城市排水系統內澇風險評估

楊 嚴，彭海琴

(1.鎮江市氣象臺，江蘇鎮江 212000；2.上海市城市排水有限公司，上海 200233)

隨著城市化的高速發展，用地性質改變，加上城市熱島效應，致使城市極端天氣變多，內澇災害增多，造成路面積水、交通癱瘓，嚴重影響城市正常生活秩序。據統計2011年～2015年，北京、上海、武漢、廣州、南京、杭州等多個大中城市發生內澇，造成經濟損失的同時給城市人民生活帶來諸多不便[1-3]。

早期排水系統以及構筑物的低標準設計，造成了污水溢流和城市內澇問題多發。為了解決城市內澇問題，需要了解不同降雨強度下，現狀排水管網的運行狀況，根據內澇情況，適當地提高排水防澇設施建設標準。由此，本文的主要內容為研究不同重現期下某排水系統服務范圍內區域的積水情況，研究成果為該區防汛工作提供理論依據。

1 模型建立

1.1 研究對象

某排水系統位于上海市某區內，為合流制排水系統，系統設計標準為1年一遇。該系統服務范圍：北起惠民路，南至楊樹浦路，西沿懷德路、揚州路、通北路至楊樹浦路，東至楊樹浦港，服務面積為91萬m2，泵站設計規模為8.68 m3/s，截流泵站設計規模為0.55 m3/s，污水和截流雨水通過主干管進入污水廠，雨水排港，服務范圍如圖1所示。

圖1 研究對象Fig.1 Object of the Study

研究區域人口密度為217.5人/(萬m2)，人均日綜合生活用水量為221 L/(人·d)[4]，污水定額為198.9 L/(人·d)。區域內產流表面以及所占比例分別為路面59.73萬m2(65.64%)、房屋面19.79萬m2(21.75%)和綠化面11.61萬m2(12.76%)。

1.2 研究區域DEM數字高程模型

為了解不同降雨強度下，排水系統服務范圍內內澇積水情況，首先需建立研究區的高程模型。基于GIS在ArcMap運行環境，進行空間分析，利用3D Analyst模塊，得到區域地面數字高程模型(DEM)[5-6]。DEM是一維模型(1D)排水管網模型和二維(2D)地表漫流模型耦合的條件[7]。根據主干線上檢查井路面高程點，建立不規則三角網(TIN)模型，將TIN模型轉換成DEM模型，如圖2所示。

圖2 (a)研究區域地面(TIN)和(b)數字高程模型(DEM)Fig.2 Triangular Irregular Network (TIN) and Digital Elevation Model (DEM) of Study Area

1.3 綜合流域排水模型建立

排水系統模型比較多，如美國伊利諾伊斯州城市排水地區模型ILLUDAS (illinois urban drainange area simulator)、水文計算模型HSPF(hydrological simulation program-fortran)、MIKE-SWMM(MIKE11 combined SWMM)、QQS(quality-quantity simulator)、SWMM(storm water management model)和Wallingford Model等。應用比較廣泛的主要排水模型有英國環境部開發的ICM(InfoWorks integrated catchment management)，丹麥水力學研究所開發的MOUSE(modeling of urban sewer)，美國環保局開發的暴雨雨水管理模型SWMM(storm water management model)。 相比其他模型，SWMM和Infoworks在城市排水管網系統的應用范圍較廣。而Infoworks ICM是第一款將城市排水管網及河道的一維水力模型，與流域二維洪澇淹沒模型結合在一起的獨立模擬引擎軟件，更有優勢。本研究采用Infoworks ICM建立流域排水系統模型。

InfoWorks ICM 2.0利用ArcGIS導入管網和檢查井數據，同時適當地簡化管網，道路兩邊的檢查井不參與建模，模擬干管與主要支管。管網數據包括檢查井的井面高程和井底高程、管道的管徑、上下游管底高程、泵站高程。曼寧系數根據不同區域的實際管材確定管渠的N粗糙度。在網絡內根據各個檢查井高程自動劃分匯水區，不同的匯水區根據實際的土地用地狀況配置不同參數，并選擇適當的產匯流模型，最后進行管網的拓撲結構檢查，通過InfoWorks提供的工程合理性檢查功能，反復驗證和修改管道和檢查井，完善排水系統水力模型。

排水系統模型子集水區447個，檢查井449個，出水口1個，排水管道473根，泵站1座。管道總長度約13 713.8 m，管徑在300～2 000 mm。研究區域排水系統模型構建如圖3所示。

圖3 排水系統模型Fig.3 Drainage System Model

1.4 模型率定

通過研究區域的產流表面比例能夠確定，非滲透表面選取Fixed產流模型，滲透表面選取Horton滲透模型，地表匯流選用Wallingford模型進行研究[8]。研究選取3場降雨事件用于模型參數的率定，2場降雨事件用于模型準確度驗證，通過反復調整模型參數，來完成率定過程，相關降雨事件的特性如表1所示。

表1 五場降雨事件的特征Tab.1 Characteristics of Five Rainfall Events

率定過程以降雨事件對應的泵站前池水位數據為依據，采用確定性系數R2[1]評價模擬結果曲線與監測時間序列的吻合程度。具體參數率定結果、模型率定與驗證結果分別如表2、表3所示。R2均超過0.8，所有降雨事件的模擬結果與實測值相比，顯示出良好的一致性。

表2 參數率定結果Tab.2 Results of the Parameters Calibration

1.5 降雨情景設定

設計降雨量按上海市暴雨強度公式計算[9]，參照模式雨型設計降雨[10-11]，計算重現期分別為1、3、5 a，歷時2 h的兩種不同的典型降雨情景，降雨強度曲線如圖4所示。

圖4 設計降雨過程Fig.4 Design Rainfall Process

2 排水系統模擬結果

2.1 管網系統運行狀況

根據模擬重現期1、3、5 a結果顯示，出現溢流的檢查井個數，占檢查井總數、超負荷管長等具體情況如表4所示。

表4 管道和檢查井負荷情況Tab.4 Load Situation of the Pipes and Wells

由表4可知，隨著重現期增長，降雨強度增大，出現溢流的檢查井個數增多，超負荷管道長度增大。

2.2 內澇風險評估

風險評估指標主要以模擬結果中積水深度與積水流速為危險指數評價，計算如式(1)[7]。

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d—積水深度，m；

V—流速，m/s；

Df—水深危害參數，如d≤0.15 m，Df取0.5；如d>0.15 m，Df取1.0。

根據內澇風險指數，將城市內澇風險等級劃分為：HR<0.75非敏感區域，為內澇低風險區；0.75≤HR<1.25的非敏感區域及HR<0.75敏感區域，為內澇中風險；0.75≤HR<1.25的敏感區域及HR≥1.25區域，為內澇高風險區。敏感區域包括：學校、醫院和商業聚集區、主道路和人口高密度區。

利用1D排水管網模型耦合和二維(2D)地表漫流模型，分析重現期1、3、5 a情景下區域的內澇情況，獲取積水區域的積水深度和積水流速等信息，內澇風險分布如圖5所示。

圖5 內澇風險分布Fig.5 Distribution of Waterlogging Risks the Study Area

敏感區域和非敏感區域的積水深度以及積水面積占比如表5所示。

表5 區域積水深度及積水面積占比情況Tab.5 Waterlogging Depth and Waterlogging Area Proportion

隨著重現期增長，降雨強度增大，內澇面積增大，內澇風險程度加深。重現期1、3、5 a降雨下，研究區域的內澇面積分別為9.63、40.36、63.52萬m2。當重現期達到5年一遇時，龍江路與通北路、揚州路與齊齊哈爾路、平涼路這一片是內澇中風險區；平涼派出所、齊齊哈爾路兩側附近和榆林路兩側為內澇高風險區。根據現狀管網排水能力的評估和內澇風險評估的結果可知，造成該市內澇的主要原因有：惡劣天氣變多；城市化進程加快導致徑流量增加；現狀排水管道設計標準一年一遇，標準較低。

3 結論

本模型基于Infoworks ICM建立合流系統模型，在ArcGIS平臺基礎上建立研究區域DEM地面高程模型，結合1D排水管網模型和2D地表漫流模型，評估重現期1、3、5 a下，區域內澇風險情況，得到以下結論。

(1) 隨著重現期增大，降雨強度增大，地表徑流量增幅變大。

(2) 由于管道建設標準較低，重現期1 a時，出現溢流的檢查井共32個，占檢查井總數的7.1%，超負荷管道長度為-7 909.1 m，占管道總長度比例為57.6%；3 a時，溢流的檢查井共159個，占檢查井總數的35.3%，超負荷管道長度為9 071.2 m，占管道總長比例為66.1%；5 a時，溢流的檢查井共311個，占檢查井總數的69.1%，超負荷管道長度為9 354.7 m，占管道總長比例為68.2%。

(3) 隨著重現期增大，內澇情況越來越嚴重，高風險區所占面積越來越大。模擬結果與現實降雨積水范圍基本一致。