南方某特大城市主城區(qū)排水防澇能力評(píng)估研究

董磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

南方某特大城市主城區(qū)排水防澇能力評(píng)估研究

董磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

在對(duì)南方某特大城市主城地形地貌、氣象水文、排澇設(shè)施現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用Infoworks ICM水力模型進(jìn)行排水管網(wǎng)一維（1D）模擬，評(píng)估不同重現(xiàn)期降雨情況下現(xiàn)狀雨水管渠的排水能力。同時(shí)，基于GIS技術(shù)構(gòu)建主城數(shù)字高程模型（DEM），利用1D排水管網(wǎng)模型耦合和二維（2D）地表漫流模型，分析確定50 a一遇24 h設(shè)計(jì)雨型工況下的內(nèi)澇淹沒范圍形成風(fēng)險(xiǎn)分布圖，并分析內(nèi)澇成因，提出規(guī)劃方案指導(dǎo)排水防澇設(shè)施的建設(shè)和管理，確保在遭遇臺(tái)汛威脅時(shí)最大程度減輕災(zāi)害。

排水防澇；模型；雨型；內(nèi)澇重現(xiàn)期

0　引言

隨著南方某特大城市（以下簡(jiǎn)稱“該市”）城市化進(jìn)程的不斷加快，大量土地用地性質(zhì)發(fā)生了改變，硬地鋪裝等不透水面積大大增加，改變了流域下墊面條件，使得降雨入滲、截留等減少，致使降雨產(chǎn)流時(shí)間縮短、匯流速度快、徑流量和洪峰流量大大增加，加大了排水系統(tǒng)的行洪壓力，加之近年來極端天氣頻發(fā)，該市遭遇內(nèi)澇災(zāi)害的情況時(shí)有發(fā)生：2003年7月4日最大1日降雨量216.7 mm，主城區(qū)多處淹水，主要干道交通一度受到影響，發(fā)生建筑物筑物塌陷、滲水、管涌等嚴(yán)重險(xiǎn)情43處，造成直接經(jīng)濟(jì)損失7.8億元。2008年8月2日，受臺(tái)風(fēng)“鳳凰”殘留云系與冷空氣的共同影響，特大暴雨造成主城區(qū)有65處大面積積水，受災(zāi)人口9.36萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失1.88億元……

為了徹底解決城市內(nèi)澇，2013年3月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知：提出力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，建成較為完善的城市排水防澇工程體系，解決城市積水內(nèi)澇問題。2013年6月，住建部印發(fā)了《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》，要求全國(guó)各地城市組織開展排水防澇綜合規(guī)劃的編制工作，本文的主要內(nèi)容為該市中心城區(qū)排水防澇綜合規(guī)劃編制的部分研究成果，對(duì)該市防汛減災(zāi)工作和城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義和促進(jìn)作用。

1　城市概況

該市主城區(qū)東至繞城公路，南至秦淮新河，西、北至長(zhǎng)江，面積278 km2，人口規(guī)模約380萬。主城是都市區(qū)及更大區(qū)域的核心，以商務(wù)、商貿(mào)、科技、信息、綜合管理等高端服務(wù)職能為主。

1.1地形地貌

該市地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，低山占土地總面積的3.5%，丘陵占4.3%，崗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占總面積的39.2%。

1.2氣象水文

該市地處長(zhǎng)江下游，屬亞熱帶季風(fēng)型氣候，空氣濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛。多年平均降雨量為1 059.8 mm，年最大降雨量1 713.9 mm，雨量多集中于每年5～9月份汛期。全年有三個(gè)明顯的多雨期，4～5月是春雨期，平均降雨量為189.7 mm；6～7月為梅雨期，平均降雨量為347.7 mm，8～9月是受臺(tái)風(fēng)影響的秋雨期，平均降雨量為205.4 mm，三期的雨量占全年雨量的70.6%。

1.3排澇設(shè)施現(xiàn)狀

主城建成區(qū)敷設(shè)了較為完備的雨水管網(wǎng)，多數(shù)就近自排入河，主干雨水管道總長(zhǎng)約 1 093 km，約有893個(gè)排放口。主城區(qū)現(xiàn)有河道110條，共計(jì)247.2 km。現(xiàn)有泵站71座，總規(guī)模為444.26 m3/s，現(xiàn)狀排澇模數(shù)為3.11 m3/s·km2。

2　現(xiàn)狀排水能力評(píng)估

2.1評(píng)估方法

采用Infoworks ICM建立排水管網(wǎng)一維水力模型進(jìn)行仿真模擬，評(píng)估不同重現(xiàn)期降現(xiàn)狀雨水管渠的排水能力。

我國(guó)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)管道內(nèi)流態(tài)按滿管均勻流考慮，計(jì)算設(shè)計(jì)流量時(shí)的設(shè)計(jì)水力坡度取管底坡度。重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災(zāi)的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當(dāng)出現(xiàn)超載狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為管段流量超過設(shè)計(jì)能力。因此，在評(píng)估中，若管道出現(xiàn)超載狀態(tài)，則視為該段雨水管道的排水能力不能滿足相應(yīng)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。

通過水力模型分析管渠的水力坡度線、流速及流量變化曲線，并標(biāo)識(shí)處各管段的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，繪制該市主城雨水管道重現(xiàn)期頻率分布圖。

2.2評(píng)估邊界條件

（1）設(shè)計(jì)暴雨

采用2014年2月發(fā)布的該市中心城區(qū)短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式：

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（mm/min）；t為降雨歷時(shí)（min）；P為重現(xiàn)期（a）。

短歷時(shí)降雨雨型采用芝加哥雨型，利用暴雨公式編制的樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)暴雨雨峰位置，最終確定短歷時(shí)雨峰位置取0.5，暴雨重現(xiàn)期分別取1a、3 a、5 a一遇，降雨歷時(shí)為3 h。

（2）產(chǎn)匯流模型

根據(jù)主城區(qū)下墊面的特征，透水表面（綠地等）產(chǎn)流采用Horton下滲法，不透水表面（屋面、路面等）產(chǎn)流采用SWMM固定比例模型，匯流采用SWMM Runoff非線性水庫模型。

（3）內(nèi)河水位

內(nèi)河水位值參考該市城防辦《2012年防汛手冊(cè)》和該市城區(qū)防汛遙測(cè)指揮系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，考慮最不利情況，即汛期最高水位作為模型邊界。

a.內(nèi)秦淮河系統(tǒng)：北段水位7.20m；南段和中段水位6.80 m；東段水位7.0 m；珍珠河水位7.45 m；

b.內(nèi)金川河系統(tǒng)：水位8.50 m；

c.西北護(hù)城河：水位7.20 m；

d.玄武湖：水位10.0 m；

e.河西系統(tǒng):水位5.0 m；

f.南湖片區(qū):水位5.3 m。

2.3評(píng)估結(jié)果

圖1為該市主城區(qū)不同重現(xiàn)期降雨情況下，雨水管網(wǎng)頻率分布圖。

表1是根據(jù)圖1統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，對(duì)照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2014版），該市雨水管渠的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3 a一遇，以此為標(biāo)準(zhǔn)，主城雨水管渠的不達(dá)標(biāo)率為31%，建成區(qū)管渠改造涉及面廣，實(shí)施難度大，應(yīng)結(jié)合今后道路改造工程逐步實(shí)現(xiàn)提標(biāo)。

圖1　該市主城現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)頻率分布圖

表1　該市主城現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)排水能力評(píng)估分析表

3　內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[1-4]

3.1評(píng)估方法

該市主城的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，利用1D排水管網(wǎng)模型耦合和二維（2D）地表漫流模型，采用情景模擬評(píng)估法進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析確定50 a一遇24 h設(shè)計(jì)雨型工況下的內(nèi)澇淹沒范圍。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)主要考慮模擬結(jié)果中積水深度與積水流速進(jìn)行危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)，具體公式如下所示：

式中：d為積水深度，m；V為流速，m/s；Df為水深危害參數(shù)，d≤0.15m，Df＝0.5，d＞0.15m，Df＝1.0。

根據(jù)計(jì)算的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)合城市區(qū)域重要性和敏感度，城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分如下所示：

（1）HR＜0.75非敏感區(qū)域，為內(nèi)澇低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；

（2）0.75≤HR＜1.25的非敏感區(qū)域及HR＜0.75敏感區(qū)域，為內(nèi)澇中風(fēng)險(xiǎn)；

（3）0.75≤HR＜1.25的敏感區(qū)域及HR≥1.25的區(qū)域，為內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

其中敏感區(qū)域包括：行政中心、交通樞紐、通信樞紐、學(xué)校、醫(yī)院和商業(yè)聚集區(qū)、快速路、主干路、人口高密度區(qū)、重要廠礦企業(yè)。

3.2評(píng)估邊界條件

（1）設(shè)計(jì)雨型

根據(jù)1978年至2013年該市行政轄區(qū)內(nèi)的12個(gè)自記雨量站的暴雨資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，綜合短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式和水利部門長(zhǎng)歷時(shí)暴雨水文分析成果，獲得該市50 a一遇24 h設(shè)計(jì)雨型見圖2。

圖2　該市50 a一遇24 h設(shè)計(jì)雨型

（2）DEM數(shù)字高程模型

基于GIS技術(shù)，對(duì)主城1∶500地形圖進(jìn)行解析運(yùn)算，構(gòu)建出主城3D數(shù)字高程模型（DEM），為1D排水管網(wǎng)模型和二維（2D）地表漫流模型耦合創(chuàng)造條件。

通過DEM模型成果圖（見圖3）可準(zhǔn)確直觀的看出該市地面高程特征：主城地勢(shì)起伏較大：紫金山主峰海拔448.9 m，寧鎮(zhèn)山脈向西延伸的殘丘及崗地橫亙老城區(qū)中北部，與紫金山構(gòu)成分水嶺。城北地區(qū)以低山、丘陵為主，高程16～25 m。城南地區(qū)為丘陵崗地為主，地面高程8～12 m。河西地區(qū)地勢(shì)平坦，高程6～8 m。寧南地區(qū)以低山、丘陵為主，地面高程12～50 m。

圖3　該市主城數(shù)字高程模型（DEM）成果圖

3.3評(píng)估結(jié)果

1D排水管網(wǎng)模型和二維（2D）地表漫流模型耦合，采用50 a一遇長(zhǎng)歷時(shí)降雨情景進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，獲取積水區(qū)域的積水深度、積水流速、積水范圍和淹沒時(shí)間等信息，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布見圖4。

根據(jù)圖4，該市主城區(qū)內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約3.41 hm2，與近3年實(shí)際淹水點(diǎn)位基本一致，包括廣州路寧海路路口、燕山路、中山路與珠江路交接處、寅春路丁家莊物流園門口等處。內(nèi)澇中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約5.41 km2，包括玄武區(qū)政府門口、揚(yáng)子江大道與鄭和南路交匯處、白宮大酒店門口、水關(guān)橋高架下拐彎處、行建路消防總隊(duì)門口等處，內(nèi)澇低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約17.79 km2，主要為沿江河地勢(shì)低洼區(qū)。

圖4　該市主城內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖

4　內(nèi)澇成因分析

根據(jù)現(xiàn)狀排水能力評(píng)估和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，結(jié)合該市主城歷史內(nèi)澇災(zāi)害實(shí)際情況，分析造成內(nèi)澇的成因如下：

（1）城市化進(jìn)程引起徑流量大幅增加，上游的問題轉(zhuǎn)嫁至下游；

（2）現(xiàn)狀排水設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排澇能力不足；

（3）用地豎向設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)籌，地勢(shì)低洼區(qū)強(qiáng)排能力不足；

（4）河道侵占和淤積現(xiàn)象嚴(yán)重，排水不暢；

（5）部分地區(qū)尚處于開發(fā)建設(shè)時(shí)期，排澇系統(tǒng)不完善；

（6）河道、泵站及管網(wǎng)缺乏養(yǎng)護(hù)管理，效率低下。

5　結(jié)論與建議

根據(jù)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合該市排水防澇需求，樹立“安全、資源、環(huán)境”三位一體的思想，提出采用“滲、滯、蓄、排、凈、用”等綜合措施解決城市內(nèi)澇，從單純排水向綜合防澇轉(zhuǎn)變，嚴(yán)格徑流控制和用地豎向控制，建立綠色（低影響開發(fā)理念）與灰色基礎(chǔ)設(shè)施（傳統(tǒng)管渠、泵站等排水設(shè)施）相結(jié)合的生態(tài)排水體系。

通過完善排水系統(tǒng)建設(shè)、低標(biāo)改造、初期雨水截流、河道水系調(diào)整與整治等工程措施和建立智慧城市智能預(yù)警系統(tǒng)，完善應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制等非工程性措施，形成“布局合理、蓄排結(jié)合、高效安全、水清景美”與建設(shè)該市國(guó)際化大都市形象相適應(yīng)的的防汛保安體系。

規(guī)定該市主城新建地區(qū)綜合徑流系數(shù)不大于0.5，已建、在建地區(qū)綜合徑流系數(shù)逐步過渡到0.6～0.7。區(qū)域整體開發(fā)或改造時(shí)，對(duì)于相同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，改造后的徑流量不應(yīng)超過改造前的徑流量，不增加已建排澇設(shè)施的額外負(fù)擔(dān)。

規(guī)劃整治疏浚河道25條，長(zhǎng)度為62.3 km；新開14條河道，長(zhǎng)度為37.3 km；水面率4.31%。保留泵站38座，排澇流量332.5 m3/s；改擴(kuò)建或新建泵站28座，排澇流量252.9 m3/s。

[1]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》征求意見稿[Z].

[2]Seyoum S,Vojinovic Z,Price R K,etc.Coupled 1D and noninertia 2D flood inundation model for simulation of urban flooding[J].J Hydraul Eng,2012,138(1):23-34.

[3]錢立鵬,李田.基于1D/2D耦合模型的排水系統(tǒng)內(nèi)澇重現(xiàn)期校核[J].中國(guó)給水排水,2014,30(15):155-158.

[4]張書函,丁躍元,陳建剛.德國(guó)的雨水收集利用與調(diào)控技術(shù)[J].北京水利,2002(3):39-41.

S276.5

B

1009-7716（2016）03-0079-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.023

2015-11-04

董磊（1986-），男，山東肥城人，工程師，從事排水工程設(shè)計(jì)工作。