引入模擬仿真新技術制定成都市中心城建成區排澇能力提升方案

朱 鋼， 陸 柯

（成都市市政工程設計研究院，四川成都 610015）

0 前言

近年來全國各地在極端天氣下城市局部地區內澇頻發，據《人民日報》2011年7月發布的數據顯示，2008年至2010年間，全國62%的城市發生過內澇，內澇災害超過3 次以上的有137 個，極端天氣下城市洪澇災害已成為威脅城市安全的一大隱患。

2011年7月3日成都市遭遇了歷史罕見的特大暴雨襲擊（后簡稱“73 暴雨”），中心城區40 多條道路積水，局部低洼地區內澇嚴重，6 座下穿隧道積水較深，64 處企事業和居民住房進水，350 多輛汽車進水。此后，成都市政府非常重視此次內澇教訓，要求進一步理清思路，進行科學規劃和建設，有效應對超標暴雨。為此，成都市規劃局申請立項的“成都市中心城區排澇規劃”于2012年底獲批，探索引入仿真模擬技術輔助排澇規劃的實施。2013年3月25日國務院辦公廳發布的《國務院辦公廳關于做好城市排水及暴雨內澇防治設施建設工作的通知（國辦發[2013]23 號）》中的有關要求進一步強化了成都市中心城區排澇規劃中綜合利用信息模擬技術來分析內澇成因，評估洪澇風險，尋求工程和非工程措施的內澇解決方案的必要性和緊迫性。

1 成都市中心城建成區概況

成都市中心城區位于岷江沖洪積扇的東南緣，規劃面積約598 km2，地勢西北高，東南低，海拔位于482～54 1m 之間。中心城區的雨水管網長約2 600 km2，排河口約2 200 個，排水分區約600個，多數由河道和地形分割形成。城區內82 條河穿城而過，主要分為府河水系、清水河水系、江安河水系、東風渠水系和毗河水系，見圖1。這些水系在防洪排澇、自流灌溉、社會用水、生態景觀等方面發揮了巨大作用。

圖1 中心城建成區雨水管網圖

2 方案制定的思路

第一步：掌握信息。利用GIS 地理信息系統收集到了中心城區的排水管網空間及屬性數據、地形高程數據、用地類型、道路河網、建筑背景及航拍影像信息。收集到了近30年的月降雨量數據和3年（2010～2012年）的小時降雨量數據；收集到了外環以內377 個河道斷面數據，以及望江樓水文站的實測水位和流量；調查并獲取了歷史內澇積水信息（淹沒范圍、對象和水深），收集了相關規劃文本。

第二步：信息集成分析。利用信息集成分析方法梳理GIS 管網數據，理清排水特征，修正排水分區，找出存疑數據和空缺數據以供核實。分析了下墊面特征、降雨特征和典型暴雨規律；理順了河網拓撲并掌握了分洪調度原則。

第三步：仿真模擬。構建中心城區的河網模型以及二維地表漫流模擬，評估河網的排洪能力，識別積水風險區域，結合用地布局、道路交通重要性與淹沒對象信息，確定內澇問題解決的輕重等級，為利用精細模型評估和解決措施的確定提供依據。

第四步：精細模擬。確定第三步所找出的風險區域所位于的排水分區。針對這些排水分區建立精細模型，進行水文水動力耦合與一二維耦合模擬，評估片區管網的排水能力和內澇風險，繪制內澇風險圖與泄流路徑，尋求工程與非工程組合的措施提升片區的排澇能力。

第五步：報告編寫與成果表達。參照《城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱》并結合本規劃的實際，編寫規劃報告并附圖。

方案思路示意見圖2。

圖2 方案思路示意圖

3 宏觀風險評估

3.1 宏觀風險區域模型模擬

根據住建部2013年6月發布的“城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱”的要求，成都市中心城區位列36 個大中城市，應能有效應對不低于50 a一遇的暴雨，因此宏觀內澇風險評估采用50 a 一遇3 h 設計暴雨過程。內澇風險評估的區域為中心城區375 km2的建成區。

宏觀內澇風險評估在集成地面高程GIS 數據，城市下墊面狀況的基礎上，采用50 a 一遇3 h 設計暴雨過程，扣除建成區內不同排水分區的排水能力，采用二維水力模擬降雨至地面的產匯流過程。模型計算得出的成都中心城區50 a 一遇3 h設計暴雨積水點及深度分布見圖3。

圖3 中心城區建成區50 a 一遇3 h 設計暴雨風險區域圖

3.2 內澇風險點、區的劃分

根據《室外排水設計規范》（GB50014-2006,2014 版），地面積水標準為：（1）居民住宅和工商業建筑物的底層不進水；（2）市政道路中至少有一條車道的積水深度不超過15 cm，據此劃分中心城區建成區的內澇風險點、區，共梳理出了109 個易淹點和89 個易淹區，見圖4。

圖4 中心城區建成區 內 澇風險點（區）分布圖

4 精細化模型應用

以人民公園和羊市街片區為例進行精細化模型模擬，選用了XPSWMM 商業模型軟件。該軟件集成了水文學與水動力學、管網與河網耦合模擬、一維和二維耦合模擬于一體，計算引擎快速穩定，界面友好，與CAD 和GIS 銜接良好，在國內外應用廣泛。該片區南側緊靠南河，北側接近府河，西側緊臨飲馬河、西郊河，東側以東城根街和文翁路為主要邊界，接近天府廣場。片區內建筑較為密集，人民公園是區域內綠化面積較大的區域。

4.1 模型概化

人民公園和羊市街片區的雨水管網處于連通狀態，將這兩個片區放在一個模型中進行模擬分析，模型網絡概化見圖5～圖7，包括2 691 個節點和2 710 個連接（管道、管渠）。雨水管網主要往南側的南河和西側的飲馬河、西郊河排放，東城根街和文翁路上的雨水管網匯集了區域一半以上面積的雨水，是主要的雨水排放管道。

圖5 地面高程背景下的管網概化圖

圖6 影像圖背景下的管網概化圖

圖7 影像圖背景下集水區劃分

4.2 模型檢驗

人民公園和羊市街片區雨水模型的一維和二維模擬“73”暴雨的內澇淹沒范圍見圖8。模型模擬的淹沒范圍與調查的4 個淹沒范圍吻合，淹沒水深除羊市街隧道范圍的淹沒水深偏小外，其余均較為接近。

圖8 “73”暴雨下片區淹沒風險圖

4.3 內澇原因診斷

片區內澇原因診斷見圖9。

圖9 片區內澇原因診斷圖

（1）東城根街和文翁路上的雨水管網匯集了區域一半以上面積的雨水，是主要的雨水排放管道，負擔的排水壓力較重。73 暴雨該主干管網的排水能力不足，模型模擬顯示多處管段排水能力超限，發生溢流，無法及時排除雨水。

（2）人民公園門前的祠堂街路南側雨水管道沿著蜀都大道接到方池街后，從包家巷接到小南街雨水管道。這條線路的雨水管道存在大管接小管，再接大管的情況，形成“管喉”阻水點。

（3）蜀都大道路北側雨水管道從下同仁路口至祠堂街路匯入東城根街骨干雨水管道。由于東城根街骨干雨水管道在73 暴雨期超負荷運行，造成該段管道的排水不能有效下泄，發生溢流，無法及時排走地表雨水，形成積水。

（4）祠堂街地勢低于東城根街，地表排水受阻，澇水下泄受阻。

5 排澇能力提升方案

人民公園和羊市街片區排澇能力提升工程措施包括：

（1）小南街靠近祠堂街的雨水管道改造，敷設管徑為DN1500 的管道，并與祠堂街DN1200 管道連接；同時在長順上街路東敷設DN1200 管道過祠堂街，連接小南街DN1500 管道，改變排水方向。

（2）方池街雨水管道靠近蜀都大道的DN400～600 管道改建為DN800，同時將方池街路西蜀都大道路南的一段DN800 雨水管道方向改造，往方池街方向排水。

（3）東城根街東側雨水管道在金家壩街北側的DN600 管道擴大為DN800，與北面的東城根街路東側的DN1400 連接，南面與人民西路管道連接。人民西路自東城根街往小河街的雨水管道擴大為DN1000。

（3）在人民公園現狀景觀湖水面下設置容積約10 000 m3的調蓄池，東城根街文翁路DN1500 管道通過DN1500 管道與調蓄池連接，調蓄池設置規模為1.0 m3/s 泵抽排，并在小南街設置DN1000 的壓力管排往南河，見圖10。

圖10 片區排澇能力提升工程方案圖

6 工程方案實施效果評估

工程措施實施后，可將片區雨水管網排澇能力提升至10 a 一遇6 h 設計暴雨下不溢流，20 a一遇6 h 設計暴雨極個別地點出現積水，但積水深度不超過國家規范要求，交通不會阻斷，提升改造取得良好效果，見圖11。

7 結論

（1）解決城市內澇是目前成都市面臨的嚴峻問題，具體來說我們面臨對排水系統怎樣進行改造，如何從巨大的管網系統中發現問題，并針對問題找到科學有效的解決辦法以及如何找到適應新形勢下的雨水排水系統的管理手段等問題。

圖11 片區20 a 一遇6 h 設計暴雨下積水風險圖

（2）本次提升方案的總體思路為：在集成若干信息的基礎上，通過計算機仿真模擬，找出易淹區（點），再針對每個片區進行精細化評估和問題診斷，提出解決措施，最后對措施實施后的效果進行評估。

（3）通過宏觀內澇風險評估，在中心城區內鎖定了89 個易淹區，109 個易淹點作為排澇能力提升的重點。

（4）精細化風險評估通過模型概化、模型檢驗，找出了系統上產生內澇的原因，并提出了若干工程措施。

（5）工程措施實施后，片區雨水管網排澇能力提升至10 a 一遇6 h 設計暴雨不溢流，20 a 一遇6 h設計暴雨有少量積水，但不影響交通，提升改造取得良好效果。

[1] 成都市市政工程設計研究院.成都市中心城建成區排澇能力提升規劃-引入模擬仿真新技術制定中心城防澇方案[Z].

[2] 成都市防汛指揮部,成都市市政工程設計研究院,成都市規劃設計研究院.成都市城市防洪總體規劃[Z].

[3] 成都市市政工程設計研究院.成都市主城區排水工程規劃[Z].

[4] 成都市統計局.成都統計年鑒-2011[M].北京:中國統計出版社,2011.