城市河網密集區(qū)內澇風險綜合評價研究

聶俊坤

(1. 北京市城市規(guī)劃設計研究院，北京 100045；2.北京市城規(guī)技術服務中心，北京 100045)

城市河網密集區(qū)河湖水系交錯密布，人口集聚且土地開發(fā)利用強度較高，該類區(qū)域通常由城鎮(zhèn)雨水排水管網系統(tǒng)與排水河網共同承擔排水除澇任務。針對城市排水河道與雨水管網的規(guī)劃設計，通常可分別基于水量平衡原理以及恒定均勻流公式進行計算評估[1- 2]。然而，受限于河網密集區(qū)地勢低洼易澇等河道排水邊界條件制約，傳統(tǒng)恒定均勻流公式無法有效綜合評價該類區(qū)域雨水管網系統(tǒng)排水效率并辨識內澇風險。同時，綜合考慮城市下墊面特征、市政排水管網以及排水河道等因素構建數值耦合模型逐步應用于實踐，但受限于復雜的模型基礎數據需求，造成該類耦合模型常無法直接指導排水除澇規(guī)劃設計工作。近年來，相關學者針對城市內澇與排水系統(tǒng)評估開展了一系列有益研究[3- 5]，然而針對河網密集區(qū)雨水排除系統(tǒng)與內澇風險實施綜合評價仍需深入研究。因此，為了綜合評價河網密集區(qū)多排水工況下雨水管網系統(tǒng)排水能力與城市內澇風險，有必要構建雨水管網與排水河網耦合模型，評價區(qū)域雨水管網系統(tǒng)能力并辨識內澇風險，以期對河網密集區(qū)排水防澇規(guī)劃設計提供決策依據。

1 雨水管網與河網耦合模型構建

研究分別基于Mike21、Mike Urban以及Mike11模型構建城鎮(zhèn)下墊面、市政排水管網以及排水河網系統(tǒng)數值模型，同時基于Mike Flood耦合上述模型，構建河網密集區(qū)雨水管網與河網系統(tǒng)耦合模型。所構建耦合模型綜合考慮地表產匯流、管道動態(tài)匯流、管網漫溢以及河道排水邊界條件變化等因素，可定量描述河網密集區(qū)城市雨水管網系統(tǒng)與排水河道對區(qū)域內澇產生的影響作用。

1.1 研究區(qū)概況

選取我國某城市河網密集區(qū)為研究對象，研究區(qū)處于城市排水尾端且河網水系密布，區(qū)域易因超標雨洪或排水不暢誘發(fā)城市內澇問題。研究范圍內共有市政排水河道與各類排水渠系33條，水面率約為3.41%，區(qū)域內雨水地表徑流基本以重力流方式通過雨水管網匯入河道，所選區(qū)域具有城市河網密集區(qū)典型代表特征。研究區(qū)因地勢整體相對低洼，部分雨水管道通過淹沒出流方式排入河道，下凹橋以及低洼建設區(qū)內的積水通過排澇泵站強排入河，區(qū)域排水防澇條件不佳。區(qū)域內共有排澇泵站9座，河道內排澇水位通過閘門與泵站聯(lián)合控制。因此，有必要通過分析區(qū)域雨水管網系統(tǒng)能力，綜合辨識研究區(qū)內澇風險。

1.2 模型構建

1.2.1地面漫流模型構建

采用研究區(qū)地形DEM高程基礎數據，結合區(qū)域建設區(qū)、市政道路、農田綠地以及水域等模擬計算要素，基于Mike21模型對區(qū)域下墊面進行高程點插補與地形網格劃分，劃分網格采用5m×5m精度。同時，通過校核實測高程與規(guī)劃標高，對異常豎向高程實施匹配修整，從而構建低洼區(qū)二維地面漫流模型。

1.2.2雨水管網系統(tǒng)模型構建

采用城市雨水管網GIS數據以及區(qū)域雨水管網普查數據，結合雨水管網豎向標高、檢查井以及管道尺寸等空間高程數據，依據流域下墊面特征及雨水管網拓撲結構劃分雨水匯流子流域，在考慮區(qū)域入河排水口、雨水檢查井以及管網系統(tǒng)結構基礎上構建雨水管網Mike Urban數值模型[6]。研究區(qū)排水管網模型共概化為178個入河排水口以及2920個雨水檢查井。

1.2.3河網系統(tǒng)模型構建

結合實地調研查勘、區(qū)域河湖水系規(guī)劃設計資料以及水系普查結果，考慮河道水系長度、河網結構、水工構筑物以及斷面形式等因素，構建排水河網系統(tǒng)Mike11模擬模型，綜合考察等排水河道行洪流量、洪水位等數據指標，評估河網系統(tǒng)排水條件[7]。研究區(qū)河網模型共概化為172個洪水位模擬高程點、125個洪峰流量模擬點以及11座河道泵站閘門。

1.2.4模型參數選取

基于Mike Urban針對城市排水管網進行模擬主要涵蓋管道以及地表徑流計算，其中地表徑流模擬可作為管道水力計算的邊界水力條件。管道水力模擬中管網糙率取值為0.012～0.015，河網水力模擬河道糙率取值為0.025。地表匯流模擬水力衰減系數設置為0.8，地表徑流平均速率設置為0.2m/s，水頭損失系數設置為0.001m。依據GB50014—2006《室外排水設計規(guī)范》相關規(guī)定[8]，設置相應下墊面不透水率范圍為20%～75%。曼寧系數依據管網不同材質分別設定為75～85，計算時間步長取值范圍為5～20s，水力黏滯系數取1.0，地表干濕水深取值范圍為0.01～0.03m。

1.2.5模型精度率定

針對構建的雨水管網與河網耦合模型，結合歷史調查內澇積水情況進行精度校準與參數率定。同時，綜合對比經驗推理公式與模型在內澇風險、雨水管網系統(tǒng)能力評價中的差異性，從而驗證構建耦合模型準確性與適用性[9]。研究選取2018年7月某場強降雨歷程，該次降雨歷時約為22h，日累計降雨量約為75mm，該場降雨造成研究區(qū)局部道路與建設用地內澇積水。內澇積水點模擬結果與實地調研記錄情況基本吻合，構建耦合模型可滿足模擬需求。

2 模型應用與分析

2.1 雨水管網系統(tǒng)排水能力綜合評價

2.1.1評價原理與方法

基于構建模型與傳統(tǒng)恒定均勻流公式綜合評價研究區(qū)雨水管網系統(tǒng)排水能力。其中，采用模型評價應首先辨別排水管網為淹沒出流或自由出流邊界，同時采用雨水檢查井溢流以及管道滿管情形作為判別依據，即需要模擬分析四種管網排水工況條件：①雨水檢查井溢流且管網下游淹沒出流；②管道滿管且管網下游淹沒出流；③雨水檢查井溢流且管網下游自由出流；④管道滿管且管網下游自由出流，即該種工況與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計算條件相似[10]。此外，基于傳統(tǒng)恒定均勻流公式評估管網排水工況時，以排水管道為滿管恒定均勻流及管道縱坡與水力坡降相同作為計算條件，以管道設計過流能力不小于實際過流能力作為排水能力復核標準，基于該公式推求管網排水能力無法有效考慮下游河道水位頂托影響[11]。

2.1.2邊界約束條件

(1)降雨條件

通過分析研究區(qū)所處暴雨分區(qū)以及匯水面積，設計降雨基于暴雨強度公式進行推求：

Q=1602(1+1.037lgP)/(t+11.593)0.681

(1)

式中，Q—研究區(qū)設計暴雨強度，L/(s·hm2)；t—場降雨歷時，min；P—設計重現期，年。設計雨型依據研究區(qū)典型實測降雨資料采用同頻率放大計算得出，管道系統(tǒng)設計重現期選取為1、2、3、5年一遇，降雨歷時選取為180min。

(2)河道邊界

結合研究區(qū)河道規(guī)劃設計標準，綜合對比區(qū)域河網規(guī)劃設計水位以及雨水管網入河排水口高程，研究區(qū)多數河道20年一遇設計洪水位淹沒雨水管道出口內頂，造成區(qū)域雨水管網系統(tǒng)普遍處于淹沒出流工況。因此，基于構建模型評價區(qū)域雨水管網系統(tǒng)排水能力，采用河道20年一遇規(guī)劃設計洪水位高程作為管網排水下游控制水位。

2.1.3評價結果與影響因素

綜合對比采用模型與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計算結果，研究區(qū)現狀雨水管網系統(tǒng)排水能力評價結果見表1。

表1 研究區(qū)雨水管網系統(tǒng)排水能力綜合對比評價

由表1可知，在雨水檢查井溢流且管網下游淹沒出流、管道滿管且管網下游淹沒出流、雨水檢查井溢流且管網下游自由出流、管道滿管且管網下游自由出流四種不同工況下，滿足研究區(qū)2年一遇規(guī)劃設計標準的雨水管網系統(tǒng)排水能力達標率分別為18.78%、8.45%、27.14%、16.54%。當雨水管網系統(tǒng)入河下游出流邊界條件一致時，雨水檢查井溢流工況較管道滿管出流工況可顯著提升雨水管網系統(tǒng)排水能力約10%左右，上述排水能力差異主要是由于規(guī)劃設計滿管無壓流與實際管網壓力出流管道流態(tài)不同所造成。因此，研究區(qū)雨水管網系統(tǒng)可在一定壓力出流邊界條件下，滿足管網排水能力并保障區(qū)域地表不漫溢積水。此外，當雨水檢查井溢流或管道漫流條件一致時，雨水管道自由出流相較于淹沒出流，有助于提升管網系統(tǒng)排水能力約8%左右。綜合對比模型模擬工況四與傳統(tǒng)恒定均勻流公式計算結果可知，兩者在不同設計頻率下的雨水管網系統(tǒng)排水能力差異性低于7%，表明所構建模型在評價雨水管網系統(tǒng)排水能力時具有較高模擬精度與適用性。由上述各工況管網排水能力評價結果可知，研究區(qū)在滿足2年一遇規(guī)劃設計標準下的管網系統(tǒng)排水能力達標率均低于30%，區(qū)域雨水管網排水能力嚴重不足。

2.2 內澇風險綜合評價

2.2.1評價原理與方法

基于構建的雨水管網與河網耦合模型，模擬研究區(qū)在規(guī)劃設計防澇標準下河道行洪水位、區(qū)域地表積水面積，辨識設計降雨下區(qū)域河網與雨水管網內澇積水風險時空分布特征。同時，針對河網密集區(qū)推求排澇流量，應依據不同下墊面用地類型以及降雨過程逐時計算產匯流量。若計算時段區(qū)域產流量小于雨水管網排除能力，則區(qū)域內降雨產流將會及時排除；若計算時段區(qū)域產流量大于雨水管網排除能力，則將會造成區(qū)域地表積水；若區(qū)域匯流量等于雨水管網排除能力，則產匯流量之間的差值將會于下個計算時段由管網排除。同時，基于水量平衡原理推求研究區(qū)地表積水量以及河網系統(tǒng)調蓄量，通過對比構建耦合模型模擬結果辨識區(qū)域內澇成因。

2.2.2降雨邊界條件

研究區(qū)防澇標準采用50年一遇設計，采用DB11/T969—2016《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設計暴雨徑流計算標準》[12]最大24h暴雨雨型，50年一遇設計24h降雨時程分配如圖1所示。

圖1 研究區(qū)50年一遇24降雨量設計雨型

2.2.3評價結果與致澇成因辨識

基于構建數值模型與水量平衡原理，針對研究區(qū)不同雨水管網系統(tǒng)排水工況綜合評價區(qū)域內澇風險見表2。

表2 研究區(qū)不同雨水管網系統(tǒng)排水工況下內澇風險綜合評價

由表2可知，綜合對比排水管網規(guī)劃設計重現期P=1時模型與水量平衡原理評價結果，上述方法計算河道行洪水位深差值小于0.1m，區(qū)域地表內澇積水平均深度計算差值小于0.03m，表明構建雨水管網-河網耦合模型與水量平衡原理內澇評價較一致，即水量平衡原理適用于河網密集區(qū)內澇風險評價。當排水管網系統(tǒng)規(guī)劃設計重現期為1年一遇時，基于水量平衡原理計算所得流域河道行洪水位深可控制在2.40m左右，該重現期下雨水管網系統(tǒng)對流域匯流至河道內洪峰流量削減顯著，但造成地表產生較深溢流積水，即該重現期時研究區(qū)內澇致災風險源于區(qū)域雨水管網系統(tǒng)排水能力低下。當排水管網系統(tǒng)規(guī)劃設計重現期由1年一遇逐步提升至5年一遇時，流域排水河道洪峰水位深逐步上升且地表溢流積水深度逐步降低，區(qū)域地表積水深下降與河道行洪水位深上升均呈減緩趨勢。此時，研究區(qū)河道行洪水位普遍超過20年一遇規(guī)劃設計洪水位高程，即區(qū)域內澇致災風險源于排水河道系統(tǒng)蓄泄功能不足，造成研究區(qū)河網水位過高且排水管網系統(tǒng)出流條件不佳。因此，研究區(qū)應提升區(qū)域雨水管網系統(tǒng)治理標準與河道蓄泄功能，從而有效削減區(qū)域內澇發(fā)生風險。

3 結語

城市河網密集區(qū)排水防澇規(guī)劃治理特征顯著，構建雨水管網與河網耦合模型適用于城市河網密集區(qū)排水管網系統(tǒng)能力綜合評價，結合耦合模型與水量平衡原理可揭示區(qū)域多工況下內澇風險，有助于該類區(qū)域內澇災害預警與防澇措施評估。雨水管網系統(tǒng)排水能力與河網蓄泄能力不足是導致城市河網密集區(qū)發(fā)生內澇災害的重要致災原因。此外，城市河網密集區(qū)內澇防治應選取適宜該類區(qū)域洪澇特征的標準與思路，應綜合考慮城市豎向合理規(guī)劃布置排水河道與雨水管網系統(tǒng)，同時針對局部低洼易澇點可采取設置防倒灌閘門、泵站強排等措施強化防澇除澇效果。