馬振強(qiáng) 遲文涵 廣東首匯藍(lán)天工程科技有限公司

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市不透水鋪裝面積的增加、城市中自然調(diào)蓄空間的縮減，加之原有排水系統(tǒng)的能力不足、極端降雨頻率的增加，每年都會(huì)發(fā)生多頻次的城市內(nèi)澇，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失。因此，對(duì)城市現(xiàn)在排水防澇能力進(jìn)行徹底梳理，摸清家底，并針對(duì)存在問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)分析是當(dāng)務(wù)之急。在這之中，構(gòu)建城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型尤為重要，通過(guò)模型的構(gòu)建，一方面可以厘清現(xiàn)狀癥結(jié)、分析原因及解決辦法；另一方面，可以對(duì)采取的措施進(jìn)行預(yù)判，優(yōu)化城市調(diào)控措施；此外，通過(guò)模型進(jìn)行工程項(xiàng)目的預(yù)評(píng)估及后評(píng)估亦是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法。

1.評(píng)估方式的選擇

城市排水管網(wǎng)作為城市水循環(huán)的動(dòng)脈血管，在城市排水系統(tǒng)中占據(jù)重要的作用。而由于排水管線埋于地下，多為隱蔽工程，受建設(shè)年代、建設(shè)質(zhì)量及管網(wǎng)摸查程度的影響，管網(wǎng)混接錯(cuò)接亂接漏接現(xiàn)象多有發(fā)生，甚至?xí)?yán)重影響人民的正常生活，因此，對(duì)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行徹底摸查和排水能力的評(píng)估是解決城市排水防澇問(wèn)題的前提。

目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家普遍制定了較為完善的城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理策略，并利用計(jì)算機(jī)手段構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多因素分析和評(píng)估，并對(duì)不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)生的可能災(zāi)害進(jìn)行預(yù)評(píng)估，為城鎮(zhèn)建設(shè)及災(zāi)害預(yù)案的制定提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。我國(guó)在這方面相對(duì)起步較晚，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范GB50014-2006》中提出了城市內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、地面積水等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并指出滲、蓄、排及內(nèi)澇整治等多措施并舉應(yīng)對(duì)暴雨，保障城市安全。

隨著科技發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，結(jié)合國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是科學(xué)可行的。但是，由于城市排水系統(tǒng)規(guī)模龐大、且多為隱蔽工程，加之部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，因此模型構(gòu)建初期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集及校驗(yàn)是重中之重。除了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集及處理之外，建模及分析過(guò)程還包括模型建立、參數(shù)設(shè)置及模型校核、模型計(jì)算分析等。

排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理以及排水系統(tǒng)水量水質(zhì)模擬，這將是城市排水?dāng)?shù)字化、信息化發(fā)展的需要。因此，建議基于城市綜合流域排水模型系統(tǒng)軟件對(duì)城市內(nèi)澇區(qū)域使用非恒定流的方法模擬排水管網(wǎng)各情景模式下的運(yùn)行狀況，以此作為內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依據(jù)。

2.評(píng)估目的與技術(shù)路線

評(píng)估模型建立及其應(yīng)用旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）收集城市內(nèi)澇區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的GIS、CAD等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息資料，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并將篩選過(guò)的數(shù)學(xué)導(dǎo)入模型軟件中，利用模型軟件搭建起排水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)模型分析排水管網(wǎng)的混接錯(cuò)接漏接等建設(shè)問(wèn)題，梳理管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并基于厘清的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析不同情景下管網(wǎng)內(nèi)的水力特征及水力問(wèn)題；

（2）設(shè)置地表下墊面屬性，模擬產(chǎn)匯流狀態(tài)及管網(wǎng)水流特性，通過(guò)模型進(jìn)行排水片區(qū)的細(xì)致分區(qū)，確定暴雨時(shí)程分配的方法以及產(chǎn)匯流計(jì)算方法；

（3）利用模型對(duì)城市內(nèi)澇區(qū)域現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀的排水能力進(jìn)行評(píng)估，對(duì)不同內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)的重現(xiàn)期下的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；

（4）利用模型對(duì)城市內(nèi)澇整治設(shè)計(jì)方案進(jìn)行效果預(yù)評(píng)估，并基于預(yù)評(píng)估結(jié)果給出可行的優(yōu)化調(diào)整方案。

模型構(gòu)建的技術(shù)路線如圖1所示。

3.模型構(gòu)建

3.1 排水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

圖1 模型構(gòu)建技術(shù)路線

圖2 模型構(gòu)建和應(yīng)用流程圖

表1 下墊面解析一覽表（某老城區(qū)）

表2 徑流系數(shù)取值表

將管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)導(dǎo)入城市綜合流域排水模型系統(tǒng)軟件中，建立城區(qū)排水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含污水管，雨水管和合流制的管道。

3.2 匯水區(qū)劃分

雨水匯水區(qū)的劃分，首先根據(jù)城區(qū)內(nèi)道路和排口位置，以及管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，人工繪制大的收水分區(qū)，然后針對(duì)每個(gè)收水分區(qū)，以分區(qū)內(nèi)的檢查井為對(duì)象，則采用泰森多邊形方法，將大的收水分區(qū)自動(dòng)細(xì)分到檢查井上，生成小的匯水區(qū)。

3.3 下墊面解析

下墊面解析是分析城市降雨徑流機(jī)制的基礎(chǔ)。依據(jù)《海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃編制暫行規(guī)定》要求，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用GIS數(shù)據(jù)管理功能，對(duì)不同下墊面進(jìn)行分割和分類，形成不同矢量圖層數(shù)據(jù)，作為模型分析城市降雨產(chǎn)流和匯流機(jī)制的基礎(chǔ)。表1為某老城區(qū)下墊面類型解析結(jié)果示例，共劃分為6種下墊面類型。在所有下墊面中，屋面面積和鋪裝面積占城市總面積的85.93%，老城區(qū)建筑密集，綠化空間缺乏，降雨產(chǎn)流量大，現(xiàn)狀綜合雨量徑流系數(shù)為0.70。

3.4 附屬構(gòu)筑物設(shè)置

基于管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)，導(dǎo)入泵、閘、新建蓄水池等附屬構(gòu)筑物到模型中，并設(shè)定相應(yīng)的控制規(guī)則。

3.5 模型參數(shù)

1）徑流系數(shù)見(jiàn)表2。

2）沿程水頭損失：參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，各種管材的曼寧粗糙系數(shù)取值見(jiàn)表3。

3.6 降雨及雨型

隨著《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的頒布施行，城市暴雨強(qiáng)度公式的采樣方法由年多個(gè)樣法修訂為年最大值法，若現(xiàn)行的暴雨強(qiáng)度公式難以反映城市現(xiàn)狀的降雨強(qiáng)度狀況，則需要根據(jù)2016版規(guī)范要求，重新修訂城市暴雨強(qiáng)度公式。

表3 曼寧粗糙系數(shù)取值表

表4 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表（建議）

4.模型驗(yàn)證與參數(shù)率定

管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作完成后，需對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定，率定工作分為初期率定和后期率定。初期率定是應(yīng)對(duì)部分監(jiān)測(cè)設(shè)備或數(shù)據(jù)還未完成情況下暫用的率定方法，主要是利用相關(guān)報(bào)告中的數(shù)據(jù)為率定依據(jù)；后期率定為監(jiān)測(cè)設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)后，收集了一定時(shí)序長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，利用這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為率定的依據(jù)。排水系統(tǒng)防澇模型主要是通過(guò)內(nèi)澇水浸點(diǎn)歷史信息資料與模擬結(jié)果的比對(duì)，對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證與率定。

歷史內(nèi)澇水浸點(diǎn)信息資料來(lái)源歷史水浸點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘走訪后確定歷史水浸點(diǎn)。歷史水浸信息校核辦法：1年、2年、3年、5年一遇3小時(shí)設(shè)計(jì)降雨及30年一遇24h降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入條件，分別模擬各種不同工況下雨天的運(yùn)行情況，通過(guò)與實(shí)際記錄水浸點(diǎn)信息比較來(lái)校核模型參數(shù)。

通過(guò)雨天模擬結(jié)果與歷史水浸點(diǎn)的對(duì)比分析，模型分析結(jié)果與相關(guān)部門提供的內(nèi)澇資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況基本一致，可以確定該模型與實(shí)際的吻合度符合要求，可以用于城市內(nèi)澇建設(shè)工程的評(píng)估和預(yù)評(píng)估。

5.內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，我國(guó)在城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面尚處于研究階段，方法各異，其中，基于情景模擬的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法能直觀地反映一定概率的致災(zāi)因子導(dǎo)致的災(zāi)害事件的影響范圍與程度，能高精度地反映災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的空間分布特征，也是當(dāng)前認(rèn)可度較高的方法。

城市內(nèi)澇防御的主要目的是把降雨期間的地面積水控制在可以接受的范圍，其中，地下排水管網(wǎng)過(guò)流能力對(duì)地表積水排放的舒暢性影響極大，因此，本文將內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為地下排水管網(wǎng)和地表兩個(gè)方面進(jìn)行。

5.1 排水管網(wǎng)過(guò)流能力評(píng)估

采用不同重現(xiàn)期（1a、2a、3a和5a年）的降雨雨型，評(píng)價(jià)指標(biāo)為管道充滿度F模擬值，即

式中：

F為管渠充滿度；

W_level為水位高程（m）；

P_i ne r t le ve l為管渠底高程（m）；

P_Higth為管渠高度（m）。

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：

當(dāng)F>1.0表示水位超過(guò)管道頂部，即超過(guò)管道排水設(shè)計(jì)能力。

當(dāng)F<=1.0表示水位未超過(guò)管道頂部，即滿足管道排水設(shè)計(jì)能力。

5.2 地表

地表淹沒(méi)范圍、深度、歷時(shí)等是內(nèi)澇評(píng)估的重要依據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分依據(jù)，其中，積水深度和淹沒(méi)時(shí)間是內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)主要參考因素?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50014-2006）》指出，應(yīng)根據(jù)城鎮(zhèn)類型、積水影響程度和內(nèi)河水位變化等因素，確定城市地面積水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合考慮最大積水深度和積水時(shí)間因素，確定內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表4。

6.結(jié)語(yǔ)

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型是建立健全城市災(zāi)害管理機(jī)制的重要舉措，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理、模型的驗(yàn)證及率定等是前提和基礎(chǔ)，此外，科學(xué)的模型亦是隨城市建設(shè)不斷更新完善，如此方能為運(yùn)行及決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。