基于示蹤方法的沿海城市內(nèi)澇防災(zāi)方案研究

馬 超，趙 凱，齊文超，陳姿帆，許紅師

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

隨著城市化進(jìn)程的加快，頻發(fā)的強(qiáng)降雨事件、發(fā)展滯后的城市排水系統(tǒng)及其有限的排水能力導(dǎo)致城市易遭受嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害[1-4]，已成為目前亟待解決的全球性問題[5-7]。如果不采取有效的內(nèi)澇防災(zāi)策略和措施，到21世紀(jì)末，全球內(nèi)澇災(zāi)害造成的損失將增加約20倍[8-9]。受季風(fēng)氣候影響，我國城市尤其沿海城市內(nèi)澇災(zāi)害極為突出[10]。水利部發(fā)布的《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》顯示，2015年我國有168座城市遭受不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害，受災(zāi)人口7 641萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失1 661億元，福州、臨海等多個(gè)沿海城市災(zāi)害損失嚴(yán)重[11]；2016年城市內(nèi)澇影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，受淹城市192座，受災(zāi)人口1.02億人，直接經(jīng)濟(jì)損失3 661億元，多個(gè)沿海城市出現(xiàn)年內(nèi)雨季多次受災(zāi)情況[12]。城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了城市公共安全，也制約了社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[13-14]。

為提升城市內(nèi)澇災(zāi)害防治能力，降低內(nèi)澇災(zāi)害程度和影響，國內(nèi)外學(xué)者圍繞城市內(nèi)澇防災(zāi)措施規(guī)劃[15]、措施調(diào)控[16]等方面開展了大量研究。措施規(guī)劃方面，Maharjan等[17-19]將城市內(nèi)澇數(shù)值模擬耦合到單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化決策模型中，優(yōu)化排水管網(wǎng)尺寸、蓄水池和排水泵站的規(guī)模及其布置；Lu等[20-21]在此基礎(chǔ)上提出兩階段多目標(biāo)優(yōu)化框架，以期尋得更優(yōu)的措施規(guī)劃方案。低影響開發(fā)(low impact development, LID)[22-24]、最佳管理措施(best management practices, BMPs)[25]、水敏感城市(water sensitive urban design, WSUD)[26]等分散式內(nèi)澇治理研究也受到廣泛關(guān)注，為城市內(nèi)澇綜合治理提供了支撐[27-28]。措施調(diào)控方面，與快速計(jì)算模型[29]、智能系統(tǒng)[30]、各類優(yōu)化算法[31-32]等相結(jié)合的實(shí)時(shí)調(diào)控及其系統(tǒng)開發(fā)成為當(dāng)前研究重點(diǎn)，研究成果可為制定各項(xiàng)措施的調(diào)控方案提供參考與支持。此外，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能[33]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[34]、強(qiáng)化學(xué)習(xí)[35]等技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于城市內(nèi)澇及防災(zāi)決策研究中。

當(dāng)前城市內(nèi)澇防災(zāi)措施規(guī)劃及措施調(diào)控決策的制定主要依據(jù)內(nèi)澇積水的深度、時(shí)長、分布范圍等特征信息，但由于各排水分區(qū)、河渠排水通道及閘泵排水設(shè)施間存在復(fù)雜緊密的水量關(guān)聯(lián)性，如不能有效識別內(nèi)澇積水來源、量化源頭排水分區(qū)對積水過程的貢獻(xiàn)，制定的防災(zāi)方案雖能產(chǎn)生局部減災(zāi)效果，但在整體層面無法達(dá)到協(xié)同最優(yōu)，甚至產(chǎn)生此消彼長的不利影響。因此，量化識別復(fù)雜排水系統(tǒng)的水量關(guān)聯(lián)性是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和整體協(xié)同內(nèi)澇災(zāi)害防治的基礎(chǔ)。已在水環(huán)境和水文領(lǐng)域使用的示蹤方法因具有顯性化水流路徑、可識別水流來源等突出優(yōu)點(diǎn)使其成為量化識別復(fù)雜排水系統(tǒng)水量關(guān)聯(lián)性的有效手段[36-38]，基于此，本文以海口市龍昆溝排水系統(tǒng)為例，開展基于示蹤方法的沿海城市內(nèi)澇防災(zāi)方案研究，基于示蹤方法識別徑流過程，揭示城市多區(qū)域間的水量關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而制定城市內(nèi)澇整體防災(zāi)治理方案，以期獲得更優(yōu)的區(qū)域整體防災(zāi)效果。

1 基于示蹤方法的城市內(nèi)澇治理方案

1.1 基于PCSWMM的示蹤方法

選取污染物作為示蹤劑，通過耦合城市內(nèi)澇模型中的水文水動力模塊和水質(zhì)模塊，實(shí)現(xiàn)基于示蹤方法的城市內(nèi)澇分析。具體研究方法為：在不同排水分區(qū)設(shè)置源頭示蹤劑，實(shí)現(xiàn)對各排水分區(qū)產(chǎn)匯流水體的追蹤；通過耦合示蹤劑輸移與產(chǎn)匯流水體流動，實(shí)現(xiàn)積水來源識別和對各排水分區(qū)貢獻(xiàn)程度的定量分析。

采用PCSWMM(personal computer storm water management model)進(jìn)行示蹤方法研究。PCSWMM是加拿大水力計(jì)算研究所(Computational Hydraulics International, CHI)以美國環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency, EPA)研發(fā)的SWMM(storm water management model)為核心開發(fā)并改進(jìn)的城市雨洪管理模型，具有強(qiáng)大的水文、水力模擬模塊，能夠計(jì)算地表產(chǎn)匯流、管網(wǎng)水動力傳輸和水質(zhì)變化，支持1D/2D模型的耦合；可完整模擬降雨徑流和污染物輸移過程，實(shí)現(xiàn)場次暴雨或連續(xù)暴雨下降雨徑流的動態(tài)分析[39]。

1.1.1源頭示蹤劑設(shè)置

在各排水分區(qū)中采用污染物堆積模型生成對應(yīng)編號的示蹤劑，用于對各產(chǎn)匯流水量進(jìn)行示蹤；采用污染物平均濃度沖刷模型(式(1))[40]生成產(chǎn)匯流過程中質(zhì)量濃度恒定的源頭示蹤劑。

(1)

式中：ρ為污染物沖刷質(zhì)量濃度，mg/L；t為時(shí)間，s；T為總徑流時(shí)間，s；ρt為隨徑流變化的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Qt為徑流流量，m3/s。

由于示蹤劑用于內(nèi)澇積水貢獻(xiàn)量的量化，故各排水分區(qū)內(nèi)的污染物平均濃度沖刷模型系數(shù)設(shè)置相同，確保不同源頭示蹤劑的質(zhì)量濃度相等且恒定，本文設(shè)定為1 mg/L。

1.1.2示蹤劑與產(chǎn)匯流水量耦合

PCSWMM將城市排水系統(tǒng)概化為地表2D排水系統(tǒng)和地下1D排水系統(tǒng)，基于1D/2D耦合將二者連接進(jìn)行計(jì)算。管網(wǎng)內(nèi)示蹤劑輸移計(jì)算不考慮對流擴(kuò)散，示蹤劑的輸移速度與水流流速相同，當(dāng)水體流出管網(wǎng)時(shí)，示蹤劑質(zhì)量濃度通過質(zhì)量平衡方程計(jì)算；對于地表網(wǎng)格和具有儲水容量的節(jié)點(diǎn)，示蹤劑質(zhì)量濃度計(jì)算采用與管網(wǎng)內(nèi)相同的計(jì)算方法，對于沒有儲水容量的節(jié)點(diǎn)，示蹤劑質(zhì)量濃度由進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)水體的示蹤劑質(zhì)量濃度表示[41]。模型整體通過聯(lián)立水量平衡方程與示蹤劑質(zhì)量平衡方程，實(shí)現(xiàn)水量與示蹤劑耦合模擬。質(zhì)量平衡方程為[38]

(2)

式中：ρs為示蹤劑質(zhì)量濃度，mg/L；S為節(jié)點(diǎn)或管網(wǎng)蓄水量，L；Qj、Qk分別為以流入方式j(luò)(如旁側(cè)入流等)流入和以流出方式k(如旁側(cè)出流等)流出的流量，m3/s；ρj為流入方式j(luò)的水流中示蹤劑質(zhì)量濃度，mg/L；ρk為流出方式k的水流中示蹤劑質(zhì)量濃度，mg/L。

1.1.3關(guān)注區(qū)域積水量劃分

示蹤劑的流動與徑流過程同步，示蹤劑累積質(zhì)量與累積降雨產(chǎn)匯流水量成正比。因此，基于模擬得出的關(guān)注區(qū)域的積水量和各示蹤劑質(zhì)量變化過程，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可計(jì)算出各時(shí)刻不同排水分區(qū)對關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇積水貢獻(xiàn)量：

(3)

式中：Vit為t時(shí)刻源頭區(qū)域i對關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇積水貢獻(xiàn)量，m3；Vt為t時(shí)刻關(guān)注區(qū)域的積水量，為各示蹤劑源頭區(qū)域在t時(shí)刻對關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇積水貢獻(xiàn)量之和，m3；mit為t時(shí)刻關(guān)注區(qū)域內(nèi)來自源頭區(qū)域i的示蹤劑質(zhì)量，g；n為源頭區(qū)域的數(shù)量。

1.1.4示蹤方法可行性驗(yàn)證

采用如圖1所示的區(qū)域驗(yàn)證示蹤方法的可行性。區(qū)域包含A1、A2、A3 3個(gè)排水分區(qū)，其下墊面參數(shù)如表1所示，其中A2、A3內(nèi)存在內(nèi)澇積水區(qū)域W1、W2。基于PCSWMM的區(qū)域1D/2D耦合內(nèi)澇模型如圖2所示。3個(gè)排水分區(qū)內(nèi)采用污染物堆積模型和污染物平均濃度沖刷模型生成各自的源頭示蹤劑P1、P2、P3。區(qū)域降雨自8:00開始，歷時(shí)1 h，降雨強(qiáng)度為25 mm/h。

驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果如圖3所示，自8:02起，各排水分區(qū)出現(xiàn)產(chǎn)匯流，源頭示蹤劑質(zhì)量濃度保持 1 mg/L，表明污染物平均濃度沖刷模型能夠在產(chǎn)匯流時(shí)段內(nèi)生成濃度恒定的源頭示蹤劑。

內(nèi)澇積水區(qū)域W1中積水來自A1、A2，內(nèi)澇積水區(qū)域W2中積水來自A1、A2、A3。利用式(3)和基于管網(wǎng)內(nèi)流量統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算出各排水分區(qū)對W1、W2貢獻(xiàn)水量的示蹤值和模擬值，結(jié)果如圖4所示。二者過程吻合，表明利用式(3)可求得任意時(shí)刻不同排水分區(qū)對內(nèi)澇積水區(qū)的水量貢獻(xiàn)。

(a) 內(nèi)澇積水區(qū)W1

(b) 內(nèi)澇積水區(qū)W2圖4 各排水分區(qū)對內(nèi)澇積水區(qū)貢獻(xiàn)水量的模擬值與示蹤值對比Fig.4 Comparison of simulation and source trackingresults of water amount of each subcatchmentcontributing to inundation areas

示蹤劑自源頭生成后隨產(chǎn)匯流水體輸移，一部分留存于內(nèi)澇積水區(qū)域W1、W2中，另一部分則從排水口排出。由圖5可知，任意時(shí)刻示蹤劑P1、P2、P3留存于W1、W2的質(zhì)量和排水口累積排出質(zhì)量之和與源頭累積生成的質(zhì)量吻合，結(jié)果證明任意時(shí)刻各示蹤劑質(zhì)量守恒。

(a) 示蹤劑P1

(b) 示蹤劑P2

(c) 示蹤劑P3圖5 示蹤劑累積排出質(zhì)量與源頭累積生成質(zhì)量對比Fig.5 Comparison of cumulative mass oftracer released from and that generatedat source of each subcatchment

綜上所述，基于PCSWMM的示蹤方法可行，模擬結(jié)果可識別城市區(qū)域排水分區(qū)間的復(fù)雜水量聯(lián)系，并量化各排水分區(qū)對關(guān)注區(qū)域積水量的貢獻(xiàn)占比，以支撐精細(xì)化和整體協(xié)同的內(nèi)澇災(zāi)害防治方案。

1.2 基于示蹤結(jié)果的分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)劃

以圖6為例闡述基于示蹤方法的積水溯源和各排水分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)劃。設(shè)B1為關(guān)注區(qū)域，排水分區(qū)B2、B3的徑流匯入B1，與B1自身的積水共同導(dǎo)致B1的嚴(yán)重內(nèi)澇。圖6顯示關(guān)注區(qū)域的積澇過程以及基于示蹤方法計(jì)算得到的各時(shí)刻不同排水分區(qū)對關(guān)注區(qū)域B1的積水量貢獻(xiàn)占比。基于示蹤方法的各排水分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)劃步驟為：

步驟1確定關(guān)注區(qū)域的防災(zāi)關(guān)注時(shí)段。取容許積水深度以及對應(yīng)積水時(shí)間為災(zāi)生條件的量化指標(biāo)，根據(jù)模擬計(jì)算得出關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇過程，確定超過災(zāi)生條件量化指標(biāo)的時(shí)刻為災(zāi)生時(shí)刻。如圖6所示，災(zāi)生時(shí)刻為Ta，關(guān)注區(qū)域此時(shí)出現(xiàn)積水深度超標(biāo)的點(diǎn)位。災(zāi)生時(shí)刻Ta后，關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇程度逐步增加，直至?xí)r刻Tb關(guān)注區(qū)域的積水量達(dá)到峰值V峰，因此，防災(zāi)關(guān)注時(shí)段為Ta～Tb。

步驟2確定各排水分區(qū)內(nèi)澇積水削減量。內(nèi)澇積水削減從Ta開始，并使Tb時(shí)區(qū)域積水量不超過容許積水深度對應(yīng)的水量V容，因此削減總量ΔV=V峰-V容。各排水分區(qū)內(nèi)澇積水削減量根據(jù)防災(zāi)關(guān)注時(shí)段內(nèi)各排水分區(qū)對關(guān)注區(qū)域內(nèi)澇積水的貢獻(xiàn)程度確定。

步驟3防災(zāi)措施布設(shè)位置及類型確定。考慮關(guān)注區(qū)域的內(nèi)澇分布和關(guān)聯(lián)影響區(qū)域間水量傳遞路徑特點(diǎn)，就近制定防災(zāi)措施的布設(shè)位置和利用方式；根據(jù)Ta時(shí)刻后關(guān)聯(lián)影響區(qū)域的貢獻(xiàn)水量特征確定防災(zāi)措施類型。對關(guān)注區(qū)域貢獻(xiàn)積水量比例小的排水分區(qū)，采取LID措施進(jìn)行源頭蓄滯，如圖6中的B3區(qū)域；當(dāng)關(guān)聯(lián)影響排水分區(qū)的貢獻(xiàn)水量較大，且呈現(xiàn)穩(wěn)定或者穩(wěn)增的特征時(shí)，采取排澇泵站增排來轉(zhuǎn)移積水量，如圖6中的B1區(qū)域；當(dāng)關(guān)聯(lián)影響排水分區(qū)的貢獻(xiàn)水量過程呈現(xiàn)突增的特征時(shí)，采取蓄水池進(jìn)行源頭蓄滯，如圖6中的B2區(qū)域。排澇泵站與蓄水池的應(yīng)用時(shí)段均為防災(zāi)關(guān)注時(shí)段Ta～Tb。

圖6 基于示蹤結(jié)果的防災(zāi)措施方案概化圖Fig.6 Flood mitigation scheme based on resultsof source tracking

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

海口市地處熱帶濱海地區(qū)，毗鄰瓊州海峽。龍昆溝排水系統(tǒng)(圖7)位于海口市北部，在北緯 19°59′～20°03′、東經(jīng)110°18′～110°21′之間，地勢為西南高、東北低，總面積約27.90 km2。排水系統(tǒng)內(nèi)部建筑設(shè)施林立，土地利用類型多樣，下墊面情況復(fù)雜。受季風(fēng)氣候影響，多年平均降水量為 2 067 mm，其中5—10月雨季降水量占全年的78.1%。受強(qiáng)降雨與潮位頂托影響，海口市易受到城市內(nèi)澇災(zāi)害的影響，例如2014年7月17—19日受臺風(fēng)“威馬遜”襲擊，日降水量達(dá)509.2 mm，內(nèi)澇災(zāi)害造成8人死亡，損失近90億元[42]。

圖7 海口市龍昆溝排水系統(tǒng)組成Fig.7 Composition of Longkungou drainagesystem in Haikou City

2.2 模型構(gòu)建和參數(shù)率定

根據(jù)海口市水務(wù)局提供的檢查井、管網(wǎng)以及地形高程等基礎(chǔ)資料，用PCSWMM構(gòu)建耦合示蹤方法的海口市龍昆溝排水系統(tǒng)內(nèi)澇模型，構(gòu)建的模型包含管網(wǎng)4 401根、檢查井4 563處、河道5條、排水口5處、地表網(wǎng)格18 953個(gè)、匯水區(qū)48個(gè)(A1～A48)。選取2014年7月“威馬遜”臺風(fēng)期間海口市降水量、潮位數(shù)據(jù)作為輸入邊界條件，采用降雨期間不同點(diǎn)位的實(shí)測積水深度對模型進(jìn)行參數(shù)率定[43-44]。龍昆溝排水系統(tǒng)20處內(nèi)澇點(diǎn)的實(shí)測最大積水深度和模擬結(jié)果如表2所示。實(shí)測最大積水深度為 20～80 cm，模擬最大積水深度為22～73 cm，二者積水深度平均值分別為46.5 cm和47.5 cm，僅相差 1 cm。模擬結(jié)果的確定性系數(shù)R2和納什效率系數(shù)分別為0.851、0.845。結(jié)果表明，所構(gòu)建的龍昆溝排水系統(tǒng)內(nèi)澇模型合理可行，模擬精度滿足要求。

2.3 內(nèi)澇積水溯源及貢獻(xiàn)量化

根據(jù)GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》及《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱》規(guī)定，省會城市中心城區(qū)能有效應(yīng)對不低于50年一遇的降雨[45-46]。故以50年一遇設(shè)計(jì)降雨和同頻率潮位組合為設(shè)計(jì)情景，開展龍昆溝排水系統(tǒng)積水來源和內(nèi)澇成因分析。基于海口雨量站1974—2012年實(shí)測降雨及潮位數(shù)據(jù)，采用P-Ⅲ型曲線計(jì)算50年一遇設(shè)計(jì)降雨和潮位值，選取1996年9月19—20日的24 h暴雨過程為典型暴雨過程，采用同頻率放大法得到設(shè)計(jì)降雨時(shí)程分布(圖8)；選取2014年7月“威馬遜”臺風(fēng)期間實(shí)測潮位過程作為典型潮位過程，采用同倍比放大法得到設(shè)計(jì)潮位時(shí)程分布(圖8)。設(shè)計(jì)情景下龍昆溝排水系統(tǒng)最大積水深度及其分布模擬結(jié)果如圖9所示。

圖8 50年一遇設(shè)計(jì)降雨及同頻率潮位時(shí)程Fig.8 Time course of 50-year designrainfall and tidal level

根據(jù)空間關(guān)聯(lián)性和排水管網(wǎng)布置情況，龍昆溝排水系統(tǒng)內(nèi)的48個(gè)匯水區(qū)被劃分為龍昆溝(L)、金牛嶺(JN)、道客溝(D)、道客溝上游(DS)4個(gè)排水分區(qū)，見圖7。模擬結(jié)果表明，50年一遇降雨情景下，4個(gè)排水分區(qū)峰值時(shí)刻的積水面積分別占各排水分區(qū)總面積的39.48%、20.86%、11.40%和7.53%。L排水分區(qū)的內(nèi)澇災(zāi)情最嚴(yán)重，內(nèi)澇積水總量過程與降雨過程同步，但積水總量峰值滯后降雨峰值3 h(圖10)。

圖9 設(shè)計(jì)情景下積水分布及各排水分區(qū)防災(zāi)措施布置Fig.9 Accumulated water distribution in study areain design scenario and layout of flood mitigationmeasures for each subcatchment

確定內(nèi)澇災(zāi)情最嚴(yán)重的下游L排水分區(qū)為關(guān)注區(qū)域。基于示蹤方法計(jì)算得出L排水分區(qū)積水量來源及其過程，如圖10所示。L排水分區(qū)的內(nèi)澇程度受自身和JN、D、DS排水分區(qū)共同影響，各排水分區(qū)對峰值積水量的貢獻(xiàn)比例分別為40.85%、25.05%、16.74%和17.36%。因龍昆溝、大同溝和大同分洪溝的過流能力有限且受高潮位頂托影響，暴雨期間，L排水分區(qū)自身積水量和上游關(guān)聯(lián)影響排水分區(qū)的傳遞水量匯合后，無法有效排出，導(dǎo)致河渠水位顯著上漲，產(chǎn)生漫溢現(xiàn)象和對排入河渠管網(wǎng)的頂托作用，使得L排水分區(qū)發(fā)生長時(shí)間嚴(yán)重內(nèi)澇。

圖10 L排水分區(qū)內(nèi)澇積水溯源和各排水分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)劃方案Fig.10 Source tracking of accumulated water insubcatchment L and flood mitigation schemefor each catachment

2.4 防災(zāi)措施規(guī)劃及效果評估

2.4.1防災(zāi)措施規(guī)劃

針對上述情況，以緩解L排水分區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害為目標(biāo)，規(guī)劃L、JN、D、DS排水分區(qū)的防災(zāi)措施。設(shè)定容許積水深度為0.30 m，由模擬結(jié)果得出，L排水分區(qū)在17:00出現(xiàn)積水深度超過容許積水深度且積水時(shí)間大于1 h的內(nèi)澇點(diǎn)位，Ta為17:00；在次日3:00，L排水分區(qū)積水量達(dá)到峰值，Tb為次日3:00，防災(zāi)關(guān)注時(shí)段為Ta～Tb。依據(jù)容許積水深度計(jì)算得出內(nèi)澇積水應(yīng)削減總量ΔV為36.4萬m3，按照Tb時(shí)刻L排水分區(qū)積水量來源及其組成比例得出L、JN、D及DS排水分區(qū)的內(nèi)澇積水削減量分別為15萬m3、9萬m3、6.1萬m3和6.3萬m3。各排水分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)劃方案如圖10和表3所示，L排水分區(qū)地勢低且排水能力不足(潮位頂托)導(dǎo)致上游排水分區(qū)水量的快速匯入，因此選擇蓄水池和排澇泵站相結(jié)合的內(nèi)澇防災(zāi)措施；其他3個(gè)排水分區(qū)為上游關(guān)聯(lián)影響排水分區(qū)，且在0：00呈現(xiàn)水量突增的現(xiàn)象，因此選擇蓄水池作為內(nèi)澇防災(zāi)措施。各防災(zāi)措施的啟用時(shí)段為防災(zāi)關(guān)注時(shí)段，此外，各排水分區(qū)防災(zāi)措施位置布設(shè)時(shí)考慮水量傳遞路徑，具體位置如圖9所示。

表3 各排水分區(qū)防災(zāi)措施規(guī)模Table 3 Scales of flood mitigation measuresfor each subcatchment

2.4.2內(nèi)澇整治效果評估

50年一遇設(shè)計(jì)降雨和同頻率潮位組合情景下，各排水分區(qū)防災(zāi)措施實(shí)施后，內(nèi)澇整治效果如圖11和表4所示。對比結(jié)果表明，防災(zāi)方案達(dá)到了預(yù)期內(nèi)澇整治效果。防災(zāi)關(guān)注時(shí)段末，龍昆溝排水系統(tǒng)的內(nèi)澇積水面積減少10.31%；平均內(nèi)澇積水深度從原來的0.33 m下降至0.27 m，降低18.18%；積水量減少36.1萬m3，削減幅度為28.20%。4個(gè)排水分區(qū)的內(nèi)澇程度均有不同的緩解，但主要集中在關(guān)注的L排水分區(qū)。L排水分區(qū)在防災(zāi)關(guān)注時(shí)段末的內(nèi)澇積水面積減少14.42%；平均內(nèi)澇積水深度從原來的0.37 m下降至0.28 m，降低24.32%；積水量減少33.98萬m3，削減幅度為36.10%。嚴(yán)重內(nèi)澇點(diǎn)在措施實(shí)施后的最大內(nèi)澇積水深度基本控制在0.30 m以內(nèi)，但因復(fù)雜水流水量關(guān)系和局部凹地等微地形的影響，內(nèi)澇整治措施的預(yù)期作用和效果略有調(diào)整，導(dǎo)致防災(zāi)關(guān)注時(shí)段末的積水量的削減量略小于設(shè)定的36.4萬m3，同時(shí)仍存在最大內(nèi)澇積水深度超過0.30 m的點(diǎn)位，如海秀東路和鹽灶路，應(yīng)針對性調(diào)整和細(xì)化局部方案，或?qū)⑹聚櫡椒ㄅc降雨特征相結(jié)合，獲得更優(yōu)的措施啟用時(shí)段。

(a) 龍昆溝排水系統(tǒng)

(b) L排水分區(qū)圖11 設(shè)計(jì)情景下防災(zāi)方案實(shí)施前后積水量對比Fig.11 Comparison of accumulated water amountsbefore and after implementation of flood mitigationscheme in design scenario

表4 防災(zāi)方案實(shí)施前后L排水分區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇點(diǎn)位最大積水深度對比Table 4 Comparison of maximum water depths at seriousflooding points in subcatchment L before and afterimplementation of flood mitigation scheme

3 結(jié) 語

本文基于示蹤方法的沿海城市內(nèi)澇防災(zāi)方案研究，創(chuàng)新性地提出了將示蹤方法與水力計(jì)算相耦合，精細(xì)模擬城市內(nèi)澇過程，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)澇積水的溯源和過程量化，揭示了城市排水系統(tǒng)排水分區(qū)間復(fù)雜的水量關(guān)聯(lián)性。基于示蹤結(jié)果提出了考慮排水分區(qū)間水量關(guān)聯(lián)性的防災(zāi)措施規(guī)劃方案，包括確定措施類型、規(guī)模和啟用時(shí)段。

以海口市龍昆溝排水系統(tǒng)為例，采取PCSWMM構(gòu)建耦合示蹤方法的城市內(nèi)澇模型。基于50年一遇設(shè)計(jì)降雨情景模擬示蹤結(jié)果，分析內(nèi)澇積水來源及內(nèi)澇成因，提出各排水分區(qū)的防災(zāi)措施規(guī)劃方案。結(jié)果表明，防災(zāi)方案實(shí)施后達(dá)到預(yù)期減災(zāi)效果，防災(zāi)關(guān)注時(shí)段末，龍昆溝排水系統(tǒng)的積水量、內(nèi)澇積水面積、平均內(nèi)澇積水深度分別減少28.20%、10.31%和18.18%；減災(zāi)效果主要體現(xiàn)在關(guān)注的L排水分區(qū)，其積水量、內(nèi)澇積水面積、平均內(nèi)澇積水深度分別減少36.10%、14.42%和24.32%。實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了所提出示蹤方法的可行性和有效性。

示蹤方法未來可與降雨預(yù)報(bào)、城市內(nèi)澇快速模擬模型等相結(jié)合，為防災(zāi)措施的實(shí)時(shí)調(diào)控提供技術(shù)支撐，以優(yōu)化考慮排水分區(qū)間水量關(guān)聯(lián)性的調(diào)控方案，達(dá)到更優(yōu)的城市內(nèi)澇治理效果。