劉曾美，熊腮敏，雷 勇，胡海英

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640；3.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 511430)

近年來，在全球氣候變化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展背景下，城市災(zāi)害性暴雨事件頻發(fā)，城鎮(zhèn)內(nèi)澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1-3]。通常，城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治采用市政排水和水利排澇兩級排澇模式。市政排水承擔(dān)城市小區(qū)、街道等小區(qū)域的澇水排除，將澇水排入城市內(nèi)河網(wǎng)；水利排澇負(fù)責(zé)較大區(qū)域暴雨澇水和市政雨水匯集的澇水排除，將城市內(nèi)河網(wǎng)的澇水排至區(qū)域外。在澇水排除過程中，兩級排澇模式必然存在銜接問題[4]。市政排水與水利排澇的能力取決于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均用暴雨重現(xiàn)期表示，因此，要解決兩級排澇的銜接問題，必須先解決兩級排澇的暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)銜接問題。

關(guān)于市政排水與水利排澇的暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)銜接研究可以歸納為3類：①根據(jù)不同暴雨取樣方法得到重現(xiàn)期銜接關(guān)系[5-7]，針對的是相同歷時暴雨，不能反映市政排水的暴雨歷時與水利排澇的暴雨歷時不同可能導(dǎo)致的差異。②從不同歷時暴雨形成的流量角度得到兩級暴雨重現(xiàn)期銜接關(guān)系[8-11]，如陳鑫等[8]基于SWMM(storm water management model)研究城市排澇與排水體系的重現(xiàn)期銜接關(guān)系；黃國如等[9]基于城市綜合流域排水模型研究市政排水與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接關(guān)系；李永坤等[10]用推理公式法、綜合單位線法研究北京馬草河市政排水與水利排澇的銜接關(guān)系；李連文[11]基于MIKE模型研究水利排澇與市政排水的銜接關(guān)系，但同一區(qū)域相同暴雨形成的流量會因下墊面條件而改變，從而導(dǎo)致銜接關(guān)系改變。③從兩個標(biāo)準(zhǔn)所關(guān)注的不同歷時暴雨之間的關(guān)系出發(fā)，分析得出市政排水與水利排澇設(shè)計暴雨重現(xiàn)期的銜接關(guān)系，如謝華等[12]認(rèn)為水利排澇系統(tǒng)的設(shè)計暴雨必須以市政排水設(shè)計的短歷時雨量作為其峰值雨量；劉俊等[13]從最大 1 h 雨量不超過設(shè)計雨量的降雨過程中得到最大 24 h 雨量，其重現(xiàn)期即為相匹配的水利排澇標(biāo)準(zhǔn)；楊星等[14]研究了在滿足河道設(shè)計排澇條件下發(fā)生超過管道排水安全要求的破壞概率，以此作為標(biāo)準(zhǔn)銜接的依據(jù)；陳慶沙等[15]考慮在管道正常排水條件下，河道澇水以一定的概率影響管道正常排水，并以該破壞風(fēng)險確定與管網(wǎng)排水相銜接的河道排澇標(biāo)準(zhǔn)；陳子燊等[16]基于二次重現(xiàn)期方法推算了與市政排水歷時(1 h)設(shè)計暴雨相銜接的最大6 h、12 h、24 h設(shè)計暴雨分位值；賈衛(wèi)紅等[17]通過研究與除澇歷時暴雨相應(yīng)的排水歷時暴雨的頻率分布，用與除澇標(biāo)準(zhǔn)同頻率的相應(yīng)排水歷時暴雨在年最大系列中的重現(xiàn)期，作為與除澇標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系。以上研究從不同視角研究了市政排水歷時暴雨與水利(河道)排澇(除澇)歷時暴雨的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)銜接關(guān)系，但兩級排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接會帶來怎樣的風(fēng)險，以及如何揭示市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接所帶來的風(fēng)險，這些問題有待進(jìn)一步深入研究。

鑒于此，本文通過剖析市政排水與水利排澇銜接的本質(zhì)，揭示市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接存在兩類風(fēng)險，并揭示兩類銜接風(fēng)險存在的機(jī)理，由此構(gòu)建市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接風(fēng)險的分析模型，且以廣州市中心城區(qū)為例，研究市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接的風(fēng)險。

1 理論體系

1.1 市政排水與水利排澇銜接的本質(zhì)

城鎮(zhèn)內(nèi)澇治理體系如圖1所示，市政排水系統(tǒng)是解決城市小區(qū)、街道等較小匯流面積上短歷時暴雨產(chǎn)生的澇水排向城市內(nèi)河網(wǎng)的問題；水利排澇系統(tǒng)是解決較大匯流面積上較長歷時暴雨產(chǎn)生的澇水通過城市內(nèi)河網(wǎng)的蓄排問題。從排水角度分析，市政排水是城市地面雨水排入城市內(nèi)河網(wǎng)的一個通道，城市內(nèi)河網(wǎng)是市政排水網(wǎng)絡(luò)的接納體，其暴雨澇水通過水利排澇排至區(qū)域外承泄區(qū)。由此可見，城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治體系的有效運行不僅要求市政排水系統(tǒng)和水利排澇系統(tǒng)均能及時排除各自設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的暴雨澇水，而且還要求市政排水與水利排澇兩個系統(tǒng)的排水(排澇)能力相互銜接。因此，市政排水與水利排澇銜接的本質(zhì)包含兩層含義：①市政排水系統(tǒng)的排水能力必須保證其能及時將水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水排至城市內(nèi)河網(wǎng)，確保水利排澇有水可排，地面不積水；②水利排澇系統(tǒng)的排澇能力必須保證其能及時將市政排水系統(tǒng)排向城市內(nèi)河網(wǎng)的暴雨澇水有效蓄存或排至區(qū)域外承泄區(qū)，確保市政排水口的暢通，內(nèi)河網(wǎng)水位不超過最高控制水位，陸地不受淹。

圖1 城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治體系Fig.1 Urban local flood control system

1.2 市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接的風(fēng)險

市政排水系統(tǒng)的排水能力與水利排澇系統(tǒng)的排澇能力均以其設(shè)計暴雨為設(shè)計依據(jù)，設(shè)市政排水歷時為tm，水利排澇歷時為tc，市政排水的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(重現(xiàn)期)為Tm，水利排澇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(重現(xiàn)期)為Tc，市政排水重現(xiàn)期為Tm的設(shè)計暴雨量為xT，水利排澇重現(xiàn)期為Tc的設(shè)計暴雨量為yT，則市政排水系統(tǒng)的排水能力能保證其及時排除暴雨量xT的澇水，而當(dāng)歷時tm內(nèi)的暴雨量大于xT時，則不能及時排除；同理，水利排澇系統(tǒng)的排水能力能保證其有效蓄存或及時排除暴雨量yT的澇水，而當(dāng)歷時tc內(nèi)的暴雨量大于yT時，則不能有效蓄存或及時排出。若一場暴雨過程，水利排澇歷時tc的暴雨量沒有超過yT，而市政排水歷時tm的暴雨量卻超過了xT，則導(dǎo)致市政排水系統(tǒng)不能將水利排澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水及時排至城市內(nèi)河網(wǎng)；又倘若一場暴雨過程，市政排水歷時tm的暴雨量未超過xT，而水利排澇歷時tc的暴雨量超過了yT，則導(dǎo)致水利排澇系統(tǒng)難以將市政排水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水有效蓄存或及時排出。由此可見，無論市政排水標(biāo)準(zhǔn)和水利排澇標(biāo)準(zhǔn)如何銜接，客觀上始終存在兩類風(fēng)險：①市政排水系統(tǒng)不能及時排除水利排澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水；②水利排澇系統(tǒng)難以將市政排水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水有效蓄存或及時排出。本文將兩級排澇標(biāo)準(zhǔn)銜接客觀存在的兩類風(fēng)險分別稱為第一類銜接風(fēng)險和第二類銜接風(fēng)險。

1.3 銜接風(fēng)險存在的機(jī)理

暴雨過程是隨機(jī)的，一場大暴雨既可能是高強度的短歷時大暴雨，也可能是強度并不高的長歷時大暴雨。當(dāng)發(fā)生高強度的短歷時大暴雨時，由于市政排水歷時的暴雨量超過了市政排水的設(shè)計暴雨，致使市政排水系統(tǒng)不能及時將暴雨澇水排入城市內(nèi)河網(wǎng)從而導(dǎo)致地面積水，使得水利排澇設(shè)施沒有足夠的雨水蓄排；當(dāng)發(fā)生強度不高的長歷時大暴雨時，雖然市政排水歷時的暴雨量沒有超過市政排水歷時的設(shè)計暴雨，市政排水系統(tǒng)能夠及時將暴雨澇水排入城市內(nèi)河網(wǎng)，但是由于水利排澇歷時的暴雨量超過了水利排澇的設(shè)計暴雨，致使水利排澇系統(tǒng)不能將市政排水系統(tǒng)排至城市內(nèi)河網(wǎng)的雨水有效蓄存或及時排出，導(dǎo)致澇水漫溢、陸地受淹。由此可見，第一類銜接風(fēng)險是因高強度的短歷時大暴雨所致，是在水利排澇歷時暴雨不超標(biāo)的情況下市政排水歷時暴雨超標(biāo)，導(dǎo)致市政排水系統(tǒng)不能及時排除水利排澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水；第二類銜接風(fēng)險是因強度并不高的長歷時大暴雨所致，是在市政排水歷時暴雨不超標(biāo)的情況下水利排澇歷時暴雨超標(biāo)，導(dǎo)致水利排澇系統(tǒng)難以將市政排水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水有效蓄存或及時排出。因此，這兩類暴雨發(fā)生的概率就是城鎮(zhèn)內(nèi)澇防控體系中市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的兩類銜接風(fēng)險。

2 銜接風(fēng)險分析模型

由于兩類銜接風(fēng)險存在的機(jī)理是客觀存在兩類暴雨過程：①對于高強度的短歷時大暴雨，其水利排澇歷時暴雨不超標(biāo)而市政排水歷時暴雨超標(biāo)；②對于強度不高的長歷時大暴雨，其市政排水歷時暴雨不超標(biāo)而水利排澇歷時暴雨超標(biāo)，因此，必須基于這兩類暴雨發(fā)生的概率來研究市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接風(fēng)險。

2.1 模型構(gòu)建

從風(fēng)險管理角度，市政排水與水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的合理銜接，就是要求在水利排澇歷時暴雨沒有超標(biāo)的情況下，市政排水歷時暴雨超標(biāo)的風(fēng)險概率較小；且在市政排水歷時暴雨沒有超標(biāo)的情況下，水利排澇暴雨超標(biāo)的風(fēng)險概率也較小，通?？扇★L(fēng)險概率不超過5%。由此構(gòu)建市政排水與水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)銜接的風(fēng)險分析模型。

設(shè)市政排水歷時tm的暴雨量為X，水利排澇歷時tc的暴雨量為Y，則第一類銜接風(fēng)險R1可表示為

R1=P(X≥xT|Y≤yT)

(1)

其含義為當(dāng)水利排澇歷時暴雨量未超過設(shè)計暴雨量yT時，市政排水歷時暴雨量超過設(shè)計暴雨量xT的概率。

第二類銜接風(fēng)險R2可表示為

R2=P(Y≥yT|X≤xT)

(2)

其含義為當(dāng)市政排水歷時暴雨量未超過設(shè)計暴雨量xT時，水利排澇歷時暴雨量超過設(shè)計暴雨量yT的概率。

由此可見，市政排水與水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)銜接風(fēng)險分析須關(guān)注P(X≥xT|Y≤yT)和P(Y≥yT|X≤xT)這兩個條件概率，從規(guī)劃設(shè)計角度，可看作以(xT,yT)為設(shè)計組合而存在的組合風(fēng)險率[18，26]。

2.2 模型求解方法

不失一般性，將(xT,yT)記為(x,y)。求解條件概率P(X≥x|Y≤y)和P(Y≥y|X≤x)，須正確理解其表達(dá)的含義，合理構(gòu)建市政排水歷時暴雨與水利排澇歷時暴雨的聯(lián)合分布[18]。

根據(jù)常規(guī)取樣方法，分別取以水利排澇為主、市政排水相應(yīng)和以市政排水為主、水利排澇相應(yīng)的聯(lián)合觀測樣本構(gòu)建聯(lián)合分布。設(shè)以水利排澇歷時tc的暴雨量Y為主，其相應(yīng)市政排水歷時tm的暴雨量為X′，聯(lián)合觀測系列的聯(lián)合分布為Fc(Y,X′)；以市政排水歷時tm的暴雨量X為主，其相應(yīng)水利排澇歷時tc的暴雨量為Y′，聯(lián)合觀測系列的聯(lián)合分布為Fm(X,Y′)；市政排水歷時tm的暴雨量X、水利排澇歷時tc的暴雨量Y的邊緣分布分別為FX(X)、FY(Y)；相應(yīng)市政排水歷時tm的暴雨量X′、相應(yīng)水利排澇歷時tc的暴雨量Y′的邊緣分布分別為FX′(X′)、FY′(Y′)。根據(jù)Sklar定理[19]，存在唯一的Copula函數(shù)C1(u,v)、C2(u,v)，使得：

Fc(Y,X′)=C1[FY(Y),FX′(X′)]

(3)

Fm(X,Y′)=C2[FX(X),FY′(Y′)]

(4)

聯(lián)合分布函數(shù)Fc(Y,X′)、Fm(X,Y′)的性質(zhì)分別和與之對應(yīng)的Copula函數(shù)C1(u,v)、C2(u,v)密切相關(guān)。Copula函數(shù)中，采用阿基米德族Copula函數(shù)描述水文變量已具理論和應(yīng)用基礎(chǔ)[20-26]。根據(jù)水利排澇歷時的暴雨量Y與其相應(yīng)市政排水歷時的暴雨量X′的秩相關(guān)系數(shù)值，以及市政排水歷時的暴雨量X與其相應(yīng)水利排澇歷時的暴雨量Y′的秩相關(guān)系數(shù)值，大致選用合適的Copula函數(shù)。最后根據(jù)評價指標(biāo)選取最適合的Copula函數(shù)，并采用離差平方和最小準(zhǔn)則評價Copula方法的有效性[21-22]。

由此得到兩類銜接風(fēng)險的計算公式分別為[18,26]

(5)

(6)

對確定的市政排水(或水利排澇)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)X(x)、FY(y)為確定值，故與水利排澇(或市政排水)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)組合的風(fēng)險率均隨水利排澇(或市政排水)標(biāo)準(zhǔn)的提高而減小。市政排水與水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的合理銜接應(yīng)使兩類銜接風(fēng)險都比較小(常取小于5%)。

3 實例研究

3.1 數(shù)據(jù)和樣本選取

廣州市中心城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，該區(qū)域內(nèi)僅廣州五山氣象觀測站具有長系列的詳細(xì)降雨觀測資料。由于廣州五山氣象觀測站1980—2013年各歷時(5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、24 h)年最大降水量序列中，年最大5 min、10 min、15 min、20 min降水量序列存在顯著變異點，分別出現(xiàn)在1988年、1987年、1984年、1984年，而其他各歷時的降水量序列不存在顯著變異[27]，故本文僅分析市政排水30 min、60 min、90 min、120 min暴雨與水利排澇24 h暴雨的銜接關(guān)系。

采用廣州五山氣象觀測站1980—2013年連續(xù)34年詳細(xì)降雨資料，分別選取年最大30 min、60 min、90 min、120 min暴雨量，抽取各同場次暴雨的連續(xù)最大24 h暴雨量，構(gòu)成以市政排水暴雨為主、水利排澇暴雨相應(yīng)的聯(lián)合觀測系列；選取年最大24 h暴雨量，抽取各同場次暴雨的最大30 min、60 min、90 min、120 min暴雨量，構(gòu)成以水利排澇暴雨為主、市政排水暴雨相應(yīng)的聯(lián)合觀測系列。

3.2 邊緣分布構(gòu)建

對于市政排水年最大30 min、60 min、90 min、120 min 暴雨系列和水利排澇年最大24 h暴雨系列分別采用P-Ⅲ型分布模式和廣義極值分布模式擇優(yōu)構(gòu)建其邊緣分布。對相應(yīng)的水利排澇24 h暴雨系列與相應(yīng)的市政排水30 min、60 min、90 min、120 min 暴雨系列均采用P-Ⅲ型分布模式構(gòu)建其邊緣分布。采用比較穩(wěn)健的線性矩法結(jié)合目估適線法估計分布和統(tǒng)計參數(shù)，采用擬合優(yōu)度指標(biāo)優(yōu)選分布。限于篇幅，此處僅給出年最大30 min、60 min 暴雨系列的分布結(jié)果(圖2)。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，年最大30 min、60 min暴雨系列廣義極值分布模式的擬合結(jié)果均優(yōu)于P-Ⅲ型分布模式的擬合結(jié)果。根據(jù)廣義極值分布模式的擬合結(jié)果，年最大30 min暴雨系列的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)分別為：ξ=-0.008，σ=10.595，μ=39.750；年最大60 min暴雨系列的3個分布參數(shù)分別為：ξ=-0.027，σ=16.597，μ=51.682。

(a) 年最大30 min暴雨量

(b) 年最大60 min暴雨量圖2 廣義極值分布和P-Ⅲ型分布模式的優(yōu)化擬合頻率曲線對比Fig.2 Comparison of optimized fit frequency curves forgeneralized extreme value distribution and P-Ⅲ distribution

3.3 聯(lián)合分布構(gòu)建

市政排水各歷時年最大暴雨與相應(yīng)水利排澇24 h暴雨，以及水利排澇年最大24 h暴雨與相應(yīng)市政排水各歷時暴雨的相關(guān)性可用Kendall秩相關(guān)系數(shù)來表征，各聯(lián)合觀測系列的Kendall秩相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 各聯(lián)合觀測系列的Kendall秩相關(guān)系數(shù)Table 1 Kendall rank correlation coefficients for combined observation series

由表1可見，以市政排水為主的各歷時年最大暴雨與相應(yīng)水利排澇24 h暴雨的Kendall秩相關(guān)系數(shù)均較高，故采用GH Copula函數(shù)與Clayton Copula函數(shù)來描述變量間的相關(guān)性；以水利排澇為主的年最大24 h暴雨與相應(yīng)市政排水各歷時暴雨的Kendall秩相關(guān)系數(shù)均相對較低，而且對于相應(yīng)市政排水歷時30 min暴雨，Kendall秩相關(guān)系數(shù)為 -0.005 3，因此，該組合采用AMH Copula函數(shù)與Frank Copula函數(shù)描述變量間的相關(guān)性，其他組合采用GH Copula函數(shù)、Clayton Copula函數(shù)、AMH Copula函數(shù)和Frank Copula函數(shù)等4種阿基米德族Copula函數(shù)描述變量間的相關(guān)性。本文采用理論聯(lián)合分布概率與經(jīng)驗聯(lián)合分布概率適線和離差平方和最小(ordinary least squares, OLS)準(zhǔn)則評價Copula方法的有效性，選取符合OLS準(zhǔn)則的Copula函數(shù)作為聯(lián)結(jié)函數(shù)[22]。

通過分析計算，得到以市政排水為主的30 min、60 min、90 min、120 min暴雨量X30 min、X60 min、X90 min、X120 min與相應(yīng)水利排澇24 h暴雨量Y′24 h的聯(lián)合分布Fm(X,Y′)和以水利排澇為主的24 h暴雨量Y24 h與相應(yīng)市政排水30 min、60 min、90 min、120 min暴雨量X′30 min、X′60 min、X′90 min、X′120 min的聯(lián)合分布Fc(Y,X′)：

Fm(X30 min,Y′24 h)=exp{-[(-lnFX(X30 min))1.580 3+

(-lnFY′(Y′24 h))1.580 3]1/1.580 3}

(7)

Fm(X60 min,Y′24 h)=exp{-[(-lnFX(X60 min))1.882 6+

(-lnFY′(Y′24 h))1.882 6]1/1.882 6}

(8)

Fm(X90 min,Y′24 h)=exp{-[(-lnFX(X90 min))1.753 1+

(-lnFY′(Y′24 h))1.753 1]1/1.753 1}

(9)

Fm(X120 min,Y′24 h)=exp{-[(-lnFX(X120 min))1.621 4+

(-lnFY′(Y′24 h))1.621 4]1/1.621 4}

(10)

Fc(Y24 h,X′30 min)=FY(Y24 h)FX′(X′30 min)/

[1+0.024(1-FY(Y24 h))(1-FX′(X′30 min))]

(11)

Fc(Y24 h,X′60 min)=FY(Y24 h)FX′(X′60 min)/

[1-0.486 8(1-FY(Y24 h))(1-FX′(X′60 min))]

(12)

Fc(Y24 h,X′90 min)=exp{-[(-lnFY(Y24 h))1.304 7+

(-lnFX′(X′90 min))1.304 7]1/1.304 7}

(13)

Fc(Y24 h,X′120 min)=exp{-[(-lnFY(Y24 h))1.409 5+

(-lnFX′(X′120 min))1.409 5]1/1.409 5}

(14)

3.4 風(fēng)險分析

對市政排水各歷時的暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，取重現(xiàn)期為50 a、20 a、10 a、5 a、3 a和2 a；對水利排澇24 h暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，取重現(xiàn)期為50 a、30 a、20 a、10 a和5 a。對以水利排澇為主的24 h暴雨與相應(yīng)市政排水某歷時暴雨的任一重現(xiàn)期組合，根據(jù)其邊緣分布概率從式(11)～(14)中選取相應(yīng)的聯(lián)合分布函數(shù)求得其聯(lián)合分布概率，再由式(5)計算其第一類銜接風(fēng)險；對以市政排水為主的某歷時暴雨與相應(yīng)水利排澇24 h暴雨的任一重現(xiàn)期組合，根據(jù)其邊緣分布概率從式(7)～(10)中選取相應(yīng)的聯(lián)合分布函數(shù)求得其聯(lián)合分布概率，再由式(6)計算其第二類銜接風(fēng)險。市政排水各歷時暴雨與水利排澇24 h暴雨銜接的兩類風(fēng)險結(jié)果如表2所示。

表2 市政排水與水利排澇不同暴雨組合的兩類銜接風(fēng)險Table 2 Calculation results of two kinds of matching risks for different rainstorm combinationsof municipal drainage and water conservancy drainage

由表2可見，對市政排水設(shè)計暴雨重現(xiàn)期取 50 a、20 a、10 a、5 a、3 a和2 a，水利排澇暴雨重現(xiàn)期取50 a、30 a、20 a、10 a和5 a，且市政排水暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不超過水利排澇暴雨設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的任一組合情況，銜接風(fēng)險總體有如下規(guī)律：①第一類銜接風(fēng)險較大，隨市政排水標(biāo)準(zhǔn)的提高而顯著減小，而隨水利排澇標(biāo)準(zhǔn)變化不明顯，當(dāng)市政排水設(shè)計暴雨重現(xiàn)期分別為 2 a、3 a、5 a和10 a時，第一類銜接風(fēng)險分別為 22.72%～32.85%、12.68%～18.64%、5.18%～11.23%和1.88%～6.86%；②第二類銜接風(fēng)險較小，且隨水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的提高而減小，隨市政排水標(biāo)準(zhǔn)的提高稍有增加，若水利排澇設(shè)計暴雨重現(xiàn)期不低于10 a，則第二類銜接風(fēng)險均值最大為1.98%，最大銜接風(fēng)險為3.95%。

目前廣州市中心城區(qū)市政管網(wǎng)的排水標(biāo)準(zhǔn)為1年一遇至3年一遇，水利排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，則第一類銜接風(fēng)險不低于15.63%，而第二類銜接風(fēng)險不到1%。也就是說，市政排水系統(tǒng)至少有15.63%的概率不能將水利排澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水及時排入城市內(nèi)河網(wǎng)，而水利排澇系統(tǒng)僅有不到1%的概率不能及時將市政排水系統(tǒng)排入城市內(nèi)河網(wǎng)的暴雨澇水排出。由此可見，欲提升城市應(yīng)對暴雨內(nèi)澇的能力，必須設(shè)法提高市政排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù) GB 50014—2021《室外排水設(shè)計規(guī)范》，特大城市中心城區(qū)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期是3～5 a，即使按5年一遇標(biāo)準(zhǔn)對市政排水管網(wǎng)進(jìn)行提標(biāo)改造，其第一類銜接風(fēng)險仍達(dá)7.76%～11.24%。針對已建排水系統(tǒng)的擴(kuò)建或提標(biāo)改造，將面臨耗資巨大、實施困難、拆遷、耗時等多方面難題，尤其在人口、建筑密度大，場地空間有限，地下管線擁擠等限制因素較多的老城區(qū)和已建城區(qū)，通過改擴(kuò)建市政管網(wǎng)以提高市政排水標(biāo)準(zhǔn)是不可取的。即使在一些被稱之為小排水系統(tǒng)的發(fā)達(dá)國家，市政管網(wǎng)排水系統(tǒng)主要擔(dān)負(fù)重現(xiàn)期1～10 a范圍暴雨的安全排放，以保證城市和居住區(qū)的正常運行[28]。因此，廣州市應(yīng)通過完善排水管網(wǎng)、建設(shè)城鎮(zhèn)澇水行泄通道和優(yōu)化運行管理等綜合措施來應(yīng)對，以提高市政排水標(biāo)準(zhǔn)。若采用綜合措施使市政排水設(shè)計重現(xiàn)期達(dá)到10 a或20 a的標(biāo)準(zhǔn)，則第一類銜接風(fēng)險的均值可降為4.42%或2.26%。

4 結(jié) 語

本文揭示了市政排水系統(tǒng)與水利排澇系統(tǒng)相互銜接的本質(zhì)，包含兩層含義：①市政排水系統(tǒng)的排水能力必須保證其及時將水利排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水排至城市內(nèi)河網(wǎng)；②水利排澇系統(tǒng)的排澇能力必須保證其能及時將市政排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水排至區(qū)域外承泄區(qū)。市政排水標(biāo)準(zhǔn)和水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接客觀上存在兩類風(fēng)險：①市政排水系統(tǒng)不能及時排除水利排澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水；②水利排澇系統(tǒng)難以將市政排水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的暴雨澇水有效蓄存或及時排出。兩類銜接風(fēng)險存在的客觀原因是存在兩種暴雨過程：①水利排澇歷時暴雨不超標(biāo)情況下市政排水歷時暴雨超標(biāo)；②市政排水歷時暴雨不超標(biāo)情況下水利排澇歷時暴雨超標(biāo)。由此構(gòu)建了兩級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的銜接風(fēng)險分析模型。

本文構(gòu)建的銜接風(fēng)險分析模型適用于城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治中市政排水標(biāo)準(zhǔn)與水利排澇標(biāo)準(zhǔn)的銜接風(fēng)險分析，可為科學(xué)構(gòu)建城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治體系，有效應(yīng)對城鎮(zhèn)內(nèi)澇提供科技支撐。

本研究實例中，基于年最大值取樣，選取了兩類聯(lián)合觀測系列：①以市政排水暴雨為主、水利排澇暴雨相應(yīng)的聯(lián)合觀測系列；②以水利排澇暴雨為主、市政排水暴雨相應(yīng)的聯(lián)合觀測系列，這種選樣方法會遺漏部分暴雨信息。若要提高風(fēng)險分析結(jié)果的精度，可基于超閾值選樣來選取聯(lián)合觀測樣本。