城市內澇風險評估模型構建

馬振強 遲文涵 廣東首匯藍天工程科技有限公司

隨著城鎮化進程的加快，城市不透水鋪裝面積的增加、城市中自然調蓄空間的縮減，加之原有排水系統的能力不足、極端降雨頻率的增加，每年都會發生多頻次的城市內澇，給人們的生命財產安全造成巨大損失。因此，對城市現在排水防澇能力進行徹底梳理，摸清家底，并針對存在問題進行科學分析是當務之急。在這之中，構建城市內澇風險評估模型尤為重要，通過模型的構建，一方面可以厘清現狀癥結、分析原因及解決辦法；另一方面，可以對采取的措施進行預判，優化城市調控措施；此外，通過模型進行工程項目的預評估及后評估亦是當前國內外普遍采用的方法。

1.評估方式的選擇

城市排水管網作為城市水循環的動脈血管，在城市排水系統中占據重要的作用。而由于排水管線埋于地下，多為隱蔽工程，受建設年代、建設質量及管網摸查程度的影響，管網混接錯接亂接漏接現象多有發生，甚至會嚴重影響人民的正常生活，因此，對城市排水管網進行徹底摸查和排水能力的評估是解決城市排水防澇問題的前提。

目前國外發達國家普遍制定了較為完善的城市內澇災害風險管理策略，并利用計算機手段構建數學模型對內澇風險進行多因素分析和評估，并對不同降雨強度下產生的可能災害進行預評估，為城鎮建設及災害預案的制定提供了可靠的科學依據。我國在這方面相對起步較晚，《室外排水設計規范GB50014-2006》中提出了城市內澇防治設計重現期、地面積水等設計標準，并指出滲、蓄、排及內澇整治等多措施并舉應對暴雨，保障城市安全。

隨著科技發展，新技術不斷涌現，結合國外發達國家的經驗，采用數學模型進行城市內澇風險評估是科學可行的。但是，由于城市排水系統規模龐大、且多為隱蔽工程，加之部分數據缺失，因此模型構建初期基礎數據的采集及校驗是重中之重。除了基礎數據收集及處理之外，建模及分析過程還包括模型建立、參數設置及模型校核、模型計算分析等。

排水管網系統模型應用于城市排水系統設計、運行管理以及排水系統水量水質模擬，這將是城市排水數字化、信息化發展的需要。因此，建議基于城市綜合流域排水模型系統軟件對城市內澇區域使用非恒定流的方法模擬排水管網各情景模式下的運行狀況，以此作為內澇風險評估的依據。

2.評估目的與技術路線

評估模型建立及其應用旨在實現以下目標：

（1）收集城市內澇區排水管網系統的GIS、CAD等基礎數據信息資料，并對采集到的數據進行篩選和處理，構建統一的數據格式，并將篩選過的數學導入模型軟件中，利用模型軟件搭建起排水管網拓撲結構，并通過模型分析排水管網的混接錯接漏接等建設問題，梳理管網結構，并基于厘清的管網拓撲結構，分析不同情景下管網內的水力特征及水力問題；

（2）設置地表下墊面屬性，模擬產匯流狀態及管網水流特性，通過模型進行排水片區的細致分區，確定暴雨時程分配的方法以及產匯流計算方法；

（3）利用模型對城市內澇區域現狀排水管網系統現狀的排水能力進行評估，對不同內澇防治標準的重現期下的內澇風險進行評估；

（4）利用模型對城市內澇整治設計方案進行效果預評估，并基于預評估結果給出可行的優化調整方案。

模型構建的技術路線如圖1所示。

3.模型構建

3.1 排水管網拓撲結構建立

圖1 模型構建技術路線

圖2 模型構建和應用流程圖

表1 下墊面解析一覽表（某老城區）

表2 徑流系數取值表

將管網普查數據導入城市綜合流域排水模型系統軟件中，建立城區排水管網拓撲結構，包含污水管，雨水管和合流制的管道。

3.2 匯水區劃分

雨水匯水區的劃分，首先根據城區內道路和排口位置，以及管道拓撲結構等數據，人工繪制大的收水分區，然后針對每個收水分區，以分區內的檢查井為對象，則采用泰森多邊形方法，將大的收水分區自動細分到檢查井上，生成小的匯水區。

3.3 下墊面解析

下墊面解析是分析城市降雨徑流機制的基礎。依據《海綿城市專項規劃編制暫行規定》要求，并結合當地實際情況，采用GIS數據管理功能，對不同下墊面進行分割和分類，形成不同矢量圖層數據，作為模型分析城市降雨產流和匯流機制的基礎。表1為某老城區下墊面類型解析結果示例，共劃分為6種下墊面類型。在所有下墊面中，屋面面積和鋪裝面積占城市總面積的85.93%，老城區建筑密集，綠化空間缺乏，降雨產流量大，現狀綜合雨量徑流系數為0.70。

3.4 附屬構筑物設置

基于管網普查數據，導入泵、閘、新建蓄水池等附屬構筑物到模型中，并設定相應的控制規則。

3.5 模型參數

1）徑流系數見表2。

2）沿程水頭損失：參考《室外排水設計規范》，各種管材的曼寧粗糙系數取值見表3。

3.6 降雨及雨型

隨著《室外排水設計規范》的頒布施行，城市暴雨強度公式的采樣方法由年多個樣法修訂為年最大值法，若現行的暴雨強度公式難以反映城市現狀的降雨強度狀況，則需要根據2016版規范要求，重新修訂城市暴雨強度公式。

表3 曼寧粗糙系數取值表

表4 內澇風險等級劃分標準表（建議）

4.模型驗證與參數率定

管網模型拓撲結構工作完成后，需對模型中的相關參數進行率定，率定工作分為初期率定和后期率定。初期率定是應對部分監測設備或數據還未完成情況下暫用的率定方法，主要是利用相關報告中的數據為率定依據；后期率定為監測設備投入運營后，收集了一定時序長度的實測數據后，利用這些實測數據作為率定的依據。排水系統防澇模型主要是通過內澇水浸點歷史信息資料與模擬結果的比對，對構建的模型進行驗證與率定。

歷史內澇水浸點信息資料來源歷史水浸點，并經過設計人員現場踏勘走訪后確定歷史水浸點。歷史水浸信息校核辦法：1年、2年、3年、5年一遇3小時設計降雨及30年一遇24h降雨數據作為模型輸入條件，分別模擬各種不同工況下雨天的運行情況，通過與實際記錄水浸點信息比較來校核模型參數。

通過雨天模擬結果與歷史水浸點的對比分析，模型分析結果與相關部門提供的內澇資料和現場調研情況基本一致，可以確定該模型與實際的吻合度符合要求，可以用于城市內澇建設工程的評估和預評估。

5.內澇風險評估

目前，我國在城市內澇風險評估方面尚處于研究階段，方法各異，其中，基于情景模擬的內澇風險評估法能直觀地反映一定概率的致災因子導致的災害事件的影響范圍與程度，能高精度地反映災害風險的空間分布特征，也是當前認可度較高的方法。

城市內澇防御的主要目的是把降雨期間的地面積水控制在可以接受的范圍，其中，地下排水管網過流能力對地表積水排放的舒暢性影響極大，因此，本文將內澇風險評估分為地下排水管網和地表兩個方面進行。

5.1 排水管網過流能力評估

采用不同重現期（1a、2a、3a和5a年）的降雨雨型，評價指標為管道充滿度F模擬值，即

式中：

F為管渠充滿度；

W_level為水位高程（m）；

P_i ne r t le ve l為管渠底高程（m）；

P_Higth為管渠高度（m）。

評估標準：

當F>1.0表示水位超過管道頂部，即超過管道排水設計能力。

當F<=1.0表示水位未超過管道頂部，即滿足管道排水設計能力。

5.2 地表

地表淹沒范圍、深度、歷時等是內澇評估的重要依據和風險等級劃分依據，其中，積水深度和淹沒時間是內澇風險主要參考因素。《室外排水設計規范（GB50014-2006）》指出，應根據城鎮類型、積水影響程度和內河水位變化等因素，確定城市地面積水設計標準。結合考慮最大積水深度和積水時間因素，確定內澇風險等級劃分見表4。

6.結語

城市內澇風險評估模型是建立健全城市災害管理機制的重要舉措，基礎數據的收集整理、模型的驗證及率定等是前提和基礎，此外，科學的模型亦是隨城市建設不斷更新完善，如此方能為運行及決策提供科學依據和技術支撐。