趙庚潤,李路,劉新成

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海200061)

城市民防工程內(nèi)澇風(fēng)險研究

趙庚潤,李路,劉新成

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海200061)

為研究上海五角場區(qū)域地下民防工程對城市內(nèi)澇積水的防御能力,本文建立了內(nèi)澇模型,計算得出了該區(qū)域在不同降雨重現(xiàn)期下的積水范圍和深度,并對區(qū)域內(nèi)50個民防站點在不同降雨重現(xiàn)期下的內(nèi)澇進水情況進行了分析.結(jié)果表明,城市地下空間的進水重現(xiàn)期除受自身的高程、高差影響外,還與周圍地勢和排水條件密切相關(guān).不考慮安全余量的情況下,五角場區(qū)域民防站點進水重現(xiàn)期普遍較高.隨著安全余量的增加,民防站點進水重現(xiàn)期普遍有所下降,不同站點對安全余量增加的敏感程度有一定差異.

民防工程;內(nèi)澇模型;內(nèi)澇風(fēng)險;受澇重現(xiàn)期

0 引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展,城市地面空間日益緊缺,各類城市地下空間正以驚人的速度快速發(fā)展,大型地下商場、地下車庫、越江隧道、地鐵、民防設(shè)施等地下設(shè)施數(shù)量與日俱增.2016年,上海地下空間中民防工程使用面積已達到1 322萬m2[1].同時在全球氣候變化的大趨勢下,近年來極端暴雨事件和內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),給人民群眾帶來了嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失,嚴(yán)重影響了城市安全運行.據(jù)統(tǒng)計,2007—2015年,全國超過360個城市遭遇了不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害[2].在各大城市遭遇嚴(yán)重內(nèi)澇時,地下空間出現(xiàn)進水受災(zāi)的情況也時有發(fā)生. 2005年“麥莎”臺風(fēng)期間上海市78處地下空間被淹;2008年7月4日北京地鐵5號線崇文門站因暴雨導(dǎo)致進水,造成部分線路停運;2010年5月16日廣州地鐵2號線磨碟沙站附近因連續(xù)暴雨導(dǎo)致隧道進水,造成整條線路停運6 h[3].相對于地面建筑,地下空間進水受淹失效的概率雖然相對較低,但一旦受災(zāi)損失大、災(zāi)后恢復(fù)難.目前我國正處于地下空間開發(fā)利用的初步階段,系統(tǒng)的研究地下空間應(yīng)對極端降雨的防御能力,并針對薄弱環(huán)節(jié)進行科學(xué)有效的改進,可大大提高地下空間應(yīng)對內(nèi)澇的防御能力,減輕和控制內(nèi)澇災(zāi)損,對保障社會經(jīng)濟安全和持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義.

日本是開發(fā)城市地下空間較早、技術(shù)較為成熟的國家之一,其對地下空間的內(nèi)澇災(zāi)害研究及防治方面處于國際領(lǐng)先地位.Komaki[4],Nishimural[5]分別針對日本地鐵和地下商場提出了對應(yīng)的防洪措施.Tachi等[6]對地下空間進水過程中樓梯處水流進行了物理實驗. Dutta等[7]分析了日本福岡地區(qū)地下空間洪水特點,采用2D洪水?dāng)U散模型模擬了地下空間進水量并得出了進水速度與地面積水深度的關(guān)系.我國對地下空間防汛風(fēng)險的研究正處于起步階段,對地下空間的防汛風(fēng)險的分析主要采用指標(biāo)體系法,研究了地下空間災(zāi)害評價的理論與方法[3,8],并針對地下空間提出了防汛減災(zāi)措施建議[9-10].水文水力學(xué)模型與仿真模擬法基于明確的物理機理,能模擬內(nèi)澇成災(zāi)的整個過程,計算精度高、結(jié)果合理,但此方法對數(shù)據(jù)量要求較大,計算較為復(fù)雜,一般應(yīng)用于小尺度范圍的研究.城市內(nèi)澇導(dǎo)致地下空間進水受災(zāi)是一個十分復(fù)雜的過程,包括降雨、地表匯流、排水系統(tǒng)排水、路面積水、地下空間進水等過程,其中對路面積水位置和積水深度的準(zhǔn)確把握是研究的關(guān)鍵.單獨的路面積水模型只能反映地坪高程的高低導(dǎo)致的積水[11],且單獨的排水系統(tǒng)模型僅能模擬積水點的位置,不能考慮管道溢流到路面后積水向低洼路段輸運的過程,因此完整的內(nèi)澇模型應(yīng)將上述兩個模型進行耦合.解以揚等基于平面二維非恒定流的基本方程和無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格模擬道路積水情況,采用一維非恒定流方程計算地下排水管網(wǎng)內(nèi)的水流,并通過連續(xù)方程的源匯項控制實現(xiàn)地下排水管網(wǎng)與地面單元的水量交換,研制了模擬城市暴雨內(nèi)澇積水的數(shù)學(xué)模型[12].

本文基于DHI的MIKE FLOOD建立了上海五角場地區(qū)的內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型,計算得出了在不同降雨重現(xiàn)期下路面的積水范圍和深度.并根據(jù)研究區(qū)域典型地下空間出入口與路面的高差,確定地下空間進水對應(yīng)的降雨重現(xiàn)期,得到地下空間受澇的概率.

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

本研究以上海市商業(yè)中心之一五角場地區(qū)為例,研究民防工程地下空間進水受澇的概率.選取五角場附近北至虬江南至東走馬塘形成的封閉水系區(qū)域作為研究區(qū)域,暴雨期除降雨外無外界水進入研究區(qū)域.該區(qū)域排水系統(tǒng)為雨、污合流制,由五角場、營口、四平、復(fù)旦大學(xué)和二軍大5個強排系統(tǒng)組成.五角場系統(tǒng)雨水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇(單小時降雨51 mm),其余排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均為1年一遇(單小時降雨36 mm).區(qū)域內(nèi)雨水管干管管徑為Φ200～Φ700,建有五角場泵站、四平泵站和國順東泵站3座雨水泵站,總流量為41.20 m3/s.鑒于研究區(qū)域內(nèi)復(fù)旦大學(xué)系統(tǒng)為獨立系統(tǒng),營口系統(tǒng)內(nèi)黃興公園的降雨均匯入公園內(nèi)湖,因此研究區(qū)域?qū)⒃搩商巺^(qū)域予以扣除.研究范圍如圖1所示,研究區(qū)域面積為6.29 km2.

根據(jù)2013年實測地面高程資料(測點密度為20～30 m)[13],研究區(qū)域地形高程如圖1所示.平均高程約3.5 m(吳淞高程,下同),西南側(cè)區(qū)域的地勢總體上相對較低,部分區(qū)域的路面高程不足2.5 m.東側(cè)和南側(cè)部分區(qū)域地勢相對較高,路面高程在4 m以上.

圖1 區(qū)域地形圖及區(qū)域地表匯流模型范圍Fig.1 Topography and concentration range of the study area

研究區(qū)域內(nèi)共有50個民防站點,位置分布如圖2所示.每個站點共有人行、通風(fēng)井、機動車和非機動車4種類型出入口若干個,共計277個.除個別站點位于地勢較高的區(qū)域路面高程超過4.4 m外,其他大部分民防站點所在道路的地坪高程集中在3.4～4.0 m.各站點出入口最小高差均超過30 cm,大部集中在35～45 cm.

圖2 研究區(qū)域民防站點位置和現(xiàn)狀出入口最小高差Fig.2 Locations and minimum elevation diff erences of the civil defense projects

1.2研究方法

本文中地形數(shù)據(jù)采用2013年實測地形數(shù)據(jù),測點間隔為20～30 m;管網(wǎng)數(shù)據(jù)采用2011—2012年排水系統(tǒng)普查資料,管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息包括各個雨水檢查井坐標(biāo)底高程和頂高程,以及雨水管管徑和進出口高程.基于上述基礎(chǔ)資料,采用MIKE URBAN和MIKE 21模型分別建立了五角場區(qū)域的雨水管網(wǎng)模型和區(qū)域地表匯流模型,利用MIKE FLOOD平臺將兩個模型進行耦合計算.

鑒于現(xiàn)階段該區(qū)域?qū)崪y積水資料相對較為匱乏,本文僅收集到了2013年“913”暴雨期間實測五角場附近雙陽氣象站降雨過程,以及國順東路黃興路和淞滬路翔殷路積水測點的實測積水過程(站點位置見圖1),具體如圖3所示.從率定結(jié)果可以看出,在國順東路黃興路積水測點處,模型計算的過程最大積水深度為20 cm,與實測結(jié)果一致,且模擬的最大積水的出現(xiàn)時間也與實測數(shù)據(jù)符合良好(圖3(b)),計算值與實測值的均方根誤差為0.061.在淞滬路翔殷路積水測點處,整個計算過程中均未出現(xiàn)積水,與實測資料一致.這表明建立的數(shù)學(xué)模型可較好地反映研究區(qū)域的積水變化過程,可用于研究區(qū)域的內(nèi)澇積水模擬.

圖3 2013年“913”暴雨期間雙陽氣象站實測降雨過程(a)和國順東路黃興路積水過程驗證(b)Fig.3 The observed rainfall distribution at the Shuangyang Station(a)and the comparison of the observed and modeled water depth at the East Guoshun Road and Huangxing Road (b)during the“913”rainstorm in 2013

設(shè)計暴雨雨量采用上海水務(wù)局發(fā)布的《上海市城鎮(zhèn)雨水排水設(shè)施規(guī)劃和設(shè)計指導(dǎo)意見》中提出的修編后的上海市短歷時暴雨強度的公式,具體見公式(1).1963年9月12日至13日,上海市普降暴雨,24 h降雨總量約200 mm,該暴雨在全市層面上均造成了嚴(yán)重的澇災(zāi),因此上海市將“1963.9”暴雨作為區(qū)域除澇的設(shè)計雨型.本研究的設(shè)計雨型基于上海除澇設(shè)計雨型(“1963.9”雨型)最大3 h降雨分布,采用同頻放大法分配降雨過程.即將根據(jù)公式(1)得出的不同重現(xiàn)期的3 h降雨總量做如下分配:同頻1 h降雨量居中做為峰值,剩余雨量根據(jù)“1963.9”雨型峰值前后2 h降雨量比例進行分配.重現(xiàn)期1—1 000年的設(shè)計暴雨過程雨量分布見表1.

其中,i為暴雨強度(mm/min),T為重現(xiàn)期(年),t為降雨歷時(min).

2.1積水區(qū)域及積水重現(xiàn)期

采用建立的研究區(qū)域內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型,分別計算了1年、3年、5年、10年、30年、50年、100年、300年、500年和1 000年10種重現(xiàn)期降雨強度下研究區(qū)域內(nèi)道路積水情況,其中5年、10年、50年、100年、500年和1 000年6種重現(xiàn)期下道路積水范圍和深度見圖4所示.

表1 不同重現(xiàn)期下降雨量分布Tab.1 The rainfall distribution of diff erent return periods

2 結(jié)果分析和討論

圖4 不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)域道路積水范圍和積水深度Fig.4 Ponding locations and depth of diff erent return periods in the study area

暴雨重現(xiàn)期從1年一遇增至1 000年一遇,積水總面積從0.13 km2增至2.65 km2;積水深度超過15 cm的區(qū)域面積從0.02 km2增至1.44 km2;積水深度超過30 cm的區(qū)域面積從無增加至0.48 km2;積水深度超過50 cm的區(qū)域面積從無增加至0.07 km2;平均積水深度從8 cm增至19 cm(見表2).

表2 不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下積水面積和平均積水深度統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the ponding locations and depth of diff erent return periods in the study area

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版),內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)下地面積水應(yīng)滿足:①居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進水;②道路中一條車道的積水深度不超過15 cm[14].根據(jù)上述模型計算結(jié)果,對區(qū)域內(nèi)路面積水深度超過15 cm的區(qū)域進行了統(tǒng)計,具體結(jié)果見圖5和表3.總體上地勢低的區(qū)域以及地下管線管徑較細的路面內(nèi)澇風(fēng)險高;地勢較高的區(qū)域以及地下管徑較粗和泵站附近的路段內(nèi)澇風(fēng)險低.

圖5 研究區(qū)域內(nèi)澇重現(xiàn)期分布圖Fig.5 Diff erent return periods of local flooding in the study area

2.2 民防工程進水概率

根據(jù)研究區(qū)域不同暴雨重現(xiàn)期下路面積水的計算結(jié)果,對各民防站點進水重現(xiàn)期進行了統(tǒng)計,具體統(tǒng)計結(jié)果如圖5和表3所示.在所有50個民防站點中,僅有4個民防站點的進水重現(xiàn)期不足1 000年,占所有站點總數(shù)的8%.其中楊鎮(zhèn)QP1416及QR1395站點進水重現(xiàn)期均低于上海市100年一遇的城市內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)采取適當(dāng)措施保障防汛安全.楊鎮(zhèn)QR1428和QR1404站點的道路地坪標(biāo)高接近全部站點的平均值,但由出入口高差較小,且位于積水嚴(yán)重路段,導(dǎo)致其進水重現(xiàn)期也較小.因此地下空間的進水重現(xiàn)期除了與自身的高程、高差相關(guān)外,還與周圍地勢和排水條件密切相關(guān).

表3 研究區(qū)域不同重現(xiàn)期下內(nèi)澇路段面積及其占路面總面積的百分比Tab.3 Areas and proportions of local flooding in the study area

近年來城市化的加劇導(dǎo)致城市地面發(fā)生一定程度的不均勻沉降,同時考慮到路面積水受車輛等的擾動會出現(xiàn)一定幅度的波動,往往在路面積水深度還未到達出入口高差時,地下空間已經(jīng)出現(xiàn)進水.分別給予5 cm、10 cm、20 cm安全余量,對各站點失效重現(xiàn)期進行敏感性分析,具體見圖6和表4.其中表4僅列出了幾種安全余量下重現(xiàn)期低于1 000年一遇的站點,共21個.

圖6 各民防站點在不同安全余量下的進水重現(xiàn)期Fig.6 Inundated return periods of the civil defense projects with diff erent freeboard magnitudes

表4 各民防站點在不同安全余量下的進水重現(xiàn)期Tab.4 Inundated return periods of the civil defense projects with diff erent freeboard magnitudes

總體上安全余量越高,民防站點的進水重現(xiàn)期就越小.安全余量從無分別增至5 cm、10 cm和20 cm時,區(qū)域內(nèi)進水重現(xiàn)期1 000年以內(nèi)的民防站點個數(shù)從4個分別增至9個、12個和21個,所占百分比分別從8%增至18%、24%和43%.部分站點進水重現(xiàn)期對安全余量增加的敏感性較強,如楊鎮(zhèn)QR1348,當(dāng)安全余量從無增至5 cm、10 cm和20 cm時,站點進水重現(xiàn)期迅速從1 000年以上分別降至100—200年、30—50年和1—2年.

3 結(jié)論

本文建立了上海五角場區(qū)域雨水管網(wǎng)模型和區(qū)域地表匯流模型,并將其耦合計算,得到了不同降雨重現(xiàn)期下該區(qū)域積水范圍和深度,同時計算分析了區(qū)域內(nèi)50個民防地下空間在不同降雨重現(xiàn)期下的內(nèi)澇進水情況.

計算結(jié)果表明:

(1)城市地下空間的進水重現(xiàn)期除受自身的高程、高差影響外,還與周圍地勢和排水條件密切相關(guān),這些因素在地下工程選址過程中應(yīng)予以重視.

(2)五角場區(qū)域內(nèi)民防站點的進水重現(xiàn)期普遍較高,絕大部分在1 000年以上,但楊鎮(zhèn)QP1416及QR1395兩個站點進水重現(xiàn)期低于100年,需采取一定的措施保障防汛安全.

(3)部分地下空間站點對安全余量較為敏感,隨著安全余量的增加,進水重現(xiàn)期迅速降低,在后續(xù)養(yǎng)護管理中應(yīng)重視這些站點的防汛安全并做好防汛應(yīng)急預(yù)案.

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(責(zé)任編輯：李萬會)

Study on the local fl ooding risk in the civil defense projects

ZHAO Geng-run,LI Lu,LIU Xin-cheng
(Shanghai Water Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.,Shanghai 200061,China)

In order to evaluate the defense capability of civil defense projects around the Shanghai Pentangle Square under urban local flooding,an urban local flooding model was built to determine the inundated areas and water depth under different rainfall return periods,and the pluvial flooding risk map was achieved.The inundated return periods of the 50 civil defense projects around the study area were calculated.The results showed that the inundated return period was connected not only with the elevation diff erence but also the topography and drainage condition.The inundated return periods were generally high and decreased as the freeboard increasing,but they showed diff erent sensitivities to the increased freeboard.

civildefense project;localflooding model;localflooding risk;inundated return period

TU99

：A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.04.014

1000-5641(2017)04-0160-08

2016-10-17

2015年上海市青年科技英才揚帆計劃(15YF1411000)

趙庚潤,男,工程師,碩士,主要從事防洪除澇及區(qū)域排水方面研究. E-mail：zhaogengrun@163.com.