傅 春,林國聰,黃金燕,黃慧敏,鄭抒晨,余 鑫,錢 偉

(1.南昌大學工程建設學院,江西 南昌 330031; 2.南昌大學資源與環(huán)境學院,江西 南昌 330031)

近年來,隨著我國城市化的快速發(fā)展,不透水地表面積不斷增大,加上突發(fā)性暴雨等極端天氣頻發(fā),我國城市內澇越來越嚴重[1]。雨水管網是排除地面雨水、防止城市內澇災害發(fā)生的重要基礎設施,若雨水管網健康度低,則無法充分發(fā)揮應有的排水能力和效率,影響城市正常的運行秩序和安全[2]。因此,雨水管網健康度研究對城市防澇排洪具有重要意義。健康度是指地下管道在規(guī)定的時間和條件下穩(wěn)定、持續(xù)地完成預定功能,且不對社會、經濟、環(huán)境造成負面影響的能力,是表述管道綜合狀況好壞的指標[3]。

目前國內外普遍采用兩類方法對雨水管網健康度進行分析和評價。一類是通過對管道的實際檢測結果進行分析和評價,如林明波[4]采用閉路電視檢測(CCTV)技術,借助聲納、潛望鏡、紅外線等探測設備,從管材、管徑、管齡3個方面對三八泵站上游片區(qū)污水管道進行了實地檢測與評估,從而掌握了管道運行的實際健康狀況;楊利偉等[5]根據CCTV檢測結果,基于層次分析法和遺傳算法優(yōu)化BP神經網絡,構建了包含環(huán)境影響、排水能力、適應及修復能力3個影響要素及管齡、維護管理水平等14個子指標的健康狀況評估體系以及基于數據驅動的污水管道系統(tǒng)健康狀況評估模型,該模型可為評估過程節(jié)省大量成本,但要實現較高的預測準確率需要大量的樣本數據進行訓練。另一類分析和評價方法是進行水力模型模擬并將結果作為評價指標,如馬晴晴等[6]發(fā)明了一種考慮設計偏離分析的雨水管網健康度評價方法,該方法基于暴雨洪水管理模型(SWMM)對實際管網數據建模,根據模擬結果與管網測繪數據構建了包含排水能力指標與工程屬性指標的多層次評價指標體系,通過對指標賦權,利用逼近理想排序(TOPSIS)法進行信息融合來評價雨水管網健康度;袁浩[7]結合SWMM對目標區(qū)域的多工況動態(tài)數值進行模擬,提出了排水系統(tǒng)健康度的評價方法和評價指標,將模型模擬結果作為評價雨水管網健康度的依據。

上述研究工作的開展極大地豐富了管網健康狀況的分析內容,推動了管網健康狀況評估工作的發(fā)展。但是,相關研究大多選擇基于管網系統(tǒng)結構等物理屬性、現狀資料或依據模型模擬獲得排水能力等功能屬性結果,對管網健康狀況評價較為片面,對雨水管網自身管道結構狀況和管網排水性能相結合的研究較少,同時很少關注社會環(huán)境因素[8]?？紤]到健康的管道應是管網結構等物理屬性和服務功能等社會屬性的辯證統(tǒng)一[9],本文基于MIKE模型構建了包含排水能力、管網結構、環(huán)境因素和社會因素4大類綜合指標的雨水管網健康度評價體系,并以洋沙湖鎮(zhèn)澇溪橋村地區(qū)為例,采用層次分析法來分析岳陽市湘陰縣在遇暴雨干擾時的雨水管網系統(tǒng)健康度。

1 研究區(qū)概況和設計降雨

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省岳陽市湘陰縣洋沙湖鎮(zhèn)澇溪橋村,占地面積約3.06km2,雨水管網總管長為12.269km。該區(qū)東南部城市化程度較高,建筑密度相對較高,而西部城市化程度較低,建筑密度較低,地勢起伏較小,最大高程為58.71m,最低高程為39.56m。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候,氣候溫和,降水充沛,雨熱同期,四季分明。研究區(qū)降雨四季分布不均,暴雨汛期一般在4—9月,汛期年均降水量為929.9mm,占年總降水量的64.9%[10]。

研究區(qū)包含建筑用地、綠化用地、水源、道路用地、未利用地等5種土地利用類型(圖1),其中,未利用地包括裸露的巖石、荒地等路面,綠化用地包括路邊綠化、公園綠化等。

圖1 研究區(qū)土地利用類型

為了得到研究區(qū)內的雨水徑流量,在MIKE URBAN軟件中采用時間-面積曲線模型[11]進行計算,將模型分為兩大模塊,即產流控制模塊和匯流控制模塊。

在產流控制模塊中,首先要設置不同的下墊面徑流系數。考慮到雨水存在植被截留、填洼、下滲和蒸發(fā)等損失影響,參考金牧青[12]關于下墊面布局對降雨徑流的影響的研究及GB 50014—2021《室外排水設計標準》中不同地面徑流系數規(guī)定來確定不同類型下墊面的綜合徑流系數,建筑用地、道路用地、未利用地、綠化用地、水源的綜合徑流系數分別為0.85、0.80、0.60、0.15、0。

在匯流控制模塊中,采用等流時線法來計算城市地表雨水匯流量[13]。

1.2 設計降雨

參考文獻[14],設計降雨雨型可利用芝加哥雨型合成而得,岳陽市的暴雨強度公式為

(1)

式中:q為暴雨強度;P為降雨重現期;t為降雨歷時。

在芝加哥雨型中,雨峰系數即為設定雨峰出現的時間段,由于岳陽市的實際降雨中雨峰位置位于1/3處,故雨峰系數設置為0.33[15],取1、3、5、10、20a共5種設計重現期,降雨歷時設置為常引起城市內澇的短歷時降雨2h。因此,設計降雨過程如圖2所示。

圖2 不同重現期設計降雨過程

2 基于MIKE模型的雨水管網數據處理

2.1 數據來源及處理

研究區(qū)雨水管網的初始數據由湖南省規(guī)劃廳提供,包括檢查井底標高、管底標高、管徑與管長,為AutoCAD格式。管網數據首先由ArcGIS處理為節(jié)點和管道shp文件,然后導入MIKE URBAN軟件。降雨數據來自湖南省岳陽市氣象監(jiān)測站。地形數據是由ArcGIS提取AutoCAD格式節(jié)點高程后,創(chuàng)建不規(guī)則三角網(TIN)表面,然后通過TIN轉柵格的工具獲得最終DEM柵格數據。

處理后,研究區(qū)雨水管道系統(tǒng)共有273個節(jié)點,其中10個為排水口;管道總數為263根,均為圓形管道,最大直徑為1200mm,最小直徑為300mm。

2.2 一維排水模型

將研究區(qū)內收集的降水量和邊界條件引入MIKE URBAN軟件后,確定研究區(qū)雨水管道系統(tǒng)的拓撲關系,并利用系統(tǒng)自有泰森多邊形法將匯水區(qū)劃分為面積0.005～10.55hm2不等的263個子匯水區(qū)[16],劃分結果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)子匯水區(qū)劃分

2.3 二維地表漫流模型

在ArcGIS進行地形數據處理后,將處理后的地形數據再導入MIKE21軟件中進行二維地表漫流模型的構建和地表漫流計算。為了強調道路排水和建筑物擋水能力,將地形圖上道路用地的高度降低了0.15m,建筑物的高度增加了5m。同時,將研究區(qū)域外的地方高度升高以起到關閉邊界的作用。

2.4 耦合模型

待二維模型建立完成后,利用MIKE模型將MIKE URBAN一維管網模型與MIKE21二維地表漫流模型通過節(jié)點連接的方式進行耦合,最終MIKE模型耦合結果如圖4所示。

圖4 MIKE模型耦合結果

2.5 模型模擬結果驗證

基于從湘陰縣氣象局收集的20210720降雨事件以及實地訪問、研究和社交媒體報道的數據,完成模型的校準和驗證。

2.5.120210720暴雨過程

收集統(tǒng)計了2021年7月20日0:00到24:00的實測降雨資料,降水量為66.5mm。其中2021年7月20日的降雨大部分發(fā)生在17:00至21:00,暴雨主要發(fā)生在17:00至19:00之間,占總降水量的96.99%。因此,在建模過程中,暴雨的邊界條件設置為17:00至19:00。

2.5.2模型參數的校準和測試

為了使模型區(qū)域的降雨模擬結果與當前雨水管網和地表漫流情況更好地匹配,必須校準模型參數并測試模型。只有校準和測試結果在允許的誤差范圍內,才能進一步模擬和分析該地區(qū)在不同雨水設計情景下的內澇狀況。調整下墊面的綜合徑流系數,計算相應嚴重內澇點附近深度的誤差,誤差在-20%～10%[17]范圍內即視為校準符合要求。20210720暴雨嚴重內澇點如圖5所示,可見模擬得到的內澇點與本次降雨中積水點位置基本一致。

圖5 20210720暴雨嚴重內澇點

表1為20210720暴雨9個嚴重內澇點的模擬積水深度,與實際積水深度相比,相對誤差在允許范圍內,模擬結果與實際結果接近,表明模型參數合理。建筑用地、道路用地、未利用地、綠化用地的總徑流系數最終取值分別為0.85、0.77、0.52、0.12。

表1 20210720暴雨嚴重內澇點積水深度對比

結合該地區(qū)降雨相關數據和GB 50014—2021《室外排水設計標準》,確定了不同重現期的降雨過程,依據模擬積水深度進行內澇等級劃分。模擬結果表明,當降雨重現期為1～20a時,研究區(qū)90min設計降水量的積水量最大。圖6為不同重現期下的內澇等級劃分結果。

圖6 不同重現期下研究區(qū)90min設計降水量的內澇等級劃分

3 雨水管網健康度評價方法

3.1 評價指標體系

目前對城市排水管道健康分析的評價指標還沒有達成共識。顏文濤等[3]提出了城市排水管道預報健康度灰色關聯綜合分析模型,將分析管道指標集與虛擬最健康管道指標集作比較,從而確定管道的綜合健康狀況。但這種方法要根據不同區(qū)域的具體情況確立不同的虛擬最健康管道指標,不具備普適性。本文參考馬晴晴等[6]關于健康度的評價內容,并加上環(huán)境因素和社會因素,考慮排水能力、管網結構、環(huán)境因素、社會因素4個方面進行篩選,構建雨水管網健康度評價指標體系如圖7所示(括號中數據為指標權重)。

3.2 指標值

合理的指標值可以反映不同指標中評估對象的優(yōu)勢和劣勢?？紤]到MIKE模型在市政管道中的廣泛應用以及該模型的模擬結果與實際情況越來越一致,使用MIKE模型的模擬結果作為雨水管網排水能力指標值;管網結構指標值根據工程實際情況確定;環(huán)境和社會因素指標值參考相關資料[18-19]選取。結合現有技術法規(guī)、國家標準、行業(yè)規(guī)范中排水管道的安全性和風險[20-21],采取合理的等級賦分,將評價指標分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個等級,分別賦分>0.8～1.0、>0.6～0.8、>0.3～0.6、0～0.3。

充滿度C1、檢查井溢流量C2、檢查井溢流時間C33個指標的取值基于MIKE模型模擬結果,C1取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道的最大充滿度,C2取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道上游連接的檢查井產生的最大溢流量;C3取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道上游連接的檢查井發(fā)生溢流所持續(xù)的時間。其他雨水管網健康度評價指標的取值范圍如表2所示。

表2 雨水管網健康度評價指標的取值范圍

由于C1、C2、C3這3項指標之間量綱和量級的不同,給綜合分析造成不便,為方便計算,采用極值處理法[22]進行無量綱化處理,計算公式為

(2)

3.3 指標權重確立與健康度耦合

為了體現不同指標在雨水管網健康度評價指標體系中的重要性,采用層次分析法[23-25]進行指標賦權。指標影響越大的,權重越大;反之,權重越小。

在確定了評價指標的權重后,可計算得到各方案的加權指標值,并以加權指標值對所有待選方案進行綜合分析值計算。但是在計算過程中,綜合分析值與各指標間的函數關系未確定,若以簡單的線性關系求和,難以保證決策結果的準確性、合理性[26]。本文采用TOPSIS法對雨水管道在眾多指標下的健康狀況分析信息進行耦合。該方法將每根雨水管道看作是在n個評價指標組成的n維空間上的一個個具體的點,將各點到最理想化解的相對距離進行排序,從而反映各雨水管道的相對差距,也可以為每根雨水管道提供一套針對性的解決方案。TOPSIS法還具有對原始數據的利用比較充分、數據分布及樣本含量沒有嚴格限制、信息損失少、計算過程簡單易行等優(yōu)點[27]。

健康度計算步驟如下:

a.構造加權標準化矩陣。由于標準化矩陣X=(xij)m×15已經進行過無量綱化處理,所以在求理想解時可以把各指標均按照權重越大、取值越大的方式進行處理,構造加權標準化矩陣Z:

Z=(zij)m×15=(wjxij)m×15

(3)

式中:wj為指標j的權重;m為雨水管道序號;xij和zij分別為第i根管道第j項指標的加權標準化指標值和初始指標值。

b.計算正理想解和負理想解:

(4)

(5)

(6)

(7)

d.計算相對貼近度ηi,即健康度。計算公式為

(8)

將ηi從小到大排列,排序結果即為雨水管道的健康度順序。綜合每根管道管長li占管網總長的比重作為權重,通過式(9)計算雨水管網的綜合健康度η:

(9)

4 結果與分析

4.1 指標值確定與標準化

考慮到城市化的發(fā)展,基于GB 50014—2021《室外排水設計標準》,雨水管網的MIKE模型選擇重現期為3a,模擬得到管道充滿度、溢流量、溢流時間等參數。對于其他無法通過模擬實現的定量或定性指標,由湖南省規(guī)劃廳根據初步雨水管網數據和實地調查獲得,如表3所示。

表3 重現期3a時不同等級評價指標對應的管長和管長占比

對各項具體指標進行賦分處理,其中根據式(2)對每根管道的C1、C2、C3指標值進行無量綱化處理,且對無量綱化后的指標值的分布情況判斷是否存在異常,將其中的異常值重新確定為正常值區(qū)間內的相應上限值或下限值。圖8為每根管道的標準化指標值的分布情況。

圖8 標準化指標值的分布

4.2 指標權重計算與健康度耦合

結合專家的意見,采用改進層次分析法[22]確定研究區(qū)域內排水能力、管網結構、環(huán)境因素與社會因素4項綜合指標的相對重要程度,最終確定B1、B2、B3、B4的權重分別為0.5693、0.2643、0.0609、0.1055。具體評價指標權重基于改進層次分析法確定,依據專家意見確定排水能力指標的相對重要順序為C1>C2>C3>C4>C6=C7>C5,管網結構指標的相對重要順序為C8>C9>C10,環(huán)境因素指標的相對重要順序為C11>C12,社會因素指標的相對重要順序為C13=C14>C15。據此構建4類指標的比較矩陣與判斷矩陣,并進行一致性檢驗,采用一致性比率(一致性指標和平均隨機一致性指標的比值)進行判斷,當一致性比率小于0.1時,判斷矩陣通過一致性檢驗。4類指標的一致性指標值分別為0.0208、0.0088、0、0,平均隨機一致性指標值分別為1.36、0.52、0、0.52,由此可見判斷矩陣滿足一致性。指標權重的計算結果如圖7所示。

根據式(3)～(8)計算每一根管道的健康度,并將其數值從小到大進行排序,得到健康度最小為0.363,最大為0.891;參照文獻[28]和研究區(qū)域內的實際情況,將管網的健康狀況分為危險、較差、及格、良好和優(yōu)秀5個等級(表4),得到研究區(qū)整體雨水管網的綜合健康度等級分布如圖9所示。

表4 雨水管網的綜合健康度等級

圖9 雨水管網健康度等級分布

根據式(9)可得到該區(qū)域雨水管網的綜合健康度為0.54,整體健康狀況處于較差水平。同理,可得到該區(qū)域的排水能力指標的綜合得分為0.48,管網結構指標的綜合得分為0.78,社會因素指標的綜合得分為0.66,其中環(huán)境因素指標沒有差異計算,綜合得分為1。最終根據各項綜合指標得分情況,排水能力指標應作為該區(qū)域管網養(yǎng)護和局部改造的重點。

4.3 健康度評價結果的合理性驗證

為了驗證雨水管網健康度評價結果的合理性,確定健康度是否能充分反映管道的真實狀態(tài),將健康度評價結果與MIKE模型耦合形成的積水風險結果進行疊加分析。

由于該區(qū)域管網的設計標準為2～3a,故將降雨重現期為3a時積水風險評估結果與管網疊加分析,結果如圖10所示。由圖9和圖10可知,積水風險較大、積水較深的一些區(qū)域附近的管道健康度等級也相對較差,說明雨水管網健康度評價結果有一定的合理性。

圖10 積水深度與管道分布(P=3a)

5 結 論

a.研究區(qū)域雨水管網的綜合健康度為0.54,整體健康狀況處于較差水平。在排水能力、管網結構、環(huán)境因素、社會因素4項綜合指標得分中,排水能力得分最低,僅為0.48。鑒于其指標權重最大而得分最低,后續(xù)關于管網維護的整治中應將其作為重點對象。

b.設計降雨重現期為1～20a的2h短歷時降雨過程中,重現期越大,積水深度也越大,但達到最大積水深度的時間并不受重現期影響,且均為90min時最大,此時雨水管網的健康度也最低。

c.通過對研究區(qū)的管網健康度評價結果與積水分布狀況進行疊加分析,積水較深的一些區(qū)域附近的管道健康度等級也相對較差,驗證了雨水管網健康度評價的合理性。