董磊

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

南方某特大城市主城區(qū)排水防澇能力評估研究

董磊

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

在對南方某特大城市主城地形地貌、氣象水文、排澇設施現(xiàn)狀進行調研的基礎上，采用Infoworks ICM水力模型進行排水管網一維（1D）模擬，評估不同重現(xiàn)期降雨情況下現(xiàn)狀雨水管渠的排水能力。同時，基于GIS技術構建主城數(shù)字高程模型（DEM），利用1D排水管網模型耦合和二維（2D）地表漫流模型，分析確定50 a一遇24 h設計雨型工況下的內澇淹沒范圍形成風險分布圖，并分析內澇成因，提出規(guī)劃方案指導排水防澇設施的建設和管理，確保在遭遇臺汛威脅時最大程度減輕災害。

排水防澇；模型；雨型；內澇重現(xiàn)期

0　引言

隨著南方某特大城市（以下簡稱“該市”）城市化進程的不斷加快，大量土地用地性質發(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，致使降雨產流時間縮短、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)，該市遭遇內澇災害的情況時有發(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、管涌等嚴重險情43處，造成直接經濟損失7.8億元。2008年8月2日，受臺風“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，受災人口9.36萬人，直接經濟損失1.88億元……

為了徹底解決城市內澇，2013年3月，國務院辦公廳發(fā)布了關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知：提出力爭用10年左右的時間，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，對該市防汛減災工作和城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義和促進作用。

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、商貿、科技、信息、綜合管理等高端服務職能為主。

1.1地形地貌

該市地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚丘陵地區(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

該市地處長江下游，屬亞熱帶季風型氣候，空氣濕潤，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月是受臺風影響的秋雨期，平均降雨量為205.4 mm，三期的雨量占全年雨量的70.6%。

1.3排澇設施現(xiàn)狀

主城建成區(qū)敷設了較為完備的雨水管網，多數(shù)就近自排入河，主干雨水管道總長約 1 093 km，約有893個排放口。主城區(qū)現(xiàn)有河道110條，共計247.2 km?，F(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)狀排水能力評估

2.1評估方法

采用Infoworks ICM建立排水管網一維水力模型進行仿真模擬，評估不同重現(xiàn)期降現(xiàn)狀雨水管渠的排水能力。

我國傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設計時管道內流態(tài)按滿管均勻流考慮，計算設計流量時的設計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的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當出現(xiàn)超載狀態(tài)時，可認為管段流量超過設計能力。因此，在評估中，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重現(xiàn)期標準。

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，并標識處各管段的重現(xiàn)期標準，繪制該市主城雨水管道重現(xiàn)期頻率分布圖。

2.2評估邊界條件

（1）設計暴雨

采用2014年2月發(fā)布的該市中心城區(qū)短歷時暴雨強度公式：

式中：i為設計暴雨強度（mm/min）；t為降雨歷時（min）；P為重現(xiàn)期（a）。

短歷時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)計暴雨雨峰位置，最終確定短歷時雨峰位置取0.5，暴雨重現(xiàn)期分別取1a、3 a、5 a一遇，降雨歷時為3 h。

（2）產匯流模型

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

（3）內河水位

內河水位值參考該市城防辦《2012年防汛手冊》和該市城區(qū)防汛遙測指揮系統(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.內金川河系統(tǒng)：水位8.50 m；

c.西北護城河：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評估結果

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

表1是根據(jù)圖1統(tǒng)計分析的結果，對照《室外排水設計規(guī)范》(2014版），該市雨水管渠的設計重現(xiàn)期為3 a一遇，以此為標準，主城雨水管渠的不達標率為31%，建成區(qū)管渠改造涉及面廣，實施難度大，應結合今后道路改造工程逐步實現(xiàn)提標。

圖1　該市主城現(xiàn)狀雨水管網頻率分布圖

表1　該市主城現(xiàn)狀雨水管網排水能力評估分析表

3　內澇風險評估[1-4]

3.1評估方法

該市主城的內澇防治標準為50 a一遇，利用1D排水管網模型耦合和二維（2D）地表漫流模型，采用情景模擬評估法進行內澇風險評估，分析確定50 a一遇24 h設計雨型工況下的內澇淹沒范圍。風險評估指標主要考慮模擬結果中積水深度與積水流速進行危險指數(shù)評價，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)計算的內澇風險指數(shù)，結合城市區(qū)域重要性和敏感度，城市內澇風險等級劃分如下所示：

（1）HR＜0.75非敏感區(qū)域，為內澇低風險區(qū)；

（2）0.75≤HR＜1.25的非敏感區(qū)域及HR＜0.75敏感區(qū)域，為內澇中風險；

（3）0.75≤HR＜1.25的敏感區(qū)域及HR≥1.25的區(qū)域，為內澇高風險區(qū)。

其中敏感區(qū)域包括：行政中心、交通樞紐、通信樞紐、學校、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評估邊界條件

（1）設計雨型

根據(jù)1978年至2013年該市行政轄區(qū)內的12個自記雨量站的暴雨資料，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，綜合短歷時暴雨強度公式和水利部門長歷時暴雨水文分析成果，獲得該市50 a一遇24 h設計雨型見圖2。

圖2　該市50 a一遇24 h設計雨型

（2）DEM數(shù)字高程模型

基于GIS技術，對主城1∶500地形圖進行解析運算，構建出主城3D數(shù)字高程模型（DEM），為1D排水管網模型和二維（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）可準確直觀的看出該市地面高程特征：主城地勢起伏較大：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評估結果

1D排水管網模型和二維（2D）地表漫流模型耦合，采用50 a一遇長歷時降雨情景進行動態(tài)模擬，獲取積水區(qū)域的積水深度、積水流速、積水范圍和淹沒時間等信息，內澇風險分布見圖4。

根據(jù)圖4，該市主城區(qū)內澇高風險區(qū)面積約3.41 hm2，與近3年實際淹水點位基本一致，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。內澇中風險區(qū)面積約5.41 km2，包括玄武區(qū)政府門口、揚子江大道與鄭和南路交匯處、白宮大酒店門口、水關橋高架下拐彎處、行建路消防總隊門口等處，內澇低風險區(qū)面積約17.79 km2，主要為沿江河地勢低洼區(qū)。

圖4　該市主城內澇風險分布圖

4　內澇成因分析

根據(jù)現(xiàn)狀排水能力評估和內澇風險評估的結果，結合該市主城歷史內澇災害實際情況，分析造成內澇的成因如下：

（1）城市化進程引起徑流量大幅增加，上游的問題轉嫁至下游；

（2）現(xiàn)狀排水設施設計標準偏低，排澇能力不足；

（3）用地豎向設計缺乏統(tǒng)籌，地勢低洼區(qū)強排能力不足；

（4）河道侵占和淤積現(xiàn)象嚴重，排水不暢；

（5）部分地區(qū)尚處于開發(fā)建設時期，排澇系統(tǒng)不完善；

（6）河道、泵站及管網缺乏養(yǎng)護管理，效率低下。

5　結論與建議

根據(jù)內澇防治標準，結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澇，從單純排水向綜合防澇轉變，嚴格徑流控制和用地豎向控制，建立綠色（低影響開發(fā)理念）與灰色基礎設施（傳統(tǒng)管渠、泵站等排水設施）相結合的生態(tài)排水體系。

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

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，對于相同的設計重現(xiàn)期，改造后的徑流量不應超過改造前的徑流量，不增加已建排澇設施的額外負擔。

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

[1]上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,《城鎮(zhèn)內澇防治技術規(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)內澇重現(xiàn)期校核[J].中國給水排水,2014,30(15):155-158.

[4]張書函,丁躍元,陳建剛.德國的雨水收集利用與調控技術[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，從事排水工程設計工作。