城市排水系统内涝风险评估

杨 严，彭海琴

(1.镇江市气象台，江苏镇江 212000；2.上海市城市排水有限公司，上海 200233)

随着城市化的高速发展，用地性质改变，加上城市热岛效应，致使城市极端天气变多，内涝灾害增多，造成路面积水、交通瘫痪，严重影响城市正常生活秩序。据统计2011年～2015年，北京、上海、武汉、广州、南京、杭州等多个大中城市发生内涝，造成经济损失的同时给城市人民生活带来诸多不便[1-3]。

早期排水系统以及构筑物的低标准设计，造成了污水溢流和城市内涝问题多发。为了解决城市内涝问题，需要了解不同降雨强度下，现状排水管网的运行状况，根据内涝情况，适当地提高排水防涝设施建设标准。由此，本文的主要内容为研究不同重现期下某排水系统服务范围内区域的积水情况，研究成果为该区防汛工作提供理论依据。

1 模型建立

1.1 研究对象

某排水系统位于上海市某区内，为合流制排水系统，系统设计标准为1年一遇。该系统服务范围：北起惠民路，南至杨树浦路，西沿怀德路、扬州路、通北路至杨树浦路，东至杨树浦港，服务面积为91万m2，泵站设计规模为8.68 m3/s，截流泵站设计规模为0.55 m3/s，污水和截流雨水通过主干管进入污水厂，雨水排港，服务范围如图1所示。

图1 研究对象Fig.1 Object of the Study

研究区域人口密度为217.5人/(万m2)，人均日综合生活用水量为221 L/(人·d)[4]，污水定额为198.9 L/(人·d)。区域内产流表面以及所占比例分别为路面59.73万m2(65.64%)、房屋面19.79万m2(21.75%)和绿化面11.61万m2(12.76%)。

1.2 研究区域DEM数字高程模型

为了解不同降雨强度下，排水系统服务范围内内涝积水情况，首先需建立研究区的高程模型。基于GIS在ArcMap运行环境，进行空间分析，利用3D Analyst模块，得到区域地面数字高程模型(DEM)[5-6]。DEM是一维模型(1D)排水管网模型和二维(2D)地表漫流模型耦合的条件[7]。根据主干线上检查井路面高程点，建立不规则三角网(TIN)模型，将TIN模型转换成DEM模型，如图2所示。

图2 (a)研究区域地面(TIN)和(b)数字高程模型(DEM)Fig.2 Triangular Irregular Network (TIN) and Digital Elevation Model (DEM) of Study Area

1.3 综合流域排水模型建立

排水系统模型比较多，如美国伊利诺伊斯州城市排水地区模型ILLUDAS (illinois urban drainange area simulator)、水文计算模型HSPF(hydrological simulation program-fortran)、MIKE-SWMM(MIKE11 combined SWMM)、QQS(quality-quantity simulator)、SWMM(storm water management model)和Wallingford Model等。应用比较广泛的主要排水模型有英国环境部开发的ICM(InfoWorks integrated catchment management)，丹麦水力学研究所开发的MOUSE(modeling of urban sewer)，美国环保局开发的暴雨雨水管理模型SWMM(storm water management model)。 相比其他模型，SWMM和Infoworks在城市排水管网系统的应用范围较广。而Infoworks ICM是第一款将城市排水管网及河道的一维水力模型，与流域二维洪涝淹没模型结合在一起的独立模拟引擎软件，更有优势。本研究采用Infoworks ICM建立流域排水系统模型。

InfoWorks ICM 2.0利用ArcGIS导入管网和检查井数据，同时适当地简化管网，道路两边的检查井不参与建模，模拟干管与主要支管。管网数据包括检查井的井面高程和井底高程、管道的管径、上下游管底高程、泵站高程。曼宁系数根据不同区域的实际管材确定管渠的N粗糙度。在网络内根据各个检查井高程自动划分汇水区，不同的汇水区根据实际的土地用地状况配置不同参数，并选择适当的产汇流模型，最后进行管网的拓扑结构检查，通过InfoWorks提供的工程合理性检查功能，反复验证和修改管道和检查井，完善排水系统水力模型。

排水系统模型子集水区447个，检查井449个，出水口1个，排水管道473根，泵站1座。管道总长度约13 713.8 m，管径在300～2 000 mm。研究区域排水系统模型构建如图3所示。

图3 排水系统模型Fig.3 Drainage System Model

1.4 模型率定

通过研究区域的产流表面比例能够确定，非渗透表面选取Fixed产流模型，渗透表面选取Horton渗透模型，地表汇流选用Wallingford模型进行研究[8]。研究选取3场降雨事件用于模型参数的率定，2场降雨事件用于模型准确度验证，通过反复调整模型参数，来完成率定过程，相关降雨事件的特性如表1所示。

表1 五场降雨事件的特征Tab.1 Characteristics of Five Rainfall Events

率定过程以降雨事件对应的泵站前池水位数据为依据，采用确定性系数R2[1]评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度。具体参数率定结果、模型率定与验证结果分别如表2、表3所示。R2均超过0.8，所有降雨事件的模拟结果与实测值相比，显示出良好的一致性。

表2 参数率定结果Tab.2 Results of the Parameters Calibration

1.5 降雨情景设定

设计降雨量按上海市暴雨强度公式计算[9]，参照模式雨型设计降雨[10-11]，计算重现期分别为1、3、5 a，历时2 h的两种不同的典型降雨情景，降雨强度曲线如图4所示。

图4 设计降雨过程Fig.4 Design Rainfall Process

2 排水系统模拟结果

2.1 管网系统运行状况

根据模拟重现期1、3、5 a结果显示，出现溢流的检查井个数，占检查井总数、超负荷管长等具体情况如表4所示。

表4 管道和检查井负荷情况Tab.4 Load Situation of the Pipes and Wells

由表4可知，随着重现期增长，降雨强度增大，出现溢流的检查井个数增多，超负荷管道长度增大。

2.2 内涝风险评估

风险评估指标主要以模拟结果中积水深度与积水流速为危险指数评价，计算如式(1)[7]。

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d—积水深度，m；

V—流速，m/s；

Df—水深危害参数，如d≤0.15 m，Df取0.5；如d>0.15 m，Df取1.0。

根据内涝风险指数，将城市内涝风险等级划分为：HR<0.75非敏感区域，为内涝低风险区；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；0.75≤HR<1.25的敏感区域及HR≥1.25区域，为内涝高风险区。敏感区域包括：学校、医院和商业聚集区、主道路和人口高密度区。

利用1D排水管网模型耦合和二维(2D)地表漫流模型，分析重现期1、3、5 a情景下区域的内涝情况，获取积水区域的积水深度和积水流速等信息，内涝风险分布如图5所示。

图5 内涝风险分布Fig.5 Distribution of Waterlogging Risks the Study Area

敏感区域和非敏感区域的积水深度以及积水面积占比如表5所示。

表5 区域积水深度及积水面积占比情况Tab.5 Waterlogging Depth and Waterlogging Area Proportion

随着重现期增长，降雨强度增大，内涝面积增大，内涝风险程度加深。重现期1、3、5 a降雨下，研究区域的内涝面积分别为9.63、40.36、63.52万m2。当重现期达到5年一遇时，龙江路与通北路、扬州路与齐齐哈尔路、平凉路这一片是内涝中风险区；平凉派出所、齐齐哈尔路两侧附近和榆林路两侧为内涝高风险区。根据现状管网排水能力的评估和内涝风险评估的结果可知，造成该市内涝的主要原因有：恶劣天气变多；城市化进程加快导致径流量增加；现状排水管道设计标准一年一遇，标准较低。

3 结论

本模型基于Infoworks ICM建立合流系统模型，在ArcGIS平台基础上建立研究区域DEM地面高程模型，结合1D排水管网模型和2D地表漫流模型，评估重现期1、3、5 a下，区域内涝风险情况，得到以下结论。

(1) 随着重现期增大，降雨强度增大，地表径流量增幅变大。

(2) 由于管道建设标准较低，重现期1 a时，出现溢流的检查井共32个，占检查井总数的7.1%，超负荷管道长度为-7 909.1 m，占管道总长度比例为57.6%；3 a时，溢流的检查井共159个，占检查井总数的35.3%，超负荷管道长度为9 071.2 m，占管道总长比例为66.1%；5 a时，溢流的检查井共311个，占检查井总数的69.1%，超负荷管道长度为9 354.7 m，占管道总长比例为68.2%。

(3) 随着重现期增大，内涝情况越来越严重，高风险区所占面积越来越大。模拟结果与现实降雨积水范围基本一致。