冰岛雷克雅未克市中心雨污合流排水系统洪灾评估

[冰岛]　A.O.赫罗德沃斯多蒂尔



冰岛雷克雅未克市中心雨污合流排水系统洪灾评估

[冰岛]A.O.赫罗德沃斯多蒂尔

摘要：短期强降水可造成大量财产损失，并对废水管理带来风险。为了评估冰岛雷克雅未克市中心雨污合流排水系统当前及未来可能遭遇的洪水风险，采用MIKE URBAN软件包对该区域的径流和污水进行模拟。研究结果表明，有必要改善研究区域污水管道的薄弱环节，包括管径逐步减小、管道坡度平缓或不连续等。

关键词：合流制污水管道；溢流；降雨；暴雨；城市排水系统；洪灾评估；冰岛

1研究背景

由于暖气流带来更多水量，气温升高将导致降水强度变大。近年来，恶劣天气已造成了多起严重的城市内涝事件，如欧洲中部1997年、2002年和2005年及英国2007年发生的洪水灾害。内涝对城市地区的社会经济产生较大影响，特别是可能对市中心的大量居民和重要服务设施带来不利影响。通过径流模拟进行洪水风险评估，可为编制应急计划和优先制定防洪措施奠定基础。研究表明，现有污水管网输送能力变化较大。例如，2006年研究发现，大部分排水系统能够应对降雨强度超过设计值40%～60%的情况。2012年有学者预计，在近期(2010～2040年)和远期(2071～2100年)气候变化情景下，检修孔溢流的情况将增加60%～150%。2005年专家估计，当降雨增加20%时，溢流可能成倍增加。因此，研究局部洪水非常重要。

2013年有学者提出，由于气候、人口和土地利用变化，城市排水系统应具备系统性和动态适应性，以应对更大的地表径流。提出的对策必须具有灵活性、可靠性和可逆性。2007年专家提出，应该对现有的基础设施进行有效综合管理，以体现排水系统的货币价值。利用池塘、绿色屋顶和透水人行道存储雨水的可持续性城市排水系统(SUDS)，被视为成本低且影响小的解决方案。2012年有学者提出了一种基于决策支持工具的新地理信息系统(GIS)，选择SUDS更新方案，城市典型年合流制污水溢流量可能减少60%～80%。

冰岛首都雷克雅未克是欧洲最北部的首府城市，年降雨量大约800 mm。2010年专家预测，21世纪冰岛总降水量将每10 a增加1%。2010年有学者认为，过去60a来，雷克雅未克年最大10～60 min降水量没有发生明显变化。然而，这并不表示未来降水也不会发生变化，尤其是未来降水还将受到大气环流模式改变的影响。2007年有学者认为，冰岛降水的年际和年代际变化可能会阻碍对降水长期变化趋势的判断。

本文以雷克雅未克市政自来水公共设施服务商——雷克雅未克市能源公司(Orkuveita Reykjavikur)的名义，研究洪水灾害评估，以及城市排水系统对降水型式改变和城市开发的敏感性。选择雷克雅未克市中心为研究区域，是因为其具有重要的服务功能，且城市持续开发规划有可能给老化的污水管网增加污水量负荷。本文对两种不同类型的降水资料进行了洪水风险模拟和比较：①代表现状的11 a长系列历史降雨资料；②根据几十年内年最大降雨而合成的设计暴雨，该设计暴雨可解决降雨资料缺乏地区的管网设计问题。此外，识别可能引起洪灾(模拟和观测)的系统结构组件，有助于查明其他老化管网存在的薄弱环节。

2方法

2.1　径流和水力模拟

丹麦水力学研究所基于GIS城市降雨径流模型，开发出城市管网模型MIKE URBAN，用该模型设计了雷克雅未克市污水收集系统，并对研究区域面积为1.8 m×1.2 km的污水流量进行模拟。特约宁湖(Tjornin Pond)北部区域地势平坦，海拔一般在4 m左右。该区域主要分布有重要的政府部门、服务和文化机构。污水在重力的作用下，从山顶的教堂(海拔约22~37 m)流向低处的池塘或海洋。泵站将污水沿着海岸线向东输送到污水一级处理设施。

雷克雅未克能源公司的GIS数据库提供管网资料，并输入到管网模型中。模型包括946根管道(长46 km)和862个检修孔；容量达8 200 m3。多数管道建于1950年之前。特约宁湖北部的管道已被更换过。系统新增了沿重要高速公路南北两侧走向的雨水专用管道，其他管道则均为雨污合流。大部分新增管道管径小于原最小直径250 mm，尤其是在接近山顶2座教堂的住宅区域。2座小山交界区域的主要污水下水道管径在1 200～1 600 mm范围内变化。过去20 a内，多数管道增设了内衬，以减少泄漏并提高系统性能。管道加内衬后，管径值并未修正，假设所有检修孔直径为标准l m。只模拟了公共合流制管道或专用雨水管道的流量。模型中未包括强降雨期间的生活废水，因为其量级在强降雨下可忽略不计。同时，也未考虑与房屋连接的管道和防止污水回流到地下室的止回阀，它们不属于雷克雅未克市污水公共管网。

城市集水区可划分成845个子单元，依据单元形状，被分为矩形、发散或收敛形。每个单元都有特定的面积时间曲线，反映该单元上径流随时间的变化。初始直径损失默认为0.6 mm。用GIS分层计算每个分段的综合径流系数(C)：房屋(C=0.9)，公路(C=0.9)，人行道和停车场(C=0.8)以及可渗透的绿色区域(C=0.2)。假设每个单元的径流朝着大小适中的铁格栅自由流动，即雨水进口不受任何限制。

2.2　模拟方案

2.2.1实测降雨系列

历时11 a(1998～2008年)、间隔为10 min的降雨自动监测值作为模型的输入，以下简称为实测降雨序列(ARS)。由冰岛气象局(IMO)负责监测。10 min最大雨强为3.7 mm(22 mm/h)，出现在2003年6月18日历时1 h的暴雨期间(图1(a))。相似的10 min雨强也出现在2008年10月6日历时10 h的暴雨期间(图中未显示)。

在缺乏流量资料情况下，通过将Ingolfsgata泵站(资料未公开)处模拟与实测的溢流时间进行对比，对模型进行验证。2002年和2003年溢流时间模拟值同实测值的误差小于5%，这表明模拟值可信，且能代表实际流量。

2.2.2合成暴雨设计

在缺乏长系列短期降雨实测值的情况下， 使用M5方法计算了雨强-历时-频率曲线(IDF)， 并基于此合成了人工暴雨，用于设计冰岛污水收集系统。将国际气象组织雷克雅未克站水位模拟值(1951～2000年)对应的年最大降雨量，与随后采用水位自动观测的近年最大雨量相结合，估计10 a内5 a一遇10 min降雨峰值分别为3.3 mm和3.8 mm，相当于20 mm/h和23 mm/h，结果分别见图1(b)。依据当地设计指南，芝加哥设计暴雨(CDS)是根据IDF推算得出。CDS基础资料考虑了1个140 min的暴雨，它包含了5 a一遇的10min最大雨强。图1(a)表明，CDS的10 min最大雨量模拟峰值略低于ARS模拟值，但雨强值略高，且出现在雨量峰值之前。模拟中，还考虑了时间步长更大(20～30 min)，持续时间更长(280～420 min)，或者重现期更长的情况。

图1　降雨资料

2.2.3降雨变化和城市开发

2010年，有学者对雷克雅未克短期年最大降雨趋势的初步评估未得出结论。因此，CDS-R预测方案将降雨强度增加20%，这同2005年模拟预测使用的降雨方案一致。同未来远期气候变化研究成果相比，该方案相对保守。2012年有科学专家预测，到2100年极端降雨强度将增加20%～60%；CDS-D预测方案考虑到，模拟区域若进行城市开发，径流系数将平均增加20%；CDS-RD预测方案综合考虑了以上因素，即雨量增加20%，径流系数增加20%。

2.2.4指标和溢流成因

对120 hm2的模拟区域进行了洪灾评估，包括487根管道和444个检修孔(见图2)。洪水风险评估包括4个指标：溢流检修孔数量(M)；管道满流管道数量(P)，代表管网系统极限容量；地下水位1 m的检修孔数量(M1 m)，代表雨污合流段半地下室浸水的可能性；检修孔溢出的水量(V)，代表地表溢出的水量。ARS预测方案计算了11 a内M和M1 m的总数。图中显示了溢流位置，通过溢流管网段管道纵截面详图，判断溢流成因。将检修孔溢流位置与1997～2008年间由降雨和融雪造成的涉水财产损失位置进行比较。

图2　城市排水模型预测方案中溢流检修孔位置

3结果和讨论

3.1　当前洪水危害

ARS预测了1998～2011年间12个检修孔发生的270 m3地表溢流，溢流检修孔占总数的3%。图2(a)显示，溢出量(黑圈)主要出现在4个位置(标注1～4)。水位可能达到地下l m的检修孔数量为100，远超全溢流的检修孔数量，其可能导致半地下室浸水。这些检修孔大多位于特约宁湖北部(白圈)的商业区域以及东正教会下坡的街道。白圈直径表明，水位可能持续2周，占11 a模拟期间的0.4%。

由降雨或融雪导致的财产损失报道(图2(a)方块)显示，溢流发生在位置1和位置2，这同ARS模拟预测结果一致，可据此找出管网系统存在的问题。对于报道的其他3个出现财产损失的地方，ARS未能模拟出。由于只对公共管网进行模拟，无法预测由私人管网问题或连接不当造成的溢流。2005年的研究表明，私人管网溢流事件远超公共污水管网。

3.2　合成暴雨洪水危害

基于CDS模拟预测的溢流检修孔数量是11 a ARS模拟的2倍多，洪水量也近2倍。这并非是因为ARS模拟中缺乏强降雨，相反地，相对于CDS，ARS中出现了2次最大降雨。CDS模拟预测假设在某一重现期，不同历时的最大降雨发生在相同设计降雨事件期间，是一种比较保守预测方法，高估了洪水灾害。

图2(b)显示，CDS模拟预测的溢流检修孔位置与ARS预测的吻合较好。此外，大约有30%的检修孔可能出现过高水位(地下1 m)，而ARS模拟预测中只有23%。预测结果表明，基于CDS暴雨的方法，能反映系统薄弱环节的所在位置。

3.3　降雨变化与城市开发

降雨强度增加20%(或径流系数)时，溢流检修孔数量几乎增加一倍，从6%(CDS)上升到10%(CDS-R、CDS-D)，地表洪量增加了80%～90%。图2(c)显示，沿管网薄弱环节段(标签5)，这也是模拟中检修孔出现洪量增加的位置。高水位下，地下水位1 m的检修孔数量和全溢流管道数量增加了20%～30%。这说明城市发展导致径流系数增加20%，在此基础上，降雨量再增加20%(CDS-RD)，地表基本洪量大约是预估量(1 600 m3)的3倍(图2(d))。

3.4　极端降雨历时和频率

在CDS模拟中，若将时间步长从10 min增加到30 min，溢流检修孔数量和洪水总量迅速下降，与不同历时的降雨峰值相对应(图1(b))。排水系统对短期强降雨最敏感，尤其是小单元上的短期强降雨。雷克雅未克市中心现有排水管网容量小于当前指定要求，即重要商业和工业社区管网10 min最大雨量应按20 a一遇的暴雨重现期进行设计。20 a一遇的10 min降雨下，49个检修孔溢流，185根管道满流，这与降雨量增大20%的5 a一遇预测方案一致(CDS-R)。对5 a一遇洪水进行了预测，作为居民区管网设计的验收标准。

3.5　系统问题诊断

雨污合流制排水系统的溢流在特约宁湖东部，而模拟结果却在位置1(见图2)。溢流发生在管径从610 mm减少到500 mm的管段，管道坡度仅有0.2%，小于当前最小为0.5%的设计要求。管道坡度小加上管径减少，消减了该段水力负荷，增加了沉积危害、使管道堵塞以及溢流发生。模拟溢流位置5出现在管径229 mm的管段，该管径小于250 mm最小设计要求。位于5%陡坡的管道，与管径相同、但坡度仅为1%的管道相连，使污水输送能力较差。连接点处从超临界到亚临界流的转变也会造成能量损失，导致溢流发生。

4结语

本文根据11 a历史降雨系列以及不同雨强的合成设计暴雨，评估了雷克雅未克市市中心检修孔溢流的可能性和管道超负荷危害。MIKE URBAN软件模拟结果显示了过去11 a发生的溢流情况。污水管道中有3%的检修孔不能满足当前设计要求，在20 a一遇的最大年降雨量情况下，出现溢流情况。CDS模拟结果显示了更多的溢流检修孔，并确认了污水系统缺陷的位置。在合成降雨雨强增加20%(或径流系数增加20%)的情况下，检修孔溢流数量和洪量几乎加倍。导致管道脆弱的因素是管径小于规定的最小直径250 mm、管道坡度平缓或不连续以及污水管网下游管径更小。假设未来几十年降雨量增加，本研究可为制定应急计划、优先制定防洪措施奠定基础。

邱训平译

(编辑：李慧)

收稿日期：2015-11-27

中图法分类号：P338.8

文献标志码：A

文章编号：1006-0081(2016)01-0027-04