劉江濤

(深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，廣東 深圳 518040)

1 引 言

近年來，暴雨內(nèi)澇災害頻發(fā)影響城市運行，引發(fā)全社會廣泛關(guān)注，如何保障城市排水防澇安全成為熱點和難點。我國雨水系統(tǒng)建設(shè)基本沿用蘇聯(lián)模式，以一定標準的暴雨重現(xiàn)期確定排水管理能力，無法對超過管網(wǎng)標準暴雨的災害后果做出科學評估。2016年和2017年，《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版)和《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》陸續(xù)發(fā)布，其中明確要求當匯水面積超過 2 km2時，應(yīng)考慮區(qū)域降雨和地面滲透性能的時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程等因素，采用數(shù)學模型法確定雨水設(shè)計流量，并校核內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期下地面的積水深度等要素[1]。如何利用數(shù)學模型科學評估城市內(nèi)澇災害風險，為城市規(guī)劃建設(shè)和應(yīng)急管理提供技術(shù)支撐，將成為下階段國內(nèi)各大城市內(nèi)澇防治的重點工作。

2 城市排水防澇數(shù)學模型

2.1 城市排水防澇模型概述

城市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)的核心是排水防澇數(shù)學模型建設(shè)(圖1)，其作用是研究降雨作用于城市下墊面后，城市空間雨水的分配形式和運動狀態(tài)，通過計算模擬不同強度暴雨來襲時城市街道路面、草叢土壤、雨水管網(wǎng)等的產(chǎn)、匯流過程，同時將不同重現(xiàn)期的降雨事件與河道不同重現(xiàn)期的水位數(shù)據(jù)進行組合，研究低洼易積水區(qū)域的水量和匯合管道的流量變化，模擬得到城市不同區(qū)域遭遇不同強度暴雨的易積水內(nèi)澇區(qū)域，包括淹水范圍、積水時間和內(nèi)澇點等，以便指導雨水防澇系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)和管理[2]。

圖1 模型模擬計算過程及功能示意圖

2.2 常用模型軟件及對比

城市排水防澇數(shù)學模型雖然在國內(nèi)剛剛起步，但在歐盟、美國、新加坡等國外發(fā)達國家和香港的應(yīng)用已較為廣泛。隨著城市暴雨管理研究越來越深入，國內(nèi)外研發(fā)的城市雨洪管理模型也越來越復雜和全面，但都存在適用性問題，并不存在“萬能”模型。相比較來說，InfoWorks ICM模型和DHI Mike模型、SWMM模型應(yīng)用較為廣泛。三個模型都具備較強的水量、水質(zhì)模擬能力和后期的數(shù)據(jù)分析和處理能力，且廣泛應(yīng)用于實際的規(guī)劃、設(shè)計和管理過程中，可視化程度高，具體比較結(jié)果如表1所示。

SWMM、InfoWorks ICM、DHI Mike模型比較 表1

3 深圳市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)建設(shè)

3.1 模型選擇

深圳市排水防澇模型采用DHI MIKE Flood模型(圖2)，基本實現(xiàn)了一維模型(MIKE URBAN和MIKE 11)和二維模型(MIKE 21)的動態(tài)耦合，可反映管網(wǎng)中水動力學情況，能直觀地表現(xiàn)暴雨期間雨水在地面上的匯流、淹水及退水過程。

圖2 DHI MIKE Flood組成結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

3.2 深圳市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)建設(shè)歷程

深圳市排水防澇數(shù)學模型建設(shè)起步較早，自2014年開始，經(jīng)歷了起步、整合和維護三個階段，基本實現(xiàn)了建成區(qū)的全覆蓋(圖3)，在規(guī)劃管理技術(shù)支撐和輔助決策方面持續(xù)發(fā)揮作用，提升了城市內(nèi)澇基礎(chǔ)設(shè)施精細化規(guī)劃管理水平。

圖3 深圳市排水防澇模型建設(shè)區(qū)域分布示意圖

一是起步階段，初步搭建內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)雛形。2014年，配合全市排水防澇規(guī)劃編制，初步構(gòu)建了全市九大流域的數(shù)學模型。但受限于時間制約，模型的精度、深度、標準待統(tǒng)一。

二是整合階段，基本完成內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)搭建。為充分發(fā)揮排水防澇數(shù)學模型的作用，2016年全市排水防澇數(shù)學模型系統(tǒng)整合工作啟動，全市排水防澇數(shù)學模型基本成型。

三是維護階段，基本實現(xiàn)排水防澇數(shù)學模型的動態(tài)更新。為保證模型的時效性，在2017年開始，全市排水防澇數(shù)學模型系統(tǒng)持續(xù)開展了動態(tài)維護工作。

4 關(guān)鍵問題及解決對策

4.1 關(guān)鍵問題

深圳在過去5年的城市排水防澇數(shù)學模型過程中，遇到了很多問題和困惑，其中的關(guān)鍵問題主要集中在框架體系、數(shù)據(jù)標準、參數(shù)率定和動態(tài)維護四個方面：

(1)關(guān)鍵問題一：如何針對不同層面的管理需求，搭建城市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)框架體系。

(2)關(guān)鍵問題二：如何統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)標準，兼容不同部門模型交互和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

(3)關(guān)鍵問題三：如何開展模型參數(shù)率定，保證模型評估結(jié)果的準確性。

(4)關(guān)鍵問題四：如何開展數(shù)學模型動態(tài)維護，持續(xù)發(fā)揮模型在管理中的作用。

4.2 解決對策

(1)對策一：分級分層，構(gòu)建城市排水防澇模型體系框架

應(yīng)對不同層面的規(guī)劃管理需求，城市排水防澇數(shù)學模型建議按照宏觀、中觀、微觀模型分級分層建設(shè)，由宏觀至微觀系統(tǒng)構(gòu)建城市排水防澇模型體系框架。各層級模型在模型建設(shè)和不同層面管理中的作用和功能如表2所示。各層級模型的空間關(guān)系如圖4所示。

深圳市排水防澇數(shù)學模型構(gòu)架一覽表 表2

圖4 深圳市各層級排水防澇數(shù)學模型空間關(guān)系圖

(2)對策二：統(tǒng)一標準，打通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取和模型交互通道

為打通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取和模型交互通道，有必要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準。建議按照模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息規(guī)范、模型數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一、不同軟件之間的數(shù)據(jù)提取規(guī)則制定等方面開展工作。模型主要由氣象、水文、水力、曲線、地形和參數(shù)模塊組成，建議按照不同類型的模塊建立模型數(shù)據(jù)庫。模型組成數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模型組成數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

ArcGIS軟件作為空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)軟件工具，可作為氣象、水務(wù)等不同部門模型軟件數(shù)據(jù)交互的橋梁以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集提取的抓手。以AutoCAD數(shù)據(jù)提取為例，利用ArcGIS軟件中Extract-Transform-Load(ETL)——提取-轉(zhuǎn)化-導入功能將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS格式數(shù)據(jù)，從而讀取進入模型軟件，如圖6所示。

圖6 Arcgis軟件數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換流程示意圖

(3)對策三：因地制宜，合理制定模型參數(shù)率定方案

模型的參數(shù)率定主要包括三部分工作，即不確定參數(shù)的歸類、參數(shù)靈敏度分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測及模型率定，率定過程包括率定參數(shù)確定、率定約束函數(shù)、搜索群-率定參數(shù)和率定評估方法確定等。監(jiān)測方案的制定應(yīng)遵循以下原則：土地開發(fā)基本完成，下墊面、城市豎向等情況不會有大的變化；排水管網(wǎng)升級、河道改造等基本完成，城市排水條件不會有大的變化；盡量安排在小流域，控制監(jiān)測的預算；兼顧土地利用多樣性，監(jiān)測數(shù)據(jù)要有代表性。以新洲河流域為例，基于以上原則，在典型匯水區(qū)的入水口，放置流量計；在主要管網(wǎng)放置流量計和液位計；在主要的排放口放置液位計；在主要歷史澇點放置液位計[3]。新洲河流域監(jiān)測方案示意圖如圖7所示。

圖7 新洲河流域監(jiān)測方案示意圖

(4)共建共享，協(xié)同制定模型動態(tài)維護規(guī)則

為保證城市排水防澇模型的時效性并持續(xù)發(fā)揮作用，建議開展三方面工作：

一是要保證固定的資金投入以支持模型的動態(tài)維護工作。維護工作包括數(shù)學模型中的現(xiàn)狀、規(guī)劃數(shù)據(jù)和評估結(jié)果等內(nèi)容，深圳市排水防澇模型動態(tài)維護技術(shù)路線如圖8所示。

圖8 深圳市排水防澇模型動態(tài)維護技術(shù)路線

二是要建立水務(wù)、規(guī)劃、氣象、應(yīng)急等相關(guān)部門共建共享的協(xié)作機制，實現(xiàn)降雨、排水設(shè)施及管網(wǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享，并共同維護排水防澇模型，為模型的可靠性及實效性提供保障。

三是要充分發(fā)揮模型評估在管理中的作用，輔助各主管部門對城市雨水防澇規(guī)劃及建設(shè)的評估和決策，包括結(jié)合氣象預報發(fā)布內(nèi)澇預警、應(yīng)用在水務(wù)部門的排水設(shè)施建設(shè)和內(nèi)澇整治中，在實際應(yīng)用中逐步完善[4]。

5 結(jié) 語

近年來“城市看?！背蔀槌鞘胁〉闹饕“Y之一，受到全社會廣泛關(guān)注，城市內(nèi)澇風險已成為威脅城市安全的重要因素，如何構(gòu)建應(yīng)對有效的城市內(nèi)澇風險管理體系是國內(nèi)各大城市面臨的主要問題。本文以四個關(guān)鍵問題及解決對策為切入點，系統(tǒng)總結(jié)了深圳市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗?？偨Y(jié)來看，城市內(nèi)澇災害評估系統(tǒng)的建設(shè)是一項長期持續(xù)性工作，其基礎(chǔ)在數(shù)據(jù)、核心在模型、關(guān)鍵在應(yīng)用、保障在機制，需要規(guī)劃、建設(shè)、水務(wù)、氣象、應(yīng)急等多部門共建共享共管。