。系統新增了沿重要高速公路南北兩側走向的雨水專用管道，其他管道則均為雨污合流。大部分新增管道管徑小于原最小直徑250 mm，尤其是在接近山頂2座教堂的住宅區域。2座小山交界區域的主要污水下水道管徑在1 200～1 600 mm范圍內變化。過去20 a內，多數管道增設了內襯，以減少泄漏并提高系統性能。管道加內襯后，管徑值并未修正，假設所有檢修孔直徑為標準l m。只模擬了公共合流制管道或專用雨水管道的流量。模型中未包括強降雨期間的生活廢水，因為其量級在強降雨下可忽略不計。同時，也未考慮與房屋連接的管道和防止污水回流到地下室的止回閥，它們不屬于雷克雅未克市污水公共管網。

城市集水區可劃分成845個子單元，依據單元形狀，被分為矩形、發散或收斂形。每個單元都有特定的面積時間曲線，反映該單元上徑流隨時間的變化。初始直徑損失默認為0.6 mm。用GIS分層計算每個分段的綜合徑流系數(C)：房屋(C=0.9)，公路(C=0.9)，人行道和停車場(C=0.8)以及可滲透的綠色區域(C=0.2)。假設每個單元的徑流朝著大小適中的鐵格柵自由流動，即雨水進口不受任何限制。

2.2　模擬方案

2.2.1實測降雨系列

歷時11 a(1998～2008年)、間隔為10 min的降雨自動監測值作為模型的輸入，以下簡稱為實測降雨序列(ARS)。由冰島氣象局(IMO)負責監測。10 min最大雨強為3.7 mm(22 mm/h)，出現在2003年6月18日歷時1 h的暴雨期間(圖1(a))。相似的10 min雨強也出現在2008年10月6日歷時10 h的暴雨期間(圖中未顯示)。

在缺乏流量資料情況下，通過將Ingolfsgata泵站(資料未公開)處模擬與實測的溢流時間進行對比，對模型進行驗證。2002年和2003年溢流時間模擬值同實測值的誤差小于5%，這表明模擬值可信，且能代表實際流量。

2.2.2合成暴雨設計

在缺乏長系列短期降雨實測值的情況下， 使用M5方法計算了雨強-歷時-頻率曲線(IDF)， 并基于此合成了人工暴雨，用于設計冰島污水收集系統。將國際氣象組織雷克雅未克站水位模擬值(1951～2000年)對應的年最大降雨量，與隨后采用水位自動觀測的近年最大雨量相結合，估計10 a內5 a一遇10 min降雨峰值分別為3.3 mm和3.8 mm，相當于20 mm/h和23 mm/h，結果分別見圖1(b)。依據當地設計指南，芝加哥設計暴雨(CDS)是根據IDF推算得出。CDS基礎資料考慮了1個140 min的暴雨，它包含了5 a一遇的10min最大雨強。圖1(a)表明，CDS的10 min最大雨量模擬峰值略低于ARS模擬值，但雨強值略高，且出現在雨量峰值之前。模擬中，還考慮了時間步長更大(20～30 min)，持續時間更長(280～420 min)，或者重現期更長的情況。

圖1　降雨資料

2.2.3降雨變化和城市開發

2010年，有學者對雷克雅未克短期年最大降雨趨勢的初步評估未得出結論。因此，CDS-R預測方案將降雨強度增加20%，這同2005年模擬預測使用的降雨方案一致。同未來遠期氣候變化研究成果相比，該方案相對保守。2012年有科學專家預測，到2100年極端降雨強度將增加20%～60%；CDS-D預測方案考慮到，模擬區域若進行城市開發，徑流系數將平均增加20%；CDS-RD預測方案綜合考慮了以上因素，即雨量增加20%，徑流系數增加20%。

2.2.4指標和溢流成因

對120 hm2的模擬區域進行了洪災評估，包括487根管道和444個檢修孔(見圖2)。洪水風險評估包括4個指標：溢流檢修孔數量(M)；管道滿流管道數量(P)，代表管網系統極限容量；地下水位1 m的檢修孔數量(M1 m)，代表雨污合流段半地下室浸水的可能性；檢修孔溢出的水量(V)，代表地表溢出的水量。ARS預測方案計算了11 a內M和M1 m的總數。圖中顯示了溢流位置，通過溢流管網段管道縱截面詳圖，判斷溢流成因。將檢修孔溢流位置與1997～2008年間由降雨和融雪造成的涉水財產損失位置進行比較。

圖2　城市排水模型預測方案中溢流檢修孔位置

3結果和討論

3.1　當前洪水危害

ARS預測了1998～2011年間12個檢修孔發生的270 m3地表溢流，溢流檢修孔占總數的3%。圖2(a)顯示，溢出量(黑圈)主要出現在4個位置(標注1～4)。水位可能達到地下l m的檢修孔數量為100，遠超全溢流的檢修孔數量，其可能導致半地下室浸水。這些檢修孔大多位于特約寧湖北部(白圈)的商業區域以及東正教會下坡的街道。白圈直徑表明，水位可能持續2周，占11 a模擬期間的0.4%。

由降雨或融雪導致的財產損失報道(圖2(a)方塊)顯示，溢流發生在位置1和位置2，這同ARS模擬預測結果一致，可據此找出管網系統存在的問題。對于報道的其他3個出現財產損失的地方，ARS未能模擬出。由于只對公共管網進行模擬，無法預測由私人管網問題或連接不當造成的溢流。2005年的研究表明，私人管網溢流事件遠超公共污水管網。

3.2　合成暴雨洪水危害

基于CDS模擬預測的溢流檢修孔數量是11 a ARS模擬的2倍多，洪水量也近2倍。這并非是因為ARS模擬中缺乏強降雨，相反地，相對于CDS，ARS中出現了2次最大降雨。CDS模擬預測假設在某一重現期，不同歷時的最大降雨發生在相同設計降雨事件期間，是一種比較保守預測方法，高估了洪水災害。

圖2(b)顯示，CDS模擬預測的溢流檢修孔位置與ARS預測的吻合較好。此外，大約有30%的檢修孔可能出現過高水位(地下1 m)，而ARS模擬預測中只有23%。預測結果表明，基于CDS暴雨的方法，能反映系統薄弱環節的所在位置。

3.3　降雨變化與城市開發

降雨強度增加20%(或徑流系數)時，溢流檢修孔數量幾乎增加一倍，從6%(CDS)上升到10%(CDS-R、CDS-D)，地表洪量增加了80%～90%。圖2(c)顯示，沿管網薄弱環節段(標簽5)，這也是模擬中檢修孔出現洪量增加的位置。高水位下，地下水位1 m的檢修孔數量和全溢流管道數量增加了20%～30%。這說明城市發展導致徑流系數增加20%，在此基礎上，降雨量再增加20%(CDS-RD)，地表基本洪量大約是預估量(1 600 m3)的3倍(圖2(d))。

3.4　極端降雨歷時和頻率

在CDS模擬中，若將時間步長從10 min增加到30 min，溢流檢修孔數量和洪水總量迅速下降，與不同歷時的降雨峰值相對應(圖1(b))。排水系統對短期強降雨最敏感，尤其是小單元上的短期強降雨。雷克雅未克市中心現有排水管網容量小于當前指定要求，即重要商業和工業社區管網10 min最大雨量應按20 a一遇的暴雨重現期進行設計。20 a一遇的10 min降雨下，49個檢修孔溢流，185根管道滿流，這與降雨量增大20%的5 a一遇預測方案一致(CDS-R)。對5 a一遇洪水進行了預測，作為居民區管網設計的驗收標準。

3.5　系統問題診斷

雨污合流制排水系統的溢流在特約寧湖東部，而模擬結果卻在位置1(見圖2)。溢流發生在管徑從610 mm減少到500 mm的管段，管道坡度僅有0.2%，小于當前最小為0.5%的設計要求。管道坡度小加上管徑減少，消減了該段水力負荷，增加了沉積危害、使管道堵塞以及溢流發生。模擬溢流位置5出現在管徑229 mm的管段，該管徑小于250 mm最小設計要求。位于5%陡坡的管道，與管徑相同、但坡度僅為1%的管道相連，使污水輸送能力較差。連接點處從超臨界到亞臨界流的轉變也會造成能量損失，導致溢流發生。

4結語

本文根據11 a歷史降雨系列以及不同雨強的合成設計暴雨，評估了雷克雅未克市市中心檢修孔溢流的可能性和管道超負荷危害。MIKE URBAN軟件模擬結果顯示了過去11 a發生的溢流情況。污水管道中有3%的檢修孔不能滿足當前設計要求，在20 a一遇的最大年降雨量情況下，出現溢流情況。CDS模擬結果顯示了更多的溢流檢修孔，并確認了污水系統缺陷的位置。在合成降雨雨強增加20%(或徑流系數增加20%)的情況下，檢修孔溢流數量和洪量幾乎加倍。導致管道脆弱的因素是管徑小于規定的最小直徑250 mm、管道坡度平緩或不連續以及污水管網下游管徑更小。假設未來幾十年降雨量增加，本研究可為制定應急計劃、優先制定防洪措施奠定基礎。

邱訓平譯

(編輯：李慧)

收稿日期：2015-11-27

中圖法分類號：P338.8

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)01-0027-04