南方某特大城市主城区排水防涝能力评估研究

董磊

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

南方某特大城市主城区排水防涝能力评估研究

董磊

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

在对南方某特大城市主城地形地貌、气象水文、排涝设施现状进行调研的基础上，采用Infoworks ICM水力模型进行排水管网一维（1D）模拟，评估不同重现期降雨情况下现状雨水管渠的排水能力。同时，基于GIS技术构建主城数字高程模型（DEM），利用1D排水管网模型耦合和二维（2D）地表漫流模型，分析确定50 a一遇24 h设计雨型工况下的内涝淹没范围形成风险分布图，并分析内涝成因，提出规划方案指导排水防涝设施的建设和管理，确保在遭遇台汛威胁时最大程度减轻灾害。

排水防涝；模型；雨型；内涝重现期

0　引言

随着南方某特大城市（以下简称“该市”）城市化进程的不断加快，大量土地用地性质发生了改变，硬地铺装等不透水面积大大增加，改变了流域下垫面条件，使得降雨入渗、截留等减少，致使降雨产流时间缩短、汇流速度快、径流量和洪峰流量大大增加，加大了排水系统的行洪压力，加之近年来极端天气频发，该市遭遇内涝灾害的情况时有发生：2003年7月4日最大1日降雨量216.7 mm，主城区多处淹水，主要干道交通一度受到影响，发生建筑物筑物塌陷、渗水、管涌等严重险情43处，造成直接经济损失7.8亿元。2008年8月2日，受台风“凤凰”残留云系与冷空气的共同影响，特大暴雨造成主城区有65处大面积积水，受灾人口9.36万人，直接经济损失1.88亿元……

为了彻底解决城市内涝，2013年3月，国务院办公厅发布了关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知：提出力争用10年左右的时间，建成较为完善的城市排水防涝工程体系，解决城市积水内涝问题。2013年6月，住建部印发了《城市排水（雨水）防涝综合规划编制大纲》，要求全国各地城市组织开展排水防涝综合规划的编制工作，本文的主要内容为该市中心城区排水防涝综合规划编制的部分研究成果，对该市防汛减灾工作和城市的可持续发展具有重要的意义和促进作用。

1　城市概况

该市主城区东至绕城公路，南至秦淮新河，西、北至长江，面积278 km2，人口规模约380万。主城是都市区及更大区域的核心，以商务、商贸、科技、信息、综合管理等高端服务职能为主。

1.1地形地貌

该市地貌特征属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主，低山占土地总面积的3.5%，丘陵占4.3%，岗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占总面积的39.2%。

1.2气象水文

该市地处长江下游，属亚热带季风型气候，空气湿润，四季分明，雨量充沛。多年平均降雨量为1 059.8 mm，年最大降雨量1 713.9 mm，雨量多集中于每年5～9月份汛期。全年有三个明显的多雨期，4～5月是春雨期，平均降雨量为189.7 mm；6～7月为梅雨期，平均降雨量为347.7 mm，8～9月是受台风影响的秋雨期，平均降雨量为205.4 mm，三期的雨量占全年雨量的70.6%。

1.3排涝设施现状

主城建成区敷设了较为完备的雨水管网，多数就近自排入河，主干雨水管道总长约 1 093 km，约有893个排放口。主城区现有河道110条，共计247.2 km。现有泵站71座，总规模为444.26 m3/s，现状排涝模数为3.11 m3/s·km2。

2　现状排水能力评估

2.1评估方法

采用Infoworks ICM建立排水管网一维水力模型进行仿真模拟，评估不同重现期降现状雨水管渠的排水能力。

我国传统排水系统设计时管道内流态按满管均匀流考虑，计算设计流量时的设计水力坡度取管底坡度。重力管渠中，形成压力流但尚未溢出地面造成洪灾的水力状态定义为“超载”，一般当出现超载状态时，可认为管段流量超过设计能力。因此，在评估中，若管道出现超载状态，则视为该段雨水管道的排水能力不能满足相应重现期标准。

通过水力模型分析管渠的水力坡度线、流速及流量变化曲线，并标识处各管段的重现期标准，绘制该市主城雨水管道重现期频率分布图。

2.2评估边界条件

（1）设计暴雨

采用2014年2月发布的该市中心城区短历时暴雨强度公式：

式中：i为设计暴雨强度（mm/min）；t为降雨历时（min）；P为重现期（a）。

短历时降雨雨型采用芝加哥雨型，利用暴雨公式编制的样本数据统计暴雨雨峰位置，最终确定短历时雨峰位置取0.5，暴雨重现期分别取1a、3 a、5 a一遇，降雨历时为3 h。

（2）产汇流模型

根据主城区下垫面的特征，透水表面（绿地等）产流采用Horton下渗法，不透水表面（屋面、路面等）产流采用SWMM固定比例模型，汇流采用SWMM Runoff非线性水库模型。

（3）内河水位

内河水位值参考该市城防办《2012年防汛手册》和该市城区防汛遥测指挥系统历史数据，考虑最不利情况，即汛期最高水位作为模型边界。

a.内秦淮河系统：北段水位7.20m；南段和中段水位6.80 m；东段水位7.0 m；珍珠河水位7.45 m；

b.内金川河系统：水位8.50 m；

c.西北护城河：水位7.20 m；

d.玄武湖：水位10.0 m；

e.河西系统:水位5.0 m；

f.南湖片区:水位5.3 m。

2.3评估结果

图1为该市主城区不同重现期降雨情况下，雨水管网频率分布图。

表1是根据图1统计分析的结果，对照《室外排水设计规范》(2014版），该市雨水管渠的设计重现期为3 a一遇，以此为标准，主城雨水管渠的不达标率为31%，建成区管渠改造涉及面广，实施难度大，应结合今后道路改造工程逐步实现提标。

图1　该市主城现状雨水管网频率分布图

表1　该市主城现状雨水管网排水能力评估分析表

3　内涝风险评估[1-4]

3.1评估方法

该市主城的内涝防治标准为50 a一遇，利用1D排水管网模型耦合和二维（2D）地表漫流模型，采用情景模拟评估法进行内涝风险评估，分析确定50 a一遇24 h设计雨型工况下的内涝淹没范围。风险评估指标主要考虑模拟结果中积水深度与积水流速进行危险指数评价，具体公式如下所示：

式中：d为积水深度，m；V为流速，m/s；Df为水深危害参数，d≤0.15m，Df＝0.5，d＞0.15m，Df＝1.0。

根据计算的内涝风险指数，结合城市区域重要性和敏感度，城市内涝风险等级划分如下所示：

（1）HR＜0.75非敏感区域，为内涝低风险区；

（2）0.75≤HR＜1.25的非敏感区域及HR＜0.75敏感区域，为内涝中风险；

（3）0.75≤HR＜1.25的敏感区域及HR≥1.25的区域，为内涝高风险区。

其中敏感区域包括：行政中心、交通枢纽、通信枢纽、学校、医院和商业聚集区、快速路、主干路、人口高密度区、重要厂矿企业。

3.2评估边界条件

（1）设计雨型

根据1978年至2013年该市行政辖区内的12个自记雨量站的暴雨资料，采用数理统计的方法，综合短历时暴雨强度公式和水利部门长历时暴雨水文分析成果，获得该市50 a一遇24 h设计雨型见图2。

图2　该市50 a一遇24 h设计雨型

（2）DEM数字高程模型

基于GIS技术，对主城1∶500地形图进行解析运算，构建出主城3D数字高程模型（DEM），为1D排水管网模型和二维（2D）地表漫流模型耦合创造条件。

通过DEM模型成果图（见图3）可准确直观的看出该市地面高程特征：主城地势起伏较大：紫金山主峰海拔448.9 m，宁镇山脉向西延伸的残丘及岗地横亘老城区中北部，与紫金山构成分水岭。城北地区以低山、丘陵为主，高程16～25 m。城南地区为丘陵岗地为主，地面高程8～12 m。河西地区地势平坦，高程6～8 m。宁南地区以低山、丘陵为主，地面高程12～50 m。

图3　该市主城数字高程模型（DEM）成果图

3.3评估结果

1D排水管网模型和二维（2D）地表漫流模型耦合，采用50 a一遇长历时降雨情景进行动态模拟，获取积水区域的积水深度、积水流速、积水范围和淹没时间等信息，内涝风险分布见图4。

根据图4，该市主城区内涝高风险区面积约3.41 hm2，与近3年实际淹水点位基本一致，包括广州路宁海路路口、燕山路、中山路与珠江路交接处、寅春路丁家庄物流园门口等处。内涝中风险区面积约5.41 km2，包括玄武区政府门口、扬子江大道与郑和南路交汇处、白宫大酒店门口、水关桥高架下拐弯处、行建路消防总队门口等处，内涝低风险区面积约17.79 km2，主要为沿江河地势低洼区。

图4　该市主城内涝风险分布图

4　内涝成因分析

根据现状排水能力评估和内涝风险评估的结果，结合该市主城历史内涝灾害实际情况，分析造成内涝的成因如下：

（1）城市化进程引起径流量大幅增加，上游的问题转嫁至下游；

（2）现状排水设施设计标准偏低，排涝能力不足；

（3）用地竖向设计缺乏统筹，地势低洼区强排能力不足；

（4）河道侵占和淤积现象严重，排水不畅；

（5）部分地区尚处于开发建设时期，排涝系统不完善；

（6）河道、泵站及管网缺乏养护管理，效率低下。

5　结论与建议

根据内涝防治标准，结合该市排水防涝需求，树立“安全、资源、环境”三位一体的思想，提出采用“渗、滞、蓄、排、净、用”等综合措施解决城市内涝，从单纯排水向综合防涝转变，严格径流控制和用地竖向控制，建立绿色（低影响开发理念）与灰色基础设施（传统管渠、泵站等排水设施）相结合的生态排水体系。

通过完善排水系统建设、低标改造、初期雨水截流、河道水系调整与整治等工程措施和建立智慧城市智能预警系统，完善应急响应机制等非工程性措施，形成“布局合理、蓄排结合、高效安全、水清景美”与建设该市国际化大都市形象相适应的的防汛保安体系。

规定该市主城新建地区综合径流系数不大于0.5，已建、在建地区综合径流系数逐步过渡到0.6～0.7。区域整体开发或改造时，对于相同的设计重现期，改造后的径流量不应超过改造前的径流量，不增加已建排涝设施的额外负担。

规划整治疏浚河道25条，长度为62.3 km；新开14条河道，长度为37.3 km；水面率4.31%。保留泵站38座，排涝流量332.5 m3/s；改扩建或新建泵站28座，排涝流量252.9 m3/s。

[1]上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,《城镇内涝防治技术规范》征求意见稿[Z].

[2]Seyoum S,Vojinovic Z,Price R K,etc.Coupled 1D and noninertia 2D flood inundation model for simulation of urban flooding[J].J Hydraul Eng,2012,138(1):23-34.

[3]钱立鹏,李田.基于1D/2D耦合模型的排水系统内涝重现期校核[J].中国给水排水,2014,30(15):155-158.

[4]张书函,丁跃元,陈建刚.德国的雨水收集利用与调控技术[J].北京水利,2002(3):39-41.

S276.5

B

1009-7716（2016）03-0079-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.023

2015-11-04

董磊（1986-），男，山东肥城人，工程师，从事排水工程设计工作。