基于水力模型的重慶都市核心區(qū)排水防澇風(fēng)險評估

靳俊偉¹，黃麗萍¹，章衛(wèi)軍²，楊森²，毛緒昱¹，向南¹

(1.重慶市市政設(shè)計研究院，重慶400020；2.宜水環(huán)境科技<上海>有限公司，上海200040)

摘要：針對重慶市主城區(qū)的排水防澇綜合規(guī)劃的編制，在都市核心區(qū)（內(nèi)環(huán)以內(nèi)）范圍內(nèi)構(gòu)建了基于InfoWorks ICM水力模型軟件的排水管網(wǎng)模型。利用InfoWorks ICM通過一維模擬實現(xiàn)排水系統(tǒng)的排水能力評估，通過二維模擬實現(xiàn)內(nèi)澇風(fēng)險評估。模型模擬得出，重慶市核心區(qū)排水管渠滿流過流能力小于3年重現(xiàn)期的占40%，核心區(qū)內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)占1.4%、中風(fēng)險區(qū)占3.2%，且重慶市內(nèi)澇嚴重區(qū)主要集中在低洼地區(qū)。

隔成三大片區(qū)，此外還有流域面積在100 km²以上的河流20條，大部分城市雨水通過雨水管渠可就近排入周邊水體，最終排入長江及嘉陵江。重慶近年來連續(xù)幾年遭遇不同程度的內(nèi)澇，損失較大，影響了城市形象和百姓生活。

為了有效解決重慶市內(nèi)澇問題、響應(yīng)國務(wù)院辦公廳及住建部的相關(guān)文件的要求，重慶市渝府辦發(fā)［2013］124號文要在2014年編制完成重慶市城鎮(zhèn)排水設(shè)施防澇綜合規(guī)劃。基于此，筆者采用InfoWorks ICM水力模型軟件對重慶市主城區(qū)排水防澇風(fēng)險進行了評估。

1 重慶市主城區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)狀分析

近10年來，重慶市主城區(qū)暴雨頻發(fā)，2007年7月17日的特大暴雨（后簡稱717暴雨）最大降雨量達271 mm，重現(xiàn)期178年一遇；2008年6月15日的特大暴雨最大降雨量達163 mm，重現(xiàn)期13年一遇；2009年8月4日特大暴雨最大降雨量達165 mm，重現(xiàn)期13年一遇；2013年6月9日最大降雨量達134 mm，重現(xiàn)期7年一遇。頻發(fā)的暴雨、嚴重的內(nèi)澇給重慶市帶來了巨大的人身和財產(chǎn)損失。

重慶市屬于典型的“山地城市”，總趨勢為坡地，內(nèi)部地形起伏，大部分的內(nèi)澇積水位置在起伏中的凹地處，特別是道路在凹地設(shè)置的交叉口，內(nèi)澇現(xiàn)象嚴重。由于城市化進程的加快，原有農(nóng)田、荒地、水體等逐漸被各類建筑物取代，原有的雨水滯留和調(diào)蓄設(shè)施逐漸消失，綜合徑流系數(shù)的增大加重了原有管渠系統(tǒng)的排水壓力；同時城市建設(shè)的不斷發(fā)展與排水（防澇）設(shè)施存在矛盾，排水（防澇）設(shè)施的維護管理信息化水平趕不上智慧城市建設(shè)的需要。以上原因以及近年來氣候的變化都加劇了重慶市的內(nèi)澇風(fēng)險。

2 模型構(gòu)建

目前，傳統(tǒng)雨水系統(tǒng)設(shè)計和專項規(guī)劃中采用的恒定均勻流推理公式存在較大的局限性，《室外排水設(shè)計規(guī)范（2014年版）》（GB 50014—2006）中已經(jīng)要求當(dāng)匯水面積超過2 km²時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計算雨水設(shè)計流量，并且住建部發(fā)布的《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱》也建議有條件的地方采用數(shù)學(xué)模型法。

重慶市都市核心區(qū)地形特征復(fù)雜、用地各異、雨水水力特征明顯，采取構(gòu)建模型的方法對排水管渠能力及風(fēng)險進行評估更為精確。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 重慶市排水能力與風(fēng)險評估的技術(shù)路線

重慶市主城區(qū)模型構(gòu)建平臺采用InfoWorks ICM。將雨水管網(wǎng)及承擔(dān)雨水排放功能的管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入InfoWorks ICM，通過管網(wǎng)概化梳理雨水管網(wǎng)系統(tǒng)保證管網(wǎng)的連通性、明確各排水分區(qū)出口位置等。根據(jù)地形高程數(shù)據(jù)建立二維模擬必需的地面高程模型，并依據(jù)地形及影像資料進行下墊面解析，進行集水區(qū)的劃分并輔助選取產(chǎn)匯流參數(shù)。本次管網(wǎng)模型概化假設(shè)流向嘉陵江的河道下邊界為自由出流，僅考慮流域自身的排水能力和內(nèi)澇風(fēng)險。

透水下墊面如林地、綠地等降雨產(chǎn)流采用Horton下滲法模擬；不透水下墊面如道路、屋頂?shù)冉涤戤a(chǎn)流采用SCS曲線法。采用SWMM非線性水庫法（即采用有限差分法近似求解連續(xù)方程和曼寧方程）模擬產(chǎn)流模型中劃分的若干個透水和不透水（包括有洼蓄量和無洼蓄量）子集水區(qū)的地面匯流過程。

雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力評估將采用1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇3 h設(shè)計降雨及雨型。內(nèi)澇風(fēng)險評估的設(shè)計降雨歷時將根據(jù)流域的匯流時間來選取，采用50年一遇3 h或6 h的設(shè)計降雨及雨型。

模型構(gòu)建完成必須通過合理性檢驗及率定后方可作為排水防澇的評估工具。

3 排水系統(tǒng)能力及內(nèi)澇風(fēng)險評估

3.1 排水系統(tǒng)能力評估

依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014年版)》（GB 50014—2006）中規(guī)定，雨水和合流管按滿管流設(shè)計。模型動態(tài)模擬了1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的設(shè)計暴雨下的管道水力狀態(tài)，分析得出的都市核心區(qū)16個流域的管渠排水能力的整體狀況如表1及圖2所示。

3.2 內(nèi)澇風(fēng)險評估標準及結(jié)果

排水管渠在其超滿流狀態(tài)下形成的水流狀態(tài)為壓力流，排水能力將大于重力滿流狀態(tài)下的排水能力，因而需要進行排水系統(tǒng)的風(fēng)險評估，分析排水系統(tǒng)超載溢流后的積水風(fēng)險。城市積水程度等級按照積水深度及流速分為輕微積水（地面積水深度≤0.15 m、流速<2 m/s）、輕微內(nèi)澇（地面積水深度為0.15~0.5 m、流速<2 m/s；地面積水深度≤0.15 m、流速≥2 m/s）及嚴重內(nèi)澇（地面積水深度＞0.5 m；地面積水深度為0.15~0.5 m、流速≥2 m/s）。內(nèi)澇風(fēng)險考慮“積水程度分級”和“影響對象分級［城市主干道及以上等級道路、地鐵、過江（湖）地下隧道、下穿（道路、鐵路等）通道、立交橋為重要路段，次干路和支路為一般路段；醫(yī)院、學(xué)校、檔案館、行政中心、重要文物地、下沉式廣場等重要建構(gòu)筑物、交通樞紐等重要公共服務(wù)設(shè)施用地、保障性大型基礎(chǔ)設(shè)施用地、省市防澇救災(zāi)指揮機關(guān)用地為重要地區(qū)，其余則為一般地區(qū)］”的組合，將風(fēng)險等級劃分如下：重要地區(qū)和路段發(fā)生輕微積水則為中風(fēng)險區(qū)、一般地區(qū)和路段則為低風(fēng)險區(qū)；重要地區(qū)和路段發(fā)生輕微內(nèi)澇則為高風(fēng)險區(qū)、一般地區(qū)和路段則為中風(fēng)險區(qū)；無論是重要地區(qū)和路段還是一般地區(qū)和路段發(fā)生嚴重內(nèi)澇則均為高風(fēng)險區(qū)。

InfoWorks ICM二維模擬后的結(jié)果包括積水深度、積水流速、淹沒時間、淹沒面積等字段信息，但InfoWorks ICM無法將影響對象重要性分級的信息進行綜合考慮。本次規(guī)劃將二維模擬結(jié)果輸出至GIS平臺，通過GIS數(shù)據(jù)管理工具按照分級標準進行選擇統(tǒng)計，評估結(jié)果如下：對于50年一遇降雨，輕微積水區(qū)域面積為14.02 km²、占6%，輕微內(nèi)澇區(qū)域面積為2.55 km²、占1.1%，嚴重內(nèi)澇區(qū)域面積為2.02 km²、占0.9%；低風(fēng)險區(qū)面積為7.84 km²、占3.4%，中風(fēng)險區(qū)面積為7.50 km²、占3.2%，高風(fēng)險區(qū)面積為3.26 km²、占1.4%。50年一遇降雨的內(nèi)澇等級及風(fēng)險分布總體示意見圖3。

3.3 評估結(jié)果分析

從水力模型對核心區(qū)16個流域排水能力一維模擬及50年一遇設(shè)計暴雨下的內(nèi)澇風(fēng)險評估結(jié)果可知：

① 核心區(qū)的現(xiàn)狀管渠排水能力小于1年重現(xiàn)期的比例達25%，小于3年重現(xiàn)期的總共達40%；評估流域高風(fēng)險區(qū)面積之和為3.26 km²，占模型評估流域總面積的1.4%；中風(fēng)險區(qū)面積之和為7.5 km²，占3.2%；低風(fēng)險面積之和為7.84 km²，占3.4%。

② 盡管排水管渠在重力流滿流下所能滿足的排水能力較小，但是在超滿流狀態(tài)下，管渠內(nèi)處于壓力流狀態(tài)，管渠排水能力將大大提升，故不能片面地以管道滿流衡量其應(yīng)對內(nèi)澇重現(xiàn)期的排水能力，排水管渠防洪排澇規(guī)劃的工程措施應(yīng)主要針對管渠應(yīng)對大重現(xiàn)期降雨存在的風(fēng)險區(qū)進行規(guī)劃，將管道排水能力作為輔助參考依據(jù)。

③ 內(nèi)澇積水區(qū)域和內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域分布零散，多為局部低洼區(qū)域。核心區(qū)地形起伏落差較大，管道坡度較大，流速快，排水系統(tǒng)來不及排除雨水時，地表積水沿著地勢匯向下游低洼區(qū)域。應(yīng)對山城分散的內(nèi)澇風(fēng)險，從徑流的源頭削減、管網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的改造、局部低洼地調(diào)蓄和泄流通道規(guī)劃是有效降低內(nèi)澇風(fēng)險的應(yīng)對措施。

④ 重慶市主城區(qū)多處下凹立交存在內(nèi)澇風(fēng)險，包括：江北城流域的紅旗河溝立交、江北城立交、聚賢巖立交，溉瀾溪流域的大院子立交、五童立交，化龍橋流域的虎頭巖上立交，雙岔河流域（內(nèi)環(huán)以內(nèi)部分）的朝陽寺立交等。積水原因主要有兩個：一是立交下凹處地勢過低，造成排水困難；二是下游管道排水能力不足。應(yīng)對以上積水原因，分別提出增加調(diào)蓄池和擴大下游管徑兩個手段來控制下凹立交的積水。

4 結(jié)論

重慶市核心區(qū)基于水力模型的排水能力及內(nèi)澇風(fēng)險評估的實踐證明，水力模型的建立及應(yīng)用能夠輔助系統(tǒng)分析并準確認識到排水系統(tǒng)中的瓶頸和問題，為排水防澇綜合規(guī)劃的工程措施提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。管網(wǎng)水力模型的數(shù)據(jù)管理、模擬評估功能等都有著巨大的應(yīng)用市場，是水務(wù)行業(yè)信息化及生產(chǎn)管理的重要技術(shù)手段，是排水設(shè)計及規(guī)劃更為有效的依據(jù)及校驗。但是水力模型在我國系統(tǒng)性的應(yīng)用處于起步階段，管網(wǎng)水力模型領(lǐng)域不夠成熟，建模行業(yè)尚不規(guī)范，還需大量工程實踐的投入及政策性的逐步導(dǎo)向推動其發(fā)展。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第11期“城市雨水管理”欄目）

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