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        深圳市石巖街道洪澇風險分析

        2023-03-05 03:03:04吳秋琴劉訓平肖志明黃志文王志超
        中國防汛抗旱 2023年2期
        關鍵詞:石巖洪澇內澇

        吳秋琴 劉訓平 肖志明 黃志文 王志超

        (1.江西省水利科學院,南昌 330029;2.深圳市廣匯源環(huán)境水務有限公司,深圳 518021)

        1 研究背景

        全球氣候變暖和城市化建設,改變了城市降雨特征和區(qū)域產(chǎn)匯流過程,城市洪澇問題日益凸顯[1-2],制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,根據(jù)《中國水旱災害防御公報2020》統(tǒng)計數(shù)據(jù),2020年全國因洪澇受災7 864.5萬人次,直接經(jīng)濟損失2 669.8億元,占全年GDP的0.26%[1]。水資源安全問題關系民生,科學認識研究城市洪澇成因、提高城市防洪排澇能力、減輕城市洪澇災害勢在必行。

        目前,眾多學者對城市洪澇問題進行了大量研究。張建云等[2]從流域產(chǎn)匯流角度分析了城鎮(zhèn)化對洪水過程的影響,系統(tǒng)剖析了我國城市洪澇頻發(fā)的主要原因。李家葉等[3]通過分析粵港澳大灣區(qū)氣候變化,認為城市面臨極端天氣增加的嚴峻局面。陳浩等[4]對深圳河流域降雨、下墊面、產(chǎn)匯流等影響因子變化分析流域洪澇問題。徐宗學等[5]應用ICM模型(Integrated Catchment Management Model)和SWMM 模型(Storm Water Management Model)模擬極端暴雨情景下福州市洪澇過程并進行風險分析。Shen Y等[6]通過構建管網(wǎng)、地表模型分析美國弗吉尼亞州諾??耸械某鞘泻闈硢栴}。于月增[7]分析城市型洪澇災害的特征與起因,從中日治水經(jīng)驗談城市洪澇問題應對策略。應用DHI MIKE模型分析評估城市風險的也大有人在,王英[8]應用MIKE Flood進行了北京未來科學城區(qū)的暴雨洪水洪澇風險評估,構建了一維排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型(MIKE URBAN)和二維城市地表模型(MIKE21),以及兩者的耦合模型。欒震宇等[9]同樣構建了MIKE URBAN和MIKE21耦合模型模擬湖南新化城區(qū)內澇情景,用于城市內澇風險評估管理。而韓剛等[10]認為分析深圳這種特大型城市洪澇并提供預警調度,需要構建更精細化和更高精度水平的城市洪澇模型,系統(tǒng)集成了產(chǎn)匯流模型、水庫調度模型、一維河網(wǎng)模型、二維地表模型和地下管網(wǎng)模型,進行應急會商、流域風險評價、內澇分析等。

        深圳市作為特大型城市,建筑密度高、經(jīng)濟活動集中、城市水文效應明顯,近年來,強對流天氣、臺風及短時強降雨成為常見的致災天氣,造成巨大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。如2019年4月11日,深圳市突發(fā)短時強降雨,造成嚴重人員死亡事件;2020年9月13日,深圳寶安區(qū)石巖街道發(fā)生暴雨內澇,最大淹沒水深超2 m,導致47輛車輛受淹,35名人員被困。而根據(jù)《室外排水設計標準(GB 50014—2021)》,特大城市內澇防治設計重現(xiàn)期應滿足100年一遇,居民住宅和工商業(yè)建筑物底層不進水,道路積水深度不超過15 cm。頻發(fā)的城市洪澇災害使城市洪澇問題研究迫在眉睫,本文以深圳市石巖河流域石巖街道為例,通過數(shù)值模擬手段,構建產(chǎn)匯流模型、一維河網(wǎng)模型、二維地表模型和地下管網(wǎng)模型,開展城市防洪排澇問題研究,進行區(qū)域洪澇風險分析,以期為城區(qū)防洪澇減災工作提供參考依據(jù)和技術支撐。

        2 研究區(qū)域概況

        2.1 區(qū)域概況

        石巖街道位于深圳市西北部、寶安區(qū)中部,下轄7個建制村、1 個居委會,總人口50 萬人,主要在石巖流域范圍內,城區(qū)如圖1中二維片區(qū)包含區(qū)域,其余為流域山區(qū)和水域。石巖河是石巖流域內的一條主要河流,發(fā)源于羊臺山北麓,流域面積27.05 km2。石巖河橫穿石巖街道,蜿蜒曲折,河道已經(jīng)基本渠化,河床高程在34.70~62.50 m,平均坡降0.004。流域地形呈左岸高,右岸低,左岸地形呈山高坡陡型,右岸地形相對平緩,流域水系呈羽毛狀分布。

        圖1 石巖河流域示意圖

        2.2 歷史洪澇情況

        2020 年石巖街道發(fā)生10 場降雨內澇,現(xiàn)狀易澇點5 處,其中高風險點2 處(石龍大道龍大高速路口、祝龍?zhí)稞埓蟾咚贅蚝酗L險點3處(北環(huán)路西行與愛群路交會處、光明路與愛群路交匯和青年路),屬于內澇頻發(fā)地,且受災風險大。2020 年較嚴重3 場降雨內澇積水情況如表1所示,這幾場降雨都是短歷時強降雨,降雨集中,“9.13”降雨石龍站1 h雨強達5年一遇,河道溢流,造成大面積洪澇,引發(fā)災害。

        表1 2020年石巖街道降雨內澇積水情況

        3 洪澇模型構建

        根據(jù)石巖河流域特征,構建石巖街道洪澇模型,應用MIKE系列模型進行山區(qū)水文模型、一維河道模型、地下管網(wǎng)模型、二維地表模型和防洪排澇工程調度模型多模型耦合,模型范圍為石巖水庫上游集水區(qū)。丹麥水利研究所(DHI)研發(fā)的MIKE模型在城市洪澇研究中多有應用[11-13],研究結果得到了廣泛認可。

        山區(qū)水文模型:采用MIKE11 RR中的NAM模型,對石巖流域山地集水分區(qū)進行水文模擬,模擬結果作為河道流量邊界條件輸入,模型模擬石巖河及各支流對應山區(qū)產(chǎn)流面積如圖1中山區(qū)集水區(qū)。NAM模型中參數(shù)眾多(表2),經(jīng)多次調參發(fā)現(xiàn)坡面流匯流時間常數(shù)CK1、2取值變化大,為敏感因子,不同子流域匯水區(qū)CK1、2取值不同,其他子流域模型參數(shù)取值可一致。

        表2 NAM水文模型參數(shù)取值

        一維河道模型:采用MIKE11 模型建立石巖河及其支流河網(wǎng)拓撲關系、設置河道斷面和糙率等參數(shù),石巖河河道糙率在0.022~0.026 范圍,支流河道糙率取值0.03~0.033。河道源項為MIKE11 NAM 模擬值并耦合MIKE URBAN管網(wǎng)出流,下邊界條件為斷面水位流量關系。

        地下排水管網(wǎng)模型:采用MIKE URBAN模型對石巖街道主干管進行建模,建模范圍為圖1二維城區(qū)覆蓋范圍,添加祝龍?zhí)锫放c龍大高速處橋涵排澇泵站調度模型。管井集水區(qū)面不透水參數(shù)根據(jù)下墊面用地類型參考GB 50014—2021取值,采用等時流面積法(T-A模型)[14]進行城區(qū)產(chǎn)流計算,模型初損取0.000 6 m,平均表面流速0.3 m/s,沿損衰減系數(shù)取值0.9表征沿程損失。

        二維地表模型:采用MIKE21 模型對石巖街道城區(qū)進行地表建模,對地表進行結構網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為10 m×10 m,劃分后對網(wǎng)格高程進行插值建立模型。

        耦合模型:采用MIKE Flood 模型對河道模型、管網(wǎng)模型和地表模型進行兩兩耦合,建立三模型耦合模型,使河道與管網(wǎng)通過排口進行水量交換計算、管網(wǎng)與地表通過管井進行水量交換計算、河道與地表通過岸堤進行水量交換計算。

        模型率定:用實測降雨、水位和積水內澇數(shù)據(jù)對模型進行數(shù)據(jù)修正及各參數(shù)的率定,對“9.13”降雨模擬結果與實測數(shù)據(jù)進行對比(表3、圖2),模型模擬水位與實測水位過程相一致,實際上報內澇積水點發(fā)生處模型也均模擬出內澇,模擬最大淹沒水深與實測值小于±0.2 m,誤差率小于20%,模擬淹沒面積大于實際上報積水面積,這與地表模型精度和實際上報面積測量誤差有關,認為模擬淹沒面積誤差在可允許范圍,模型模擬與實際比較符合,認為模型具有較好的精確性。

        表3“9.13”降雨模擬結果與實測結果對比統(tǒng)計表

        圖2“9.13”降雨吉祥橋斷面水位過程

        4 洪澇分析

        4.1 模型模擬計算方案及邊界條件

        基于石巖街道一維—地表—管網(wǎng)三耦合洪澇模型,進行不同重現(xiàn)期設計暴雨(表4)情境下的洪澇模擬,根據(jù)深圳市城市雨水排水分區(qū)匯流的特點及河流流域匯流的特點,設計暴雨采用長包短的3 h芝加哥雨型逐5 min數(shù)據(jù)作為模型上邊界條件(圖3),模型下邊界為斷面水位流量關系曲線。模擬7 種不同頻率的河道洪水情況、地表內澇情況,評估石巖街道防洪排澇能力,分析導致洪澇問題的河道卡口段、管網(wǎng)薄弱點,以及地勢低洼點等。

        表4 不同重現(xiàn)期的設計暴雨統(tǒng)計表mm

        圖3 各重現(xiàn)期T 設計暴雨過程

        4.2 河道防洪能力分析

        石巖河現(xiàn)狀防洪標準為50 年一遇,支流防洪標準均為20 年一遇。對上述7 種不同頻率設計暴雨工況模擬的河道洪水情況進行分析,統(tǒng)計模擬結果中河道溢流段發(fā)生位置,應用ArcGIS 將河道不同工況模擬水位超過堤防高程的險工段標出(圖4)。結果顯示石巖河干流滿足100 年一遇設計暴雨標準,而水田支流實際排水能力不到2 年一遇。水田支流不滿足20 年一遇設計標準河段約1.4 km,位于石龍仔路騰達工業(yè)園-龍大高速與石龍仔路交會處以北500 m,為河道箱涵段,水田支流箱涵排水能力不足形成卡口,是河道水泄不通的主要原因。不滿足20 年一遇設計標準的還有上排河,不滿足河段為石巖北環(huán)路以南60 m—石巖北環(huán)路以北50 m,及石巖北環(huán)路以北380 m—弘昌工業(yè)園南,主要原因也是該段箱涵排水能力不足,其中石巖北環(huán)路附近60 m 左右河段箱涵不滿足5年一遇設計暴雨。

        圖4 石巖河流域各設計工況河道險工險段分布示意圖

        4.3 管網(wǎng)排水能力分析

        管道充滿度反映管道超負荷運行程度,可作為評估管道排水能力的一個指標[15],計算公式為:

        式中:F為管道充滿度;Wlevel為管道水位,m;Hdwlevel為管底高程,m;Hheight為管道高度,m。

        F>1.0表示管道滿管運行,管道水流為有壓流,來水超過該管段排水設計能力;F≤1.0表示水位未超過管段頂部,滿足管道排水設計能力。用管道充滿度來表示管網(wǎng)狀態(tài),李保健等[15]指出當F≤1時,管網(wǎng)處于正常狀態(tài);當1<F≤2 時,管道因下游河道過流能力不足而造成過載;當F>2時,管道由于自身排水能力不足造成過載。

        統(tǒng)計設計重現(xiàn)期管道充滿度情況,以F>2 對管道排水能力劃分,其中管道排水能力重現(xiàn)期不足1 a 的占比34.24%,滿足重現(xiàn)期1~5 a 的占比17.59%,超5 a 的占比48.17%,但其中含16.23%因下游過流能力不足而造成過載。由管網(wǎng)充滿度分布圖(圖5)可知,排水能力重現(xiàn)期超5 a 的管道主要分布在城鎮(zhèn)邊緣新建區(qū)域,城市集中區(qū)管道排水能力差。由表5 可知,隨著設計暴雨越大,管道超載越嚴重,但超載的管道長度增加的速率明顯下降。暴雨強度增強時,造成城市嚴重內澇的主要是排水能力不足的那些管段形成的不良影響疊加,所以要提高城市排水能力,首要是解決低標準管段,特別是排水能力重現(xiàn)期低于1 a 的標準管段的改善;對于不滿3 a 和5 a的管網(wǎng),由表5、表6 可知,隨著重現(xiàn)期增加,管道超載長度占比增長率明顯降低,溢流點個數(shù)增長率也明顯降低;所以,對于石巖街道,管道排水標準提升到3 年一遇將很大程度提升城市管網(wǎng)排水能力。

        表6 各重現(xiàn)期下石巖街道內澇積水點情況統(tǒng)計表

        圖5 石巖街道各設計重現(xiàn)期下管網(wǎng)充滿度分布

        表5 石巖街道管道排水能力劃分與統(tǒng)計

        4.4 內澇風險分析

        耦合模型模擬計算城區(qū)內澇積水情況(圖6),統(tǒng)計各設計重現(xiàn)期下歷史內澇點的最大積水水深和積水面積(表6),1年一遇設計暴雨時,石龍大道龍大高速路口(澇點1)會產(chǎn)生內澇積水,主要原因為水田支流箱涵過水能力不足,水位抬升頂托該處管道排水口,大大增加該處道路積水內澇風險,大于2 年一遇降雨時,超過水田支流排水能力,河道溢流,導致道路大面積內澇。祝龍?zhí)稞埓蟾咚贅蚝滁c2)2年一遇設計暴雨時最大積水深度為0.24 m,3年一遇設計暴雨時最大積水深度陡增到2.80 m,該處處于道路“盆底”,設有排澇泵站進行積水抽排,泵站設計流量0.6 m/s,2年一遇下泵站抽排時間發(fā)生在1點26分至4點13分,3年一遇下泵站抽排從1 點7 分始至模擬結束(5 點)仍持續(xù)抽排未關停,說明泵站抽排能力不足,不能滿足強暴雨時橋涵處排澇需求,兩工況下泵站開始抽排時刻累積降雨量值均為47 mm,即橋涵處管道自排降雨量閾值為47 mm。青年路(澇點3)在2 年一遇降雨下也將內澇,查看該處管網(wǎng)排水情況(圖7(a)),1年一遇時,該段管屬于有壓流,主要由于下游排水能力不足,分析重現(xiàn)期2 a、3 a 和5 a 下水位情況,該段管排口受天圳河河水頂托[16],導致排水不暢,又由于青年路地面有局部低洼區(qū)(圖7(b)管道350 m處),造成該路段積水內澇。分析光明路與愛群路交叉口內澇點(澇點4,圖7(b)),從地勢分析,光明路橋段與路面高差大,形成洼地,雨天周邊雨水均匯集于此,從管道分析,管道存在大管接小管問題,且存在倒坡現(xiàn)象,區(qū)域匯水面積較大但管徑只有0.6 m,管道排水能力不足造成內澇積水。降雨強度達3年一遇時,4個易澇點的積水水深均大于0.50 m,淹沒面積大于1 000 m2,為高風險點,預報3 年一遇降雨時,相應管理部門要提前做好應急預警和交通疏散。

        圖6 各重現(xiàn)期下模擬區(qū)域內澇風險圖

        圖7 內澇點周邊管網(wǎng)水流情況

        由模擬內澇風險圖可知,石巖街道不僅在已上報4個點發(fā)生內澇,隨著降雨強度增加,內澇風險點增多且淹沒面積增大、淹沒水深增加,模擬預測降雨強度增加時,官田路和官田一路段將發(fā)生較嚴重內澇積水,統(tǒng)計各重現(xiàn)期城區(qū)淹沒水深和總淹沒面積及管網(wǎng)溢流井個數(shù)(表7),隨著設計暴雨越大,淹沒范圍增加,淹沒水深增加,重現(xiàn)期為5 a時,管網(wǎng)溢流點占總量40.84%,淹沒面積達0.26 km2,占石巖街道總城區(qū)面積約1.2%,淹沒面積隨重現(xiàn)期加大而增加幅度逐漸降低,淹沒水深隨重現(xiàn)期加大而增加幅度有先增長后下降趨勢,管網(wǎng)溢流點個數(shù)隨重現(xiàn)期加大增加幅度也逐漸降低,說明局域性內澇嚴重程度將加碼,暴雨越大易澇區(qū)澇得越嚴重,且當重現(xiàn)期大于3 a時,溢流點個數(shù)增長率明顯下降。

        表7 不同水深淹沒面積統(tǒng)計表

        4.5 城市內澇積水點降雨閾值分析

        根據(jù)《城鎮(zhèn)內澇防治系統(tǒng)數(shù)學模型應用技術規(guī)程》(T/CECS 647—2019)相關規(guī)定,評估城市內澇積水風險,根據(jù)淹沒深度h劃分內澇積水風險等級標準,低風險:27 cm>h≥15 cm,中風險:50 cm>h≥27 cm,高風險:h≥50 cm。

        根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和降雨水深模擬結果,得到各易澇點不同風險情況下降雨量閾值,見表8。當3 h 降雨量達20 mm 時,石龍大道龍大高速出口為低風險點,降雨量達40 mm(3 h,小于1年一遇)時,則變?yōu)楦唢L險點;降雨量超60 mm(3 h,小于2 年一遇)時,祝龍?zhí)稞堖_高速橋涵易澇點為高風險點;降雨量達70 mm(3 h,近2年一遇)時,青年路為高風險點,降雨量達80 mm(3 h,不足3年一遇)時,光明路與愛群路交匯口為高風險。

        表8 石巖街道易澇點的降雨量(3 h)閾值分析

        5 結 論

        (1)石巖河干流滿足100年一遇設計暴雨標準,水田支流防洪能力不足2年一遇,上排河防洪能力不足5年一遇,支流行洪不足的原因主要是箱涵段過流能力不足,形成卡口。

        (2)石巖街道管道排水能力重現(xiàn)期不足1 a 的占比34.24%,滿足重現(xiàn)期1~5 a 的占比17.59%,超5 a 的占比48.17%,城市人口集中區(qū)管網(wǎng)排水能力弱,城鎮(zhèn)新建區(qū)管網(wǎng)排水能力較好。

        (3)分析石巖街道內澇點,認為內澇形成原因有:局部低洼,匯水面積大;管道自身排水能力不足,主要有大管接小管問題、倒坡問題、管徑太小等問題;下游河水頂托,管道排口排水不暢。

        (4)隨著降雨強度增加,管道超載長度增加幅度減小,管井溢流點個數(shù)增加幅度減小,城市淹沒面積增加幅度減小,淹沒水深增加幅度有先增長后下降趨勢,說明低標準管段形成的不良影響將疊加,持續(xù)性加重局部內澇嚴重程度,所以要提高城市排水能力,首要是解決低標準管段,特別是排水能力重現(xiàn)期低于1 a 的管段,當管網(wǎng)標準提升到3 a以上就可大大提升城市排澇能力。

        (5)分析石巖街道已上報易澇點內澇風險降雨量閾值,當3 h降雨量達20 mm時,石龍大道龍大高速出口為低風險點,降雨量達40 mm 時,則變?yōu)楦唢L險點;降雨量超60 mm 時,祝龍?zhí)锫俘埓蟾咚贅蚝瓰楦唢L險點;降雨量達70 mm時,青年路為高風險點;降雨量達80 mm時,光明路與愛群路交會口為高風險點。

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