合肥市局部区域雨水管网风险分析

倪若晨

(中国建筑西南设计研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

合肥市局部区域雨水管网风险分析

倪若晨

(中国建筑西南设计研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

对雨水管网进行风险分析，可以为减少城市内涝风险提供科学的决策依据。文章介绍了风险分析的理论和方法，根据管网运行特点和模型模拟所能提供的技术支持，确定以节点超载功能系数和节点超载时间为风险指标。以合肥市某区域雨水排水系统规划为例，采用模糊综合评价法进行雨水管网运行风险半定量研究，演示了雨水管网运行风险评价的全过程。研究中使用的方法具有一定的通用性，有利于寻找切实有效的方法全面提高城市排水系统的安全性能。

风险分析；SWMM；雨水排水系统；合肥市

0 引 言

风险概念的提出只是近代的事。目前为大多数专家学者所接受的是风险三要素论,即风险是由致灾因子危险性、承灾体脆弱性和暴露性三要素共同作用而成[1]。

基于上述对风险的理解,将城市内涝灾害风险定义为:在一定的城市区域内,由具有一定发生概率与强度的强降雨引起的城市地面积水的可能性与概率,它会造成人员伤亡、财产受损、包括交通在内的基础设施不能正常运转、服务功能降低或丧失、城市环境受损以及一系列的社会问题等[2]。

长期以来,由于缺乏对城市排水管网系统数据库的整理以及排水部门管理水平的限制,城市排水部门的管理者习惯通过直觉、经验等主观意识来管理排水系统中的各种风险,不能有效指导雨水系统的良好运行[3]。在此背景下,本文以合肥市进行实例分析,利用模型对合肥市排水管网的排涝能力进行评估,并根据评估结果进行风险评价。

1 雨水管网的风险指标分析

1.1 风险指标的选择

本文风险分析研究的出发点在于预防或者降低内涝的发生,因此,风险指标建立在管网水力风险分析方面更易被理解和量化。水力风险的衡量指标主要是管网因设计标准考虑不足而引起的节点和管段的超载和洪灾表现,由于排水管网运行时面临着降雨的时变性、流量的可变性和延迟效应等诸多问题,水流状况非常复杂,很难直接从流量上做出准确判断[4]。

本文根据风险指标的选择原则[5]以及雨水排水系统的水力特性,选择节点的功能风险系数和节点的积水持续时间来客观地反映风险水平。对于系统整体而言,除了各个节点风险的定量评价,同时结合积水节点的比例来描述系统整体风险水平,从而为风险管理提供依据。

1.2 风险指标的计算

考虑到风险指标的易于量化原则,本文以节点的超载风险为例进行研究。将管网节点超载的临界点视为雨水管网系统功能失效的开始,一旦节点的水位超出下游管道管顶水深,系统的服务性能就开始下降。

发生风险的概率计算公式为

P=Pro(hr>hg)

(1)

节点功能风险系数计算公式为

(2)

其中,hg为与各节点相连的下游管道最大水深,即管径,m;hr为雨水管网各节点的实际水深m;ho为雨水管网各节点的设计水深m。

由(2)式可知,对于每一个节点来讲,随着水深的增加,功能风险系数增大,即功能风险系数值越大,说明该节点的超载程度越严重。本文在工程实例中主要以节点的功能风险结合积水时间作为风险指标对设计标准改变前后的管网进行风险描述,以此验证本文在设计标准方面提出建议的可行性。

2 研究区域雨水管网风险分析

2.1 系统概化

研究区域面积约为64 hm2,位于合肥市主城区西南部,南依翡翠湖,北靠繁华大道,西接翡翠公园,东临翡翠路,本文以该区域雨水管道系统为例进行系统研究。

根据系统特点和地面标高分布,将汇水区域划分成94个汇水子区域,节点187个,管渠187条,1个排放口。节点最小水深1.07/m,最大水深5.57 m。经过系统概化,本文的研究区域的节点和管道分布如图1所示。模拟计算参数主要参考SWMM模型用户手册中的典型值[6]。将相应模型参数输入SWMM模拟软件,设置相关的模拟选项后,即可对雨水管网在不同的降雨情境下进行动态运行模拟和风险分析。

图1 研究区域节点和管道图示

2.2 风险量化

本文仅对已建管网进行以自然为客体的风险应对能力做半定量研究,故风险辨识不在此赘述。鉴于可利用的资料有限和评价的目的,对于风险后果的量化,本文依靠雨水系统节点的功能风险进行研究,通过对系统中节点风险量化来反映系统整体的风险状况。为了便于说明,选择的研究对象为J1～J45的主干管节点。

2.2.1 节点水力状况

采用降雨历时为12 min,重现期为2 a,雨峰系数为0.33,不透水面积率为70%,无洼蓄不透水面积率为25%作为设定的标准进行雨水管网风险模拟,对节点功能风险进行初步的分析和评价。

根据模拟结果选取各节点在模型运行过程中的平均水深和某个时刻出现的最大水深,将两者分别与超载水深和洪灾水深进行比较分析,得出各个节点的水深对比(图2),从中可以直观地看出研究区域排水系统中各个节点的水力状况。在平均水深下几乎没有节点处于功能失效的状态,而从最大水深来看,几乎所有节点均出现超载情况,少数节点出现积水。由此可知,如果以平均水深代入(2)式进行风险量化,对于系统的考虑偏安全,而最大水深是从系统最不利情况考虑,故选择最大水深计算节点功能风险系数。

图2 节点水深对比图

2.2.2 节点功能风险

由图2的节点水深对比图可知,节点的水力状况只能简单地反映出各个节点最大水深的变化情况和雨水排水系统的薄弱点,要想更直观地说明在特定的降雨条件下雨水管网的风险变化情况,须得以节点为对象进行功能风险计算。如前所述,可以通过功能风险系数的计算方法得到系统中各个节点的功能风险系数(见(2)式),计算结果如表1所列。

表1 各节点功能风险系数计算表

2.2.3 节点超载时间

本文采用节点超载时间作为风险量化的另一标准。节点超载状态指某时刻该节点的雨水排水量超过下游管段的排水能力造成雨水管压力流的现象。此时,市政雨水管网的排水能力受限,排水能力下降,因此可以将节点超载时间作为雨水管网风险量化的判断标准。根据SWMM中研究区域雨水管网运行模拟结果可知,在既定降雨情境下,该研究区域各主要节点的超载时间如表2所列。

表2 研究区域节点超载时间 h

通过参考有关文献[7-8]并且综合分析本研究中SWMM模拟的节点超载时间,划分了四个节点超载时间等级以便于雨水管网风险评价,具体等级如表3所列。

表3 节点超载时间等级

2.3 风险评价

以既定降雨条件(t=120 min,P=2,r=0.33)为例,建立模糊数学模型,根据模糊数学最大隶属度原则[9],应用模糊综合评价法判定市政雨水排水管网运行时各节点的风险等级,以此来辨别系统中哪些区域风险较高,哪些区域相对风险较低,为制定相关措施提供理论依据。

(1) 评价对象。根据上述分析,由于雨水管网的复杂性,目前对于雨水管网系统运行时节点的风险状况的评价标准尚无统一的规定。参与评价的因素越多,则每一因素所占权重越小,最终会影响评价结果。因此本文选定因素构造因素集

U={u1,u2}

(3)

其中,u1为节点功能风险系数;u2为节点超载持续时间。

(2) 评价指标集。考虑人、环境和经济因素,假设节点的风险按照“可忽略的风险、低风险、中等风险、高风险”四个等级进行划分。即

V={v1,v2,v3,v4}

(4)

其中,v1为可忽略的风险;v2为低风险;v3为中等风险;v4为高风险。

(3) 权重集。对于不同的评价目的以及不同的决策者而言,各因素对于目标决策的重要程度有所不同。从减少内涝风险的目的来看,节点功能风险系数越小、超载持续时间越短意味着风险越小。在这两者中,考虑超载持续时间比节点风险系数重要[10],建立代表各因素ui的重要性的权重集A=(0.45,0.55)。

(4) 评判矩阵。因素u1对四个等级的隶属度函数为:

因素u2对四个等级的隶属度函数为:

以节点10为例,u1=1.89,u2=0.27(数据为平均重现期为2 a时的模拟结果),将以上数据带入隶属度函数公式,得到

(4)

(5) 模糊综合评判。依据综合评价方法(·,+),得到B=(0.21,0.55,0.80,0.40)。根据最大隶属度原则得到节点10的风险等级为3级中等风险。

(6) 研究区域风险等级。通过重复步骤(4)、(5)得到研究区域在平均重现期2 a,降雨历时120 min时主要节点的风险等级,见表4所列。由此可以看出, 26.7%的节点处于中风险等级,26.7%的节点属于可忽略风险等级,46.6%属于低风险等级。

表4 节点风险等级表

2.4 风险图

采用同主节点1～45相同的评价方法,得到区域所有节点的风险等级,其中未发生超载的节点等级定为无风险,根据计算得到的各节点风险等级,绘制出本文研究区域在重现期2 a时的风险图,如图3所示。由此可以直观地看出,当重现期为2 a时,该地区的雨水管网超载情况:大多数节点处于低风险以下等级,少部分节点处于中风险等级,高风险等级的节点数为0。

图3 重现期2 a时风险图

3 结束语

风险分析的目的是为风险应对计划的制定和实施提供依据。本文针对雨水系统的特点,将城市雨水管网运行与风险分析方法相结合,确定了两个风险指标,分别是节点超载功能系数和节点超载时间。城市雨水管网风险分析部分依靠雨水系统节点水力状况、功能风险以及超载时间对合肥市的内涝致灾因子进行量化,为项目全过程风险管理提供依据,具有一定的研究意义。

在下一步的研究工作中,可以考虑完善排水管网信息化管理系统,加强管网监控以及对管网运行的模拟和风险分析研究,为管网安全运行提供专业的技术支持。

[1] 刘 敏，权瑞松，许世远.城市暴雨内涝灾害风险评估：理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2012.

[2] 刘新立.区域水灾风险评估的理论与时间[M].北京：北京大学出版社,2005.

[3] 王 磊，周玉文.基于投影寻踪的城市排水系统洪涝风险评估模型[J].中国给水排水，2011，27(23)：78,82.

[4] 刘 婷.雨水管网运行风险分析和模拟方法[D].上海：同济大学,2008.

[5] 罗 云.风险分析与安全评价[M].北京：化学工业出版社，2016.

[6] 刘 俊，徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用[J].海河水利，2001(1)：9～11.

[7] 祁继英，丁 敏，吴 佳.水力模型用于提高雨水系统防汛能力的研究[J].中国给水排水，2013,29(17):93,97.

[8] 马洪涛，张晓昕，王 强.奥运中心区超标降雨积水风险分析及对策研究[J].青岛理工大学学报，2009,30(3):113～117.

[9] 张欣莉.项目风险管理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[10] 孙阿丽.基于情景模拟的城市暴雨内涝风险评估[D].上海:华东师范大学，2011.

2016-10-21；修改日期：2016-10-26

倪若晨(1989-), 女, 安徽蚌埠人,硕士，中国建筑西南设计研究院有限公司安徽分院助理工程师．

TU992.22

A

1673-5781(2016)05-0711-04