馮 博,朱建國(guó),佘 磊
(江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210019)
近年來(lái),城市內(nèi)澇嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全,快速城鎮(zhèn)化和基礎(chǔ)設(shè)施短板問(wèn)題使得城市面臨強(qiáng)降雨時(shí)往往逢雨必澇[1,2]。對(duì)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估并提出針對(duì)性措施是降低內(nèi)澇損失的有效途徑。邱健等[3]采用模型軟件對(duì)雨水管道過(guò)流能力進(jìn)行分析評(píng)估,采取管網(wǎng)改造等措施消除積水點(diǎn);于磊等[4]構(gòu)建了北京城市副中心的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,提出應(yīng)關(guān)注河道水位、管網(wǎng)排水能力、地形高程等多因素影響下的內(nèi)澇問(wèn)題;欒震宇等[5]采用情景模擬法對(duì)城市內(nèi)澇進(jìn)行模擬,提出應(yīng)針對(duì)管網(wǎng)、河道等基礎(chǔ)設(shè)施短板針對(duì)性進(jìn)行改造。王俊佳等[6]采用情景模擬法模擬了不同設(shè)計(jì)工況下城市內(nèi)澇積水情況,并以此評(píng)估城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)?;诂F(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn),內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)多采用情景模擬法或指標(biāo)體系法進(jìn)行評(píng)估,由于城市層面的雨水排放體系更為復(fù)雜,內(nèi)澇成因更為多元,對(duì)應(yīng)手段也更為豐富,在進(jìn)行城市層面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)時(shí),更應(yīng)結(jié)合用地布局、功能分區(qū)等因素,豐富城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)涵,注重綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),采取因地制宜的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)手段[7]。
本文針對(duì)常州市某片區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)隱患,將情景模擬法和指標(biāo)評(píng)估法相結(jié)合,構(gòu)建了基于災(zāi)害危險(xiǎn)性、脆弱性和暴露性的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,完成城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖繪制。針對(duì)城市內(nèi)不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)特征,提出了方案優(yōu)化調(diào)整、風(fēng)險(xiǎn)避讓和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)等解決方案,為完善城市內(nèi)澇安全體系提供科學(xué)支撐。
研究區(qū)域位于長(zhǎng)江三角洲太湖平原西北部,常州市南部城區(qū),總面積約220 km2,其中建設(shè)用地141 km2。區(qū)域內(nèi)平原寬廣,地勢(shì)低平,河網(wǎng)稠密,具有典型的“江南水鄉(xiāng)”自然風(fēng)貌。多年平均降雨量1 124 mm,降雨主要集中在夏秋兩季,其中6-9月雨量占60%以上。
經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)活動(dòng),本地區(qū)防澇系統(tǒng)已形成了依托城市防洪外河為屏障、以內(nèi)河-閘站設(shè)控為主的水利系統(tǒng)與排水管網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合的工程體系,遵循“高水高排、低水低排”原則,城區(qū)形成高水自排區(qū)(地面高程高于洪水位3.9 m)和低水抽排圩區(qū)。
根據(jù)研究需要,收集研究范圍內(nèi)相關(guān)資料。其中,建設(shè)用地類型主要來(lái)源于城區(qū)現(xiàn)狀用地圖和地形圖;河道、泵站、雨水管網(wǎng)、降雨資料等來(lái)源于排水設(shè)施普查資料[8,9]。
2.2.1 模型框架
采用MIKE FLOOD 軟件構(gòu)建內(nèi)澇模型。其中,利用MIKE11 構(gòu)建河道水動(dòng)力模型,模擬河網(wǎng)中的非恒定流;利用MIKE21 構(gòu)建地表漫流模型,模擬積水在地面上的流動(dòng);利用MIKE URBAN 構(gòu)建排水管網(wǎng)模型,模擬雨水在管網(wǎng)中的流態(tài);基于MIKE FLOOD 平臺(tái)耦合上述模型,分析積水區(qū)域和積水深度等。
2.2.2 模型概化
對(duì)區(qū)域內(nèi)承擔(dān)主要排澇能力的河道進(jìn)行概化,將武南河、采菱港、漕橋河等河道基于實(shí)測(cè)斷面構(gòu)建河道文件,河道糙率為0.022,共概化形成河道146 條,總長(zhǎng)31.3 km。導(dǎo)入雨水主干管的埋深、坡度、粗糙度等信息,共概化管段759.3 km、排水口1 052 個(gè)、檢查井23 222 個(gè)。將不同下墊面賦予不同徑流系數(shù)(其中,建筑與小區(qū)為0.6,道路為0.85,公園綠地為0.15,其他用地為0.5),采用加權(quán)計(jì)算匯水區(qū)徑流系數(shù)。
采用短歷時(shí)降雨對(duì)雨水管道進(jìn)行評(píng)估。短歷時(shí)120 min 降雨采用芝加哥雨型,雨峰系數(shù)采用0.4,1 年一遇、2 年一遇、3 年一遇、5 年一遇的120 min 降雨量分別為39.98、45.74、49.11、53.35 mm。
采用長(zhǎng)歷時(shí)對(duì)地表積水深度和時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。對(duì)研究區(qū)域最大24 h、最大6 h 和最大1 h 降雨資料進(jìn)行頻率分析,根據(jù)1991 年典型降雨雨型對(duì)設(shè)計(jì)降雨進(jìn)行同頻縮放,研究區(qū)域30年一遇24 h總降雨量約188.5 mm。
通過(guò)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較進(jìn)行模型校準(zhǔn),合理確定水文參數(shù),減少模型誤差。
選取2021 年3 月21 日監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)降雨流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。經(jīng)分析,模擬管道流量和監(jiān)測(cè)數(shù)值誤差相對(duì)較小,納什系數(shù)為0.78。對(duì)比實(shí)測(cè)積水和模擬積水情況,有77%的積淹水點(diǎn)積水深誤差小于0.10 m。故認(rèn)定本模型精度基本滿足要求。
內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法主要有歷史災(zāi)情法、情景模擬法、指標(biāo)體系評(píng)估法等,其中,基于指標(biāo)體系評(píng)估的方法應(yīng)用較為廣泛,能夠全面科學(xué)的評(píng)估城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的大?。?0-12]。本文將情景模擬結(jié)果納入指標(biāo)體系,基于層次分析法(AHP)構(gòu)建多因子比較判斷矩陣確定各因子的權(quán)重系數(shù),綜合評(píng)估內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 模型率定Fig.1 Model calibration
圖2 典型內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)估圖Fig.2 Assessment of typical waterlogging risk factors
內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系主要分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。以內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)作為目標(biāo)層,準(zhǔn)則層采用危險(xiǎn)性(H)、脆弱性(S)和暴露性(E)三方面致災(zāi)因素[13],指標(biāo)層詳見表1。
表1 城市內(nèi)澇災(zāi)害主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子表Tab.1 Main risk assessment factors of urban waterlogging disaster
危險(xiǎn)性的指標(biāo)層包括情景模擬法得到的積水深度和積水時(shí)長(zhǎng)。積水深度越大,積水時(shí)間越長(zhǎng),表明內(nèi)澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性越大。本研究采用管網(wǎng)、二維地表徑流及河道模型耦合進(jìn)行情景模擬,對(duì)30年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下的研究區(qū)積水情況進(jìn)行模擬,將積水深度和積水時(shí)間各分為5個(gè)等級(jí)。
脆弱性的指標(biāo)層包括管網(wǎng)排水能力和場(chǎng)地地面高程[14]。在平原水網(wǎng)地區(qū),豎向高程越高排澇越有利;管道排水能力越強(qiáng),內(nèi)澇災(zāi)害的恢復(fù)力和應(yīng)對(duì)能力越強(qiáng)。根據(jù)外洪水位和排澇水位將城區(qū)高程以內(nèi)河常水位、內(nèi)河最高水位、外河20 年一遇洪水位、外河100 年一遇洪水位等特征水位劃分5 個(gè)高程等級(jí)。采用水力模型進(jìn)行一維管道水力模擬,通過(guò)不同重現(xiàn)期降雨標(biāo)準(zhǔn)下各管段的水力坡降線來(lái)評(píng)估管段的排水能力,重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)。
暴露性的指標(biāo)層包括區(qū)域重要性和開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度[15]。采用人員聚集度反應(yīng)區(qū)域重要性,本研究選取人員活動(dòng)熱力圖為數(shù)據(jù)源分析人員聚集情況。研究發(fā)現(xiàn),白天辦公場(chǎng)所、商場(chǎng)、醫(yī)院區(qū)域的熱度較高,呈點(diǎn)狀分布;夜晚商場(chǎng)周邊、居住區(qū)人員密集,呈片狀分布;學(xué)校等區(qū)域人員始終保持較高的聚集度。將地區(qū)重要性指標(biāo)分為重要地區(qū)和一般地區(qū)兩類,其中,重要地區(qū)包括人員較為聚集的辦公場(chǎng)所、商場(chǎng)、醫(yī)院及學(xué)校等建設(shè)用地。建設(shè)密度是表征建設(shè)用地強(qiáng)度的重要指標(biāo),根據(jù)用地開發(fā)情況和影像圖解譯分析,將建筑密度分為5個(gè)等級(jí)。
按照層次分析法構(gòu)建內(nèi)澇評(píng)估指標(biāo)體系,采用1~9 的比例標(biāo)度對(duì)每一層的指標(biāo)就其重要性進(jìn)行兩兩比較,建立矩陣模型,計(jì)算每一層的權(quán)重系數(shù),并對(duì)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。經(jīng)判斷,一致性比例CR值為0.051 6,計(jì)算結(jié)果低于0.1,滿足一致性檢驗(yàn)要求。
為有效計(jì)算各影響因素對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度,需對(duì)指標(biāo)進(jìn)行一致化和無(wú)量綱處理。研究采用自然間斷點(diǎn)法將每個(gè)指標(biāo)按照對(duì)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)影響劃分為高、較高、中、較低、低風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)等級(jí),并分別賦予5、4、3、2、1分值表征對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,如表1所示。
結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重和分級(jí)賦值計(jì)算研究區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)度,內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)度為危險(xiǎn)性、暴露性和脆弱性的加權(quán)計(jì)算之和,如下式所示:
式中:w1i、w2i、w3i代表指標(biāo)層權(quán)重;Hi、Si、Ei代表指標(biāo)層分?jǐn)?shù);R代表內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分布,將其劃分為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共4個(gè)級(jí)別,具體圖3所示。
圖3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Fig.3 Risk assessment of waterlogging
圖4 城南片河道、閘站規(guī)劃Fig.4 Planning of river channels and gate stations in the south of the city
總體而言,研究區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要在中等級(jí)以下,占比為87.2%,較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以上區(qū)域4.7 km2,約占總面積的2.1%,主要集中于城南片區(qū)、濱河洼地片區(qū)、湖塘鎮(zhèn)區(qū)等區(qū)域。
城南片為研究區(qū)域高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),該區(qū)域雖屬高片區(qū),但部分區(qū)域由于受地面沉降影響,部分地區(qū)高程低于設(shè)計(jì)洪水位;隨著區(qū)域開發(fā),徑流量增大,在外河水位不可控的情況下,區(qū)域排水能力受限;且城南片是經(jīng)濟(jì)文化中心,故本地區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)高。為解決由于河道排水不暢引起水位抬高進(jìn)而削弱管網(wǎng)排水能力的問(wèn)題,擬調(diào)整排澇方案,將半夜浜區(qū)域通過(guò)水系溝通排入原長(zhǎng)溝湖塘區(qū)域,共同組成城南排水片,城南片雨水向南排入武南河。
4.1.1 河道及閘站規(guī)劃
城南片區(qū)內(nèi)河河網(wǎng)基本成型,但局部河段存在淤積堵塞、河道斷頭等現(xiàn)象,長(zhǎng)溝河、湖塘河為片區(qū)內(nèi)骨干河道,但斷面排水能力不足。規(guī)劃對(duì)長(zhǎng)溝河和湖塘河進(jìn)行疏浚,并根據(jù)要求局部拓寬,河口寬不應(yīng)小于20 m。完成高家浜改道建設(shè),在東寶南路東側(cè)新開河道1.1 km,恢復(fù)高家浜,使其北接大寨河、南連長(zhǎng)溝河;溝通小留河,新開1.5 km 向南延伸至長(zhǎng)溝河;加強(qiáng)半夜浜和戰(zhàn)斗河阻水構(gòu)筑物拆除工作,疏通箱涵,增強(qiáng)過(guò)流能力。
依據(jù)“高水自排,靈活抽排”的原則,低水位時(shí)利用地勢(shì)高的特點(diǎn)自排,當(dāng)外河河水頂托時(shí),利用閘站形成封閉排水片,通過(guò)排澇泵站提高片區(qū)排水能力,片區(qū)共新建節(jié)制閘2座,新建閘
從表2 可以看出,封閉抽排條件下積水區(qū)域由149.3 hm2降低為49.9 hm2,且基本不存在30 cm 以上積水區(qū)域,內(nèi)澇情況得到有效改善。站4座,片區(qū)排澇能力達(dá)72 m3/s。
表2 自由排水和封閉排水條件下內(nèi)澇區(qū)域統(tǒng)計(jì)一覽表Tab.2 List of waterlogging area under free drainage and closed drainage conditions
表3 不同用地年徑流總量控制率管控一覽表 %Tab.3 List of annual total runoff control rates in different land uses
4.1.2 方案模擬
城南片以“高水自排是根本,靈活抽排保安全”為理念調(diào)整防澇方案,當(dāng)水位低于2.6 m 時(shí),利用地形優(yōu)勢(shì)重力排水;當(dāng)河道水位繼續(xù)上漲至2.6 m 并仍有持續(xù)暴雨,水位將繼續(xù)抬高時(shí),啟用閘站降低內(nèi)河水位,直到片區(qū)水位下降到1.6 m 時(shí)停止抽排。
使用MIKE FLOOD 軟件對(duì)城南片自排和抽排兩種排澇方案的實(shí)施成效進(jìn)行模擬分析。根據(jù)模擬結(jié)果,在自排條件下,河道水位條件與外圍邊界河道水位趨勢(shì)一致,最高水位在3.8 m,而封閉條件下最高水位不超過(guò)2.3 m。由此可見,封閉排水條件下,可對(duì)排水片區(qū)內(nèi)水位進(jìn)行靈活調(diào)控,為雨水管道排放提供較好的外部條件。重點(diǎn)片區(qū)在自由排水和封閉抽排方式下的內(nèi)澇情況如圖5所示。
圖5 不同排水方案條件下積水區(qū)域分布圖Fig.5 Distribution of waterlogged areas under different drainage schemes
應(yīng)注重結(jié)合區(qū)域排水分區(qū)概況、場(chǎng)地用地性質(zhì)等因素開展剛彈結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)避讓。針對(duì)濱河洼地片風(fēng)險(xiǎn)區(qū),應(yīng)針對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)高地優(yōu)化調(diào)整用地布局,盡量避免建設(shè)變電站、交通場(chǎng)站等區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施,醫(yī)院、政府機(jī)構(gòu)、福利院、敬老院等重要公共服務(wù)設(shè)施和大型居住社區(qū)等;優(yōu)先建設(shè)親水性較強(qiáng)設(shè)施,例如濱水開發(fā)空間、戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所、通航設(shè)施、防洪基礎(chǔ)設(shè)施等,同時(shí)應(yīng)完善應(yīng)急疏散及救援方案[16]。
本研究中場(chǎng)北河與孟津河中間區(qū)域存在大片高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),該區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地性質(zhì)為公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地,根據(jù)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果,建議在該區(qū)域布局一定規(guī)模的公園綠地,結(jié)合低洼地建設(shè)打造公共海綿設(shè)施,為周邊用地提供徑流控制,同時(shí)作為區(qū)域應(yīng)急調(diào)蓄空間。若確需進(jìn)行場(chǎng)地開發(fā),則應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)引導(dǎo),一是場(chǎng)地內(nèi)部控制較高的綠化率,嚴(yán)控開發(fā)強(qiáng)度,同時(shí)保留部分溝通水系,增強(qiáng)調(diào)蓄;二是明確豎向設(shè)計(jì)應(yīng)不低于3.9 m,對(duì)地下空間等出入口設(shè)置擋板,提高建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備的洪澇應(yīng)對(duì)能力,確保洪澇發(fā)生時(shí)不發(fā)生顯著損壞。
針對(duì)湖塘鎮(zhèn)區(qū)等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,應(yīng)高度重視實(shí)施綠灰結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì),針對(duì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)短板。加強(qiáng)源頭減排,發(fā)揮建筑、道路、綠地、水系等對(duì)雨水的吸納和緩釋作用,提升區(qū)域蓄水、滲水和涵養(yǎng)水的能力,結(jié)合建筑密度、綠地率等約束性控制指標(biāo),綜合考慮開發(fā)強(qiáng)度、用地性質(zhì)等因素,制定徑流控制管控指標(biāo)體系。對(duì)于不超過(guò)24.1 mm 的降雨(對(duì)應(yīng)年徑流總量控制率)進(jìn)行完全截留控制,基本不產(chǎn)生直接外排徑流;對(duì)于不超過(guò)45.7 mm 的降雨(2 a 一遇2 h),場(chǎng)地應(yīng)采取緩排措施進(jìn)行峰值流量削減,峰值流量不得超過(guò)傳統(tǒng)建設(shè)模式1 a 一遇2 h 降雨條件下的峰值流量。
要充分發(fā)揮公共海綿設(shè)施功能。針對(duì)已建城區(qū)建設(shè)強(qiáng)度高等特點(diǎn),依托城市更新、宜居社區(qū)建設(shè)實(shí)施老城“留白增綠”,發(fā)揮公共空間休閑、休憩及雨水安全調(diào)蓄等綜合功能。針對(duì)新建區(qū)域,全面落實(shí)海綿城市建設(shè)要求,一是發(fā)揮公共海綿設(shè)施徑流控制功能,調(diào)蓄雨水,降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn);二是通過(guò)建設(shè)雨水濕地,對(duì)雨水及周邊河道水體進(jìn)行透析凈化,改善水環(huán)境。
(1)結(jié)合內(nèi)澇積水情景模擬,構(gòu)建基于“危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露性”的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,采用多因子分析評(píng)估內(nèi)澇災(zāi)害的影響,使得評(píng)估結(jié)果更綜合更全面,能夠?yàn)閮?nèi)澇治理的輕重緩急和響應(yīng)對(duì)策提供可靠的依據(jù)。
(2)城南片等區(qū)域結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)成因分析,采用低水位時(shí)立足自排、高水位時(shí)靈活抽排的方案進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)水位低于2.6 m時(shí),利用地形優(yōu)勢(shì)重力排水;當(dāng)河道水位漲至2.6 m 后,啟用城南片排澇泵站降低內(nèi)河水位,減輕對(duì)管道的頂托作用,增強(qiáng)片區(qū)的蓄排功能。
(3)對(duì)濱河洼地等風(fēng)險(xiǎn)區(qū),實(shí)施必要的風(fēng)險(xiǎn)避讓,優(yōu)先布局親水性用地或設(shè)施;對(duì)確需建設(shè)的其他類型用地,應(yīng)嚴(yán)控開發(fā)強(qiáng)度,增強(qiáng)場(chǎng)地調(diào)蓄;明確豎向設(shè)計(jì)應(yīng)不低于3.9 m;同時(shí)提高建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備的洪澇應(yīng)對(duì)能力。
(4)針對(duì)湖塘鎮(zhèn)區(qū)等風(fēng)險(xiǎn)區(qū),注重綠灰結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì),加強(qiáng)源頭管控,對(duì)徑流量和峰值流量提出明確的管控要求。加強(qiáng)公共海綿設(shè)施建設(shè),發(fā)揮過(guò)程滯蓄作用,削減內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。