[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(tǒng)洪災(zāi)評(píng)估

[冰島]A.O.赫羅德沃斯多蒂爾

摘要：短期強(qiáng)降水可造成大量財(cái)產(chǎn)損失，并對(duì)廢水管理帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。為了評(píng)估冰島雷克雅未克市中心雨污合流排水系統(tǒng)當(dāng)前及未來(lái)可能遭遇的洪水風(fēng)險(xiǎn)，采用MIKE URBAN軟件包對(duì)該區(qū)域的徑流和污水進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明，有必要改善研究區(qū)域污水管道的薄弱環(huán)節(jié)，包括管徑逐步減小、管道坡度平緩或不連續(xù)等。

關(guān)鍵詞：合流制污水管道；溢流；降雨；暴雨；城市排水系統(tǒng)；洪災(zāi)評(píng)估；冰島

1研究背景

由于暖氣流帶來(lái)更多水量，氣溫升高將導(dǎo)致降水強(qiáng)度變大。近年來(lái)，惡劣天氣已造成了多起嚴(yán)重的城市內(nèi)澇事件，如歐洲中部1997年、2002年和2005年及英國(guó)2007年發(fā)生的洪水災(zāi)害。內(nèi)澇對(duì)城市地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生較大影響，特別是可能對(duì)市中心的大量居民和重要服務(wù)設(shè)施帶來(lái)不利影響。通過(guò)徑流模擬進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可為編制應(yīng)急計(jì)劃和優(yōu)先制定防洪措施奠定基礎(chǔ)。研究表明，現(xiàn)有污水管網(wǎng)輸送能力變化較大。例如，2006年研究發(fā)現(xiàn)，大部分排水系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)降雨強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)值40%～60%的情況。2012年有學(xué)者預(yù)計(jì)，在近期(2010～2040年)和遠(yuǎn)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(zhuān)家估計(jì)，當(dāng)降雨增加20%時(shí)，溢流可能成倍增加。因此，研究局部洪水非常重要。

2013年有學(xué)者提出，由于氣候、人口和土地利用變化，城市排水系統(tǒng)應(yīng)具備系統(tǒng)性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，以應(yīng)對(duì)更大的地表徑流。提出的對(duì)策必須具有靈活性、可靠性和可逆性。2007年專(zhuān)家提出，應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行有效綜合管理，以體現(xiàn)排水系統(tǒng)的貨幣價(jià)值。利用池塘、綠色屋頂和透水人行道存儲(chǔ)雨水的可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)(SUDS)，被視為成本低且影響小的解決方案。2012年有學(xué)者提出了一種基于決策支持工具的新地理信息系統(tǒng)(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(zhuān)家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)冰島總降水量將每10 a增加1%。2010年有學(xué)者認(rèn)為，過(guò)去60a來(lái)，雷克雅未克年最大10～60 min降水量沒(méi)有發(fā)生明顯變化。然而，這并不表示未來(lái)降水也不會(huì)發(fā)生變化，尤其是未來(lái)降水還將受到大氣環(huán)流模式改變的影響。2007年有學(xué)者認(rèn)為，冰島降水的年際和年代際變化可能會(huì)阻礙對(duì)降水長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的判斷。

本文以雷克雅未克市政自來(lái)水公共設(shè)施服務(wù)商——雷克雅未克市能源公司(Orkuveita Reykjavikur)的名義，研究洪水災(zāi)害評(píng)估，以及城市排水系統(tǒng)對(duì)降水型式改變和城市開(kāi)發(fā)的敏感性。選擇雷克雅未克市中心為研究區(qū)域，是因?yàn)槠渚哂兄匾姆?wù)功能，且城市持續(xù)開(kāi)發(fā)規(guī)劃有可能給老化的污水管網(wǎng)增加污水量負(fù)荷。本文對(duì)兩種不同類(lèi)型的降水資料進(jìn)行了洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬和比較：①代表現(xiàn)狀的11 a長(zhǎng)系列歷史降雨資料；②根據(jù)幾十年內(nèi)年最大降雨而合成的設(shè)計(jì)暴雨，該設(shè)計(jì)暴雨可解決降雨資料缺乏地區(qū)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。此外，識(shí)別可能引起洪災(zāi)(模擬和觀(guān)測(cè))的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組件，有助于查明其他老化管網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)。

2方法

2.1　徑流和水力模擬

丹麥水力學(xué)研究所基于GIS城市降雨徑流模型，開(kāi)發(fā)出城市管網(wǎng)模型MIKE URBAN，用該模型設(shè)計(jì)了雷克雅未克市污水收集系統(tǒng)，并對(duì)研究區(qū)域面積為1.8 m×1.2 km的污水流量進(jìn)行模擬。特約寧湖(Tjornin Pond)北部區(qū)域地勢(shì)平坦，海拔一般在4 m左右。該區(qū)域主要分布有重要的政府部門(mén)、服務(wù)和文化機(jī)構(gòu)。污水在重力的作用下，從山頂?shù)慕烫?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(xiàn)向東輸送到污水一級(jí)處理設(shè)施。

雷克雅未克能源公司的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)提供管網(wǎng)資料，并輸入到管網(wǎng)模型中。模型包括946根管道(長(zhǎng)46 km)和862個(gè)檢修孔；容量達(dá)8 200 m3。多數(shù)管道建于1950年之前。特約寧湖北部的管道已被更換過(guò)。系統(tǒng)新增了沿重要高速公路南北兩側(cè)走向的雨水專(zhuān)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(qū)域。2座小山交界區(qū)域的主要污水下水道管徑在1 200～1 600 mm范圍內(nèi)變化。過(guò)去20 a內(nèi)，多數(shù)管道增設(shè)了內(nèi)襯，以減少泄漏并提高系統(tǒng)性能。管道加內(nèi)襯后，管徑值并未修正，假設(shè)所有檢修孔直徑為標(biāo)準(zhǔn)l m。只模擬了公共合流制管道或?qū)Ｓ糜晁艿赖牧髁?。模型中未包括?qiáng)降雨期間的生活廢水，因?yàn)槠淞考?jí)在強(qiáng)降雨下可忽略不計(jì)。同時(shí)，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(wǎng)。

城市集水區(qū)可劃分成845個(gè)子單元，依據(jù)單元形狀，被分為矩形、發(fā)散或收斂形。每個(gè)單元都有特定的面積時(shí)間曲線(xiàn)，反映該單元上徑流隨時(shí)間的變化。初始直徑損失默認(rèn)為0.6 mm。用GIS分層計(jì)算每個(gè)分段的綜合徑流系數(shù)(C)：房屋(C=0.9)，公路(C=0.9)，人行道和停車(chē)場(chǎng)(C=0.8)以及可滲透的綠色區(qū)域(C=0.2)。假設(shè)每個(gè)單元的徑流朝著大小適中的鐵格柵自由流動(dòng)，即雨水進(jìn)口不受任何限制。

2.2　模擬方案

2.2.1實(shí)測(cè)降雨系列

歷時(shí)11 a(1998～2008年)、間隔為10 min的降雨自動(dòng)監(jiān)測(cè)值作為模型的輸入，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為實(shí)測(cè)降雨序列(ARS)。由冰島氣象局(IMO)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)。10 min最大雨強(qiáng)為3.7 mm(22 mm/h)，出現(xiàn)在2003年6月18日歷時(shí)1 h的暴雨期間(圖1(a))。相似的10 min雨強(qiáng)也出現(xiàn)在2008年10月6日歷時(shí)10 h的暴雨期間(圖中未顯示)。

在缺乏流量資料情況下，通過(guò)將Ingolfsgata泵站(資料未公開(kāi))處模擬與實(shí)測(cè)的溢流時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。2002年和2003年溢流時(shí)間模擬值同實(shí)測(cè)值的誤差小于5%，這表明模擬值可信，且能代表實(shí)際流量。

2.2.2合成暴雨設(shè)計(jì)

在缺乏長(zhǎng)系列短期降雨實(shí)測(cè)值的情況下， 使用M5方法計(jì)算了雨強(qiáng)-歷時(shí)-頻率曲線(xiàn)(IDF)， 并基于此合成了人工暴雨，用于設(shè)計(jì)冰島污水收集系統(tǒng)。將國(guó)際氣象組織雷克雅未克站水位模擬值(1951～2000年)對(duì)應(yīng)的年最大降雨量，與隨后采用水位自動(dòng)觀(guān)測(cè)的近年最大雨量相結(jié)合，估計(jì)10 a內(nèi)5 a一遇10 min降雨峰值分別為3.3 mm和3.8 mm，相當(dāng)于20 mm/h和23 mm/h，結(jié)果分別見(jiàn)圖1(b)。依據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)指南，芝加哥設(shè)計(jì)暴雨(CDS)是根據(jù)IDF推算得出。CDS基礎(chǔ)資料考慮了1個(gè)140 min的暴雨，它包含了5 a一遇的10min最大雨強(qiáng)。圖1(a)表明，CDS的10 min最大雨量模擬峰值略低于A(yíng)RS模擬值，但雨強(qiáng)值略高，且出現(xiàn)在雨量峰值之前。模擬中，還考慮了時(shí)間步長(zhǎng)更大(20～30 min)，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)(280～420 min)，或者重現(xiàn)期更長(zhǎng)的情況。

圖1　降雨資料

2.2.3降雨變化和城市開(kāi)發(fā)

2010年，有學(xué)者對(duì)雷克雅未克短期年最大降雨趨勢(shì)的初步評(píng)估未得出結(jié)論。因此，CDS-R預(yù)測(cè)方案將降雨強(qiáng)度增加20%，這同2005年模擬預(yù)測(cè)使用的降雨方案一致。同未來(lái)遠(yuǎn)期氣候變化研究成果相比，該方案相對(duì)保守。2012年有科學(xué)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2100年極端降雨強(qiáng)度將增加20%～60%；CDS-D預(yù)測(cè)方案考慮到，模擬區(qū)域若進(jìn)行城市開(kāi)發(fā)，徑流系數(shù)將平均增加20%；CDS-RD預(yù)測(cè)方案綜合考慮了以上因素，即雨量增加20%，徑流系數(shù)增加20%。

2.2.4指標(biāo)和溢流成因

對(duì)120 hm2的模擬區(qū)域進(jìn)行了洪災(zāi)評(píng)估，包括487根管道和444個(gè)檢修孔(見(jiàn)圖2)。洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括4個(gè)指標(biāo)：溢流檢修孔數(shù)量(M)；管道滿(mǎn)流管道數(shù)量(P)，代表管網(wǎng)系統(tǒng)極限容量；地下水位1 m的檢修孔數(shù)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(yù)測(cè)方案計(jì)算了11 a內(nèi)M和M1 m的總數(shù)。圖中顯示了溢流位置，通過(guò)溢流管網(wǎng)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(cái)產(chǎn)損失位置進(jìn)行比較。

圖2　城市排水模型預(yù)測(cè)方案中溢流檢修孔位置

3結(jié)果和討論

3.1　當(dāng)前洪水危害

ARS預(yù)測(cè)了1998～2011年間12個(gè)檢修孔發(fā)生的270 m3地表溢流，溢流檢修孔占總數(shù)的3%。圖2(a)顯示，溢出量(黑圈)主要出現(xiàn)在4個(gè)位置(標(biāo)注1～4)。水位可能達(dá)到地下l m的檢修孔數(shù)量為100，遠(yuǎn)超全溢流的檢修孔數(shù)量，其可能導(dǎo)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(yè)區(qū)域以及東正教會(huì)下坡的街道。白圈直徑表明，水位可能持續(xù)2周，占11 a模擬期間的0.4%。

由降雨或融雪導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失報(bào)道(圖2(a)方塊)顯示，溢流發(fā)生在位置1和位置2，這同ARS模擬預(yù)測(cè)結(jié)果一致，可據(jù)此找出管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。對(duì)于報(bào)道的其他3個(gè)出現(xiàn)財(cái)產(chǎn)損失的地方，ARS未能模擬出。由于只對(duì)公共管網(wǎng)進(jìn)行模擬，無(wú)法預(yù)測(cè)由私人管網(wǎng)問(wèn)題或連接不當(dāng)造成的溢流。2005年的研究表明，私人管網(wǎng)溢流事件遠(yuǎn)超公共污水管網(wǎng)。

3.2　合成暴雨洪水危害

基于CDS模擬預(yù)測(cè)的溢流檢修孔數(shù)量是11 a ARS模擬的2倍多，洪水量也近2倍。這并非是因?yàn)锳RS模擬中缺乏強(qiáng)降雨，相反地，相對(duì)于CDS，ARS中出現(xiàn)了2次最大降雨。CDS模擬預(yù)測(cè)假設(shè)在某一重現(xiàn)期，不同歷時(shí)的最大降雨發(fā)生在相同設(shè)計(jì)降雨事件期間，是一種比較保守預(yù)測(cè)方法，高估了洪水災(zāi)害。

圖2(b)顯示，CDS模擬預(yù)測(cè)的溢流檢修孔位置與ARS預(yù)測(cè)的吻合較好。此外，大約有30%的檢修孔可能出現(xiàn)過(guò)高水位(地下1 m)，而ARS模擬預(yù)測(cè)中只有23%。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，基于CDS暴雨的方法，能反映系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的所在位置。

3.3　降雨變化與城市開(kāi)發(fā)

降雨強(qiáng)度增加20%(或徑流系數(shù))時(shí)，溢流檢修孔數(shù)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(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)段(標(biāo)簽5)，這也是模擬中檢修孔出現(xiàn)洪量增加的位置。高水位下，地下水位1 m的檢修孔數(shù)量和全溢流管道數(shù)量增加了20%～30%。這說(shuō)明城市發(fā)展導(dǎo)致徑流系數(shù)增加20%，在此基礎(chǔ)上，降雨量再增加20%(CDS-RD)，地表基本洪量大約是預(yù)估量(1 600 m3)的3倍(圖2(d))。

3.4　極端降雨歷時(shí)和頻率

在CDS模擬中，若將時(shí)間步長(zhǎng)從10 min增加到30 min，溢流檢修孔數(shù)量和洪水總量迅速下降，與不同歷時(shí)的降雨峰值相對(duì)應(yīng)(圖1(b))。排水系統(tǒng)對(duì)短期強(qiáng)降雨最敏感，尤其是小單元上的短期強(qiáng)降雨。雷克雅未克市中心現(xiàn)有排水管網(wǎng)容量小于當(dāng)前指定要求，即重要商業(yè)和工業(yè)社區(qū)管網(wǎng)10 min最大雨量應(yīng)按20 a一遇的暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)。20 a一遇的10 min降雨下，49個(gè)檢修孔溢流，185根管道滿(mǎn)流，這與降雨量增大20%的5 a一遇預(yù)測(cè)方案一致(CDS-R)。對(duì)5 a一遇洪水進(jìn)行了預(yù)測(cè)，作為居民區(qū)管網(wǎng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.5　系統(tǒng)問(wèn)題診斷

雨污合流制排水系統(tǒng)的溢流在特約寧湖東部，而模擬結(jié)果卻在位置1(見(jiàn)圖2)。溢流發(fā)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(dāng)前最小為0.5%的設(shè)計(jì)要求。管道坡度小加上管徑減少，消減了該段水力負(fù)荷，增加了沉積危害、使管道堵塞以及溢流發(fā)生。模擬溢流位置5出現(xiàn)在管徑229 mm的管段，該管徑小于250 mm最小設(shè)計(jì)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(diǎn)處從超臨界到亞臨界流的轉(zhuǎn)變也會(huì)造成能量損失，導(dǎo)致溢流發(fā)生。

4結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)11 a歷史降雨系列以及不同雨強(qiáng)的合成設(shè)計(jì)暴雨，評(píng)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(fù)荷危害。MIKE URBAN軟件模擬結(jié)果顯示了過(guò)去11 a發(fā)生的溢流情況。污水管道中有3%的檢修孔不能滿(mǎn)足當(dāng)前設(shè)計(jì)要求，在20 a一遇的最大年降雨量情況下，出現(xiàn)溢流情況。CDS模擬結(jié)果顯示了更多的溢流檢修孔，并確認(rèn)了污水系統(tǒng)缺陷的位置。在合成降雨雨強(qiáng)增加20%(或徑流系數(shù)增加20%)的情況下，檢修孔溢流數(shù)量和洪量幾乎加倍。導(dǎo)致管道脆弱的因素是管徑小于規(guī)定的最小直徑250 mm、管道坡度平緩或不連續(xù)以及污水管網(wǎng)下游管徑更小。假設(shè)未來(lái)幾十年降雨量增加，本研究可為制定應(yīng)急計(jì)劃、優(yōu)先制定防洪措施奠定基礎(chǔ)。

邱訓(xùn)平譯

(編輯：李慧)

收稿日期：2015-11-27

中圖法分類(lèi)號(hào)：P338.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081(2016)01-0027-04