陳明輝，黃培培，吳 非，黎海波

(1．東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，廣東 東莞 523129； 2. 武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

一、引 言

長期以來，受“重地上，輕地下”所欠下的舊賬的影響[1]，市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)滯后性逐漸凸顯。包括東莞在內(nèi)的國內(nèi)大中城市頻繁廣泛受淹[2-3]，也說明了現(xiàn)有排水系統(tǒng)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、體制和管理上存在一定的缺陷。而以城市氣象為依據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)[4-5]，建立城市排水管網(wǎng)水力模型[6]，給出定量模擬、可行性評估論證及應(yīng)對策略，可減少內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。國外排水管網(wǎng)動態(tài)模擬模型歷經(jīng)40余年，應(yīng)用較廣的有降水-徑流模擬模型(storm water management model，SWMM)及INFOWORKS等[7-12]，其中SWMM是美國于1971年開發(fā)的動態(tài)降雨徑流模型，被應(yīng)用于城市排水管網(wǎng)承載力分析，解決城市排水及環(huán)境整治等工程。本文將構(gòu)建東莞市區(qū)SWMM模型，實(shí)現(xiàn)匯水區(qū)的自動劃分和屬性數(shù)據(jù)的自動獲取，展開排水管網(wǎng)系統(tǒng)的承載力分析，給出內(nèi)澇易發(fā)區(qū)域和成因分析，以及排水管網(wǎng)淤積影響性分析等。

二、SWMM水力模型構(gòu)建

1. SWMM模型簡介

SWMM模型是動態(tài)的降水-徑流模擬模型，可用于模擬城市某單一降水時(shí)間或長期的水量和水質(zhì)，在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪水、合流制下水道、排污管道及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)。SWMM徑流模塊綜合處理各子流域所發(fā)生的降水、徑流和污染負(fù)荷。而匯流模塊則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設(shè)施、水泵等進(jìn)行水量傳輸，對雨水管、污水管、合流制管道、自然排水系統(tǒng)進(jìn)行水量和水質(zhì)的模擬。

2. SWMM建模

1) 研究區(qū)的確定：選擇地表徑流、排水體制具有鮮明對比而空間相鄰的東莞市莞城區(qū)和南城區(qū)。其中莞城是老城區(qū)，面積約11.3 km2，人口約17.38萬，人口密度較大，城市化程度高，城區(qū)土地利用類型基本為住宅用地，排水體制為合流制占主導(dǎo)，管線總長約234.1 km；南城為新城區(qū)，面積約58.4 km2，人口約31.01萬，人口密度較莞城區(qū)小且空間差異大，靠近莞城區(qū)城市化程度高，南部多為果園林地，排水體制為分流制占主導(dǎo)(占98%)，管線總長約789.7 km。

2) 技術(shù)方法路線：如圖1所示，首先建立數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)字高程模型、土地利用類型、水文參數(shù)、管道普查數(shù)據(jù)等；其次由數(shù)據(jù)庫結(jié)合GIS和SWMM劃分匯水區(qū)，建立管道模型，完成水力模型的構(gòu)建；然后對建立的模型進(jìn)行校核和暴雨情景設(shè)定，針對模型模擬結(jié)果，進(jìn)行內(nèi)澇點(diǎn)的空間分布、管道承載力及淤積模擬的評價(jià)分析；最后給出內(nèi)澇成因總結(jié)和整治方案，并對整治方案進(jìn)行優(yōu)化模擬。

3) SWMM建模結(jié)果：基于莞城和南城1 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析中的水文模塊分別劃分莞城和南城的匯水區(qū)。在匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，在SWMM中進(jìn)行匯水區(qū)調(diào)整，檢查連通性，排除逆坡及管網(wǎng)不通等問題，輸入降雨驅(qū)動數(shù)據(jù)并添加雨量站，最終劃定南城和莞城的匯水區(qū)。圖 2為南城和莞城的SWMM建模結(jié)果。其中，南城共289個匯水區(qū)，289個管道節(jié)點(diǎn)，292條排水管道，1個雨量站點(diǎn)，48個排水口；莞城共126個匯水區(qū)，185個管道節(jié)點(diǎn)，307條排水管道，1個雨量站，18個排水口。

圖1 SWMM構(gòu)建及排水管網(wǎng)承載力評價(jià)與優(yōu)化流程圖

圖2 南城和莞城匯水區(qū)劃分及SWMM模型

三、排水管網(wǎng)承載力評價(jià)

根據(jù)研究區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，排水管網(wǎng)大多只達(dá)到一年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，舊城區(qū)未改造的排水管網(wǎng)低于一年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)只有0.5年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。本文按照平均狀態(tài)(一年一遇情景)對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)承載力進(jìn)行模擬和評價(jià)。

1. 承載力分析與評價(jià)

(1) 典型管道選取指標(biāo)

① 由于支管較多，選擇南城和莞城的主要管道作為試點(diǎn)分析；② 選擇附近都出現(xiàn)過內(nèi)澇點(diǎn)的干管；③ 干管服務(wù)區(qū)要盡可能大。綜合以上3點(diǎn)指標(biāo)，南城排水管網(wǎng)概化為292條主要管道，選擇其中29條主要管道來衡量南城排水能力，1、2、3號為主干管(如圖 3所示)，其他為支管，其中1號干管附近在一年一遇情景下內(nèi)澇較為嚴(yán)重。莞城排水管網(wǎng)概化為137條主要管道，由于是老城區(qū)，排水設(shè)施陳舊，支管較多，選取1、2、3主要管道衡量莞城排水管網(wǎng)承載力，其中1號管北段、2號管南段及3號管南段附近在一年一遇情景下都有涉及內(nèi)澇情況，且服務(wù)面積相對較大。

圖3 南城和莞城排水管網(wǎng)概化及承載力分析試點(diǎn)分布圖

(2) 排水管承載力評價(jià)

圖 4(a)、(c)、(e)給出了南城1、2、3號管在一年一遇情景下管道充滿度情況。從圖中可以看出南城主干管可以輕松應(yīng)對一年一遇降雨情景，并未出現(xiàn)過載情況，且管道剩余空間非常充足，未出現(xiàn)任何過載管段和雨水井滿溢現(xiàn)象，也說明在歷史統(tǒng)計(jì)中出現(xiàn)的內(nèi)澇現(xiàn)象可能是由支管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或地形等因素造成的。

圖4 南城和莞城主干管(1、2、3號管)在一年一遇情景下充滿度情況

圖 4(b)、(d)、(f)給出了莞城1、2、3號管在一年一遇情景下管道充滿度情況。管道在一年一遇情景下已出現(xiàn)不同程度的滿載，且管道管徑較小，其整體充滿度較高。同時(shí)結(jié)合其他主要管道承載力分析可知，莞城排水管網(wǎng)系統(tǒng)基本可應(yīng)對一年一遇暴雨，但總體主干管的充滿度較高，存在部分現(xiàn)滿載，尤其是3號管出現(xiàn)多段滿載、多個雨水井滿溢。說明在老城區(qū)，由于管道規(guī)劃不合理、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低及地形等因素，管道系統(tǒng)的功能不能較好體現(xiàn)，內(nèi)澇情況較南城嚴(yán)重。

2. 排水管道淤積情景模擬與評價(jià)

管道淤積往往是誘導(dǎo)內(nèi)澇發(fā)生的又一重要因素，淤積因設(shè)計(jì)缺陷、施工不規(guī)則、日常養(yǎng)護(hù)不力及公民自覺意識不夠等造成。受限于淤積資料的缺乏，本文以人為縮小管徑的方式假設(shè)管道被淤積，在一年一遇情景下，僅模擬主干管淤積一半情景下內(nèi)澇的發(fā)生狀況。

圖 5和圖 6給出了南城和莞城部分主干管淤積假設(shè)前后內(nèi)澇點(diǎn)分布及管道充滿度圖。南城在一年一遇情景下淤積前現(xiàn)6個內(nèi)澇點(diǎn)，淤積后內(nèi)澇點(diǎn)在北部原內(nèi)澇點(diǎn)附近增加2處(圖 5(a)、(c))，且淤積后上游管道充滿度較淤積前有大幅增加、滿載管點(diǎn)增多(圖 5(b)、(d))；莞城在一年一遇情景下淤積前現(xiàn)8個內(nèi)澇點(diǎn)，淤積后內(nèi)澇點(diǎn)增加2處(圖 6(a)、(c))， 且淤積后上游管道充滿度也較淤積前有大幅增加，但下游管道受上游淤積影響充滿度有所降低(圖 6(b)、(d))。

圖5 主干管淤積假設(shè)前后南城內(nèi)澇點(diǎn)分布(上)及主干管充滿度圖(下)

圖6 主干管淤積假設(shè)前后莞城內(nèi)澇點(diǎn)分布(上)及主干管充滿度圖(下)

四、內(nèi)澇成因分析及整治模擬優(yōu)化

1. 內(nèi)澇點(diǎn)特征總結(jié)

1) 內(nèi)澇易發(fā)區(qū)域多位于居民區(qū)，尤其莞城的內(nèi)澇黑點(diǎn)多出現(xiàn)在居民區(qū)，多是受地形因素影響，如漏斗地形等。部分居民區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)則是由于地表排水口不足、排水不及時(shí)導(dǎo)致的。

2) 通過多情景研究表明，隨著降雨級別的提升，內(nèi)澇的嚴(yán)重程度也逐漸加深。在五年一遇降雨情形下，除了地形因素外，大部分的內(nèi)澇點(diǎn)是由于管道管徑小、排水能力不足導(dǎo)致的。而十年一遇以上情景下，南城和莞城區(qū)排水系統(tǒng)基本癱瘓，尤其是居民區(qū)。

3) 另外，南城和莞城內(nèi)澇原因還具有不同之處。南城內(nèi)澇多因地形導(dǎo)致(如漏斗地形)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、地表排水口不足排水不及時(shí)導(dǎo)致的。莞城除以上原因外，老城區(qū)管網(wǎng)設(shè)施陳舊、規(guī)劃偏低，布局混亂，地表排水口少且管徑小，增加了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，使得莞城內(nèi)澇較南城嚴(yán)重。

2. 內(nèi)澇整治方案設(shè)定與模擬優(yōu)化

本文內(nèi)澇整治方案設(shè)定與優(yōu)化時(shí)，以水力模型驅(qū)動數(shù)據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏低因素為切入點(diǎn)，進(jìn)行管徑增加方案的設(shè)定和優(yōu)化。選擇內(nèi)澇均因下游管道過細(xì)的兩段管道，模擬中擴(kuò)大下游管徑進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化方案為：將南城一處內(nèi)澇點(diǎn)下游3段管徑由1 m、1.2 m、1.2m分別擴(kuò)大為1.5 m，將莞城一處內(nèi)澇點(diǎn)下游3段管徑由0.6 m、0.8 m和1 m分別擴(kuò)大為1 m、1.2 m和1.2 m(如圖7、圖8所示)。

優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，南城優(yōu)化前有多段管道現(xiàn)滿載，優(yōu)化后整體管道充滿度得到很大程度的改善，只出現(xiàn)一個積水點(diǎn)，且該積水點(diǎn)下游管道并未出現(xiàn)滿管現(xiàn)象。莞城優(yōu)化前的滿載管點(diǎn)通過優(yōu)化后均消失，而該管段周圍的3個內(nèi)澇點(diǎn)全部得到改善。表明了因設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低問題導(dǎo)致的內(nèi)澇現(xiàn)象可以通過擴(kuò)大管徑改善。但其他涉及地形、排水口不足問題的內(nèi)澇點(diǎn)還應(yīng)因地制宜，尋求最佳整改方案。

圖7 南城一內(nèi)澇點(diǎn)下游管徑擴(kuò)大前后管段充滿度情況

圖8 莞城一內(nèi)澇點(diǎn)下游管徑擴(kuò)大前后管段充滿度情況

五、結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于GIS和SWMM的城市排水管網(wǎng)水力模型，評價(jià)了東莞市具有代表性的新舊城區(qū)(南城和莞城)排水管網(wǎng)承載力現(xiàn)狀，討論了在一年一遇情景下管道承載力、內(nèi)澇點(diǎn)空間分布、管網(wǎng)淤積模擬及內(nèi)澇整治優(yōu)化的效果。該研究為建立東莞市排水防汛、內(nèi)澇預(yù)報(bào)與整治研究提供了輔助決策支持平臺，為深入研究全市排水管網(wǎng)承載力和提高城市水環(huán)境提供了引領(lǐng)示范和有益參考。在下一步的工作中，將考慮基于云服務(wù)平臺的視頻水位監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合云平臺的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)校核模型，彌補(bǔ)國內(nèi)排水管網(wǎng)水力模型研究中校核數(shù)據(jù)匱乏的缺陷，以提高模型精度，更好地服務(wù)于城市內(nèi)澇預(yù)警決策支持。

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