郑州“7·20”极端降雨的城市内涝模拟及风险评估
2023-05-24张金萍张朝阳左其亭
张金萍, 张朝阳, 左其亭
(1.郑州大学 水利与土木工程学院,河南 郑州 450001; 2.郑州大学 黄河生态保护与区域协调发展研究院,河南 郑州 450001)
近年来,随着城市化的快速发展,极端降雨事件所引发的城市内涝问题日益突出,严重制约了城市的有序发展。2016年7月,湖北武汉发生持续降雨,主要生活区一片汪洋,经济损失达22亿元[1]。2018年7月15—17日,北京及周边地区遭受大暴雨袭击,昌平回龙观地铁站多路段积水,造成严重交通中断[2]。2021年7月17—23日,郑州市遭遇历史罕见特大暴雨,发生严重内涝灾害,造成了重大人员伤亡和财产损失。
极端降雨事件所引起的城市内涝问题越来越受到人们的关注。2020年,赵丽元等[3]以武汉市为例,采用二项Logistic模型,分析了不同降雨强度下的内涝影响因素。2021年,徐宗学等[4]以福州市江北城区为例,模拟了极端降雨事件下的洪涝过程。同年,章卫军等[5]分析了郑州“7·20”极端降雨洪水实际情形,以水深、流速等指标对内涝风险进行了评估。上述成果为研究极端降雨事件所引起的城市内涝问题提供了一定的技术参考和分析思路。本研究选取郑州市金水区老城区为研究对象。首先,应用InfoWorks ICM软件构建的城市雨洪模型模拟了郑州“7·20”极端降雨淹没过程。其次,对极端降雨情景下的管道超负荷状态、节点溢流和地面积水情况进行分析。最后,应用改进的英国内涝风险等级评估方法评估城市内涝风险,并与基于积水深度和积水时间的内涝风险评估方法进行对比。因此,本研究不仅可为极端降雨事件所引起的城市内涝风险等级评估方法的制定提供参考,还能为城市遭遇极端暴雨时内涝风险预判、防控和应急响应提供科学的技术支撑。
1 概况
1.1 研究区概况
郑州地处华北平原南部、黄河下游,位于河南省中部偏北,属温带季风气候,四季分明,多年平均降水量为640.9 mm,6—9月降水量较集中,约占全年降水量的60%。金水区在郑州市东北部,为河南省委所在地,是郑州市核心区域,地势西南高、东北低[6]。本文以金水区老城区为研究对象,总面积约为74.44 km2,如图1所示。该区域建筑密集且金水区的大部分人口分布于此,是内涝防控的重点区域。
图1 研究区域示意图
1.2 资料概况
1)排水管网数据:来源于郑州市排水工程规划中的郑州市雨水干管规划图。管道断面形式有矩形和圆形。矩形管道最小尺寸为900 mm×700 mm、最大为3 000 mm×2 000 mm;圆形管径最小为1 000 mm、最大为2 800 mm。
2)遥感影像数据:遥感影像图(2019年)来源于中科图新,分辨率为0.49 m。房屋、道路、林地、草地、裸土和水体资料通过ArcGIS最大似然分类法由遥感影像图分析获得。
3)高程数据:地形资料(2019年)来源于中科图新,精度为12.5 m,经房屋、道路网格精细处理后用于模型构建。研究区高程范围为82～157 m(黄海基面)。
4)降雨数据:郑州“7·20”极端降雨序列来源于中国气象数据网。设计降雨序列来源于由郑州城乡规划局牵头、华北水利水电大学修编的郑州市暴雨强度公式[7],时间间隔取5 min,雨峰系数取0.5,降雨总历时取120 min,公式如下:
(1)
式中:i为暴雨强度,mm/h;P为设计暴雨重现期,年;t为设计暴雨总历时,min。
2 研究方法
2.1 InfoWorks ICM简介
InfoWorks ICM是综合流域排水模型软件,主要包括降雨径流模块、管网水流模块、二维地面洪水演进计算模块等。
在地表产汇流过程模拟中,InfoWorks ICM提供了Horton、SCS等产流模型和SWMM、SCS Unit等汇流模型。在一维管网水动力模拟中,需要求解完全圣维南方程组,包括质量守恒方程和动量守恒方程[8]。其表达式分别为:
(2)
(3)
式中:A为断面面积,m2;Q为流量,m3/s;g为重力加速度,m2/s;θ为管道中心线与水平线的夹角,(°);K为输水率;S0为渠底坡度。
在地表二维积水模拟中,采用浅水方程即平均深度形式的Navier-Stokes方程[8]对二维流态进行数学描述,假设水流主要在水平方向,忽略流速在垂直方向上的变化。浅水方程表达式如下:
(4)
S0,x-Sf,x+q1u1,
(5)
S0,y-Sf,y+q1v1。
(6)
式中:h为水深,m;u、v分别为x和y方向的速度,m/s;S0,x和S0,y分别为x和y方向的底坡;Sf,x和Sf,y分别为x和y方向的摩擦力;q1为单位面积上的出流量,m3/s;u1和v1分别为q1在x和y方向的速度,m/s。
2.2 内涝风险等级评估方法
目前,国内常用的内涝风险等级评估方法往往基于积水深度和积水时间[9](以下简称“法Ⅰ”),而将地面水流流速作为风险评估指标的研究甚少,有研究表明水流流速对行人稳定性有较大影响。JONKMAN S N等[10]对一名身高1.7 m、体重68 kg的实验人员在水流中的稳定性进行测试,结果表明,实验人员在水深0.35 m、流速2.4～2.6 m/s时会因失稳而摔倒;在水深0.26 m、流速3.0～3.1 m/s时也会摔倒。NIELS L等[11]通过对影响人体稳定性模型的校准与分析,得到影响人体稳定性的主要参数为流速、水深、身高和体重。由此可见,水流流速是评估城市内涝风险所不能忽略的重要指标之一。
本研究在英国基于行人安全的内涝风险等级评估方法[12]的基础上,明确损害因子的取值,并改进洪水灾害指数的取值范围,使其更适用于极端降雨下内涝风险的评估。根据《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017)中“车道的积水深度不超过15 cm”的要求和《住宅建筑规范》(GB 50368—2005)对外窗窗台距地面净高的要求,确定积水深度d的等级,并通过对郑州“7·20”极端降雨的模拟,对比实际积涝点危险程度,明确各等级积水深度d对应损害因子DF的取值,即d=0时,DF=0;0
表1 基于行人安全的内涝风险等级划分
HR=d(v+0.5)+DF。
(7)
式中:HR为洪水灾害指数;d为积水深度,m。
3 模型构建与管道排水能力评估
3.1 模型构建
研究区透水表面包括林地、草地和裸土,入渗模型选用Horton公式,相关参数根据InfoWorks ICM软件帮助中心选取;不透水表面包括房屋、道路和水体,径流量计算采用固定径流系数法,固定径流系数根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)选取。区内有4条河流,概化为方形管道后,与排水管道、雨水井和出水口共同组成了城市排水系统,共计排水管道331根、雨水井335个、出水口6个。根据街道和房屋分布等得到240个子汇水区,子汇水区的径流汇入距离最近且地势较低的雨水井。
利用高程数据创建地面模型,并根据研究区边界确定2D计算区间后对其进行网格划分。设置道路计算网格的最小和最大面积分别为2 m2和10 m2,其他计算网格的最小和最大面积分别为25 m2和100 m2。将建筑和道路网格高程分别提高5 m和降低0.15 m,以体现其对洪水的阻挡和引导作用。最后将雨水井的类型改为“2D”,从而实现一维管网和二维地表的耦合计算。
3.2 参数率定与模型验证
根据郑州市实测暴雨资料,采用传统的人工试错法率定模型参数,主要对比指标为综合径流系数和积水点位置。基于InfoWorks ICM的郑州市金水区老城区内涝模型的最终参数率定结果见表2。
表2 郑州市金水区老城区内涝模型参数取值
根据研究区内涝积水网络爬虫及调研情况,“7·20”极端降雨造成内涝积水较为严重的区域主要为香山路涝点、中州大道国基路涝点、中州大道北三环立交桥涝点、文化路东风路涝点、红专路文化路涝点、南阳路黄河路涝点、金水路涝点、金水路未来路涝点、城东路商城路涝点,以此作为实际水深。对比模型模拟水深与实际水深(表3),可知二者的数值较为一致,模型具有较好的可靠性。由表3也可看出,模拟水深普遍大于实际水深,主要原因是地形数据存在高程畸点,导致局部数字地形与实际地形有所差别。
表3 郑州市金水区老城区主要积涝点水深统计
3.3 管道排水能力评估
在管道排水能力评估中,以超负荷状态S来衡量管道的运行情况,超负荷状态S是指管道内的水深占管道高度的比例。超负荷状态S分3种情况:0≤S<1,管道未满管;S=1,管道满管且当前时刻的水力坡度小于等于管道的坡度;S=2,管道满管且当前时刻的水力坡度大于管道的坡度。分别对重现期为1、2、3、5年的设计降雨进行模拟,得到郑州市金水区老城区管道的排水能力,如图2所示。
图2 郑州市金水区老城区管道排水能力图
由图2可知:排水能力不足1年一遇和大于5年一遇的管道占比较大,分别为31.87%和33.86%;有58.54%的管道排水能力小于等于3年一遇,不满足郑州市城市规划管理技术规定。
4 郑州“7·20”极端降雨内涝模拟结果分析
本文选取郑州“7·20”极端降雨量较集中的时段(15:00—20:00)进行研究,实测降雨数据见图3,最大小时降雨发生在17:00,降雨量为201.9 mm。为更加直观地反映管道超负荷状态、节点溢流和地面积水的变化情况,绘制了各整点时刻的城市内涝淹没图(图4),并统计了部分模拟结果(表4)。
图3 郑州“7·20”极端降雨15:00—20:00实测降雨数据
图4 郑州“7·20”极端降雨15:00—20:00城市内涝淹没图
表4 郑州“7·20”极端降雨15:00—20:00城市内涝模拟结果统计
整体来看,随着郑州“7·20”极端降雨的持续进行,研究区中部和南部首先产生面积较大的积水,这是由于研究区中部和南部排水能力较低的管道首先被雨水充满所致。由表4可知,研究区满管管道占比呈现出先增后减的趋势;自17:00开始,满管管道占比迅速增加;18:00时满管管道占比最大,为98.69%,且此时S=1与S=2的管道长度之差也最大,为25.17 km,这说明17:00降雨量的迅速增加导致更多管道的自身过流能力不足;18:00之后,随着降雨量的减小,排水能力较大的管道内雨水优先消退但消退速度较缓;20:00时满管管道占比仍较大,为76.88%。
分时段来看,郑州“7·20”极端降雨15:00的降雨强度为12.3 mm/h,已达到大雨级别,但此时满管管道占比和溢流节点占比仅为2.53%和0.71%。16:00的降雨强度急剧增加到60.6 mm/h,远超特大暴雨级别,但此时满管管道占比和溢流节点占比也不高,更多的降雨产流在地面迅速填洼和汇集,造成地面最大积水深度为1.30 m,积水范围占29.14%,而此时受地形和雨量影响,地面最大水流流速已达1.96 m/s,严重威胁行人的人身安全。郑州“7·20”极端降雨17:00的降雨强度达到峰值,为201.9 mm/h,满管管道长度和溢流节点数量较16:00分别增加了66.68 km和55个,地面最大积水深度为2.15 m,地面最大水流流速为3.22 m/s,积水范围占50.28%。虽然其降雨强度最大,但是各项模拟结果并不是最大,这是由于此时降雨强度过大,大量的雨水未能有效进入排水管道,更多地则是通过地表路网系统进一步向下游汇流,所以此时地下排水管网还可以容纳更多的雨水,排水功能未能充分发挥。郑州“7·20”极端降雨18:00的降雨强度锐减,这为前期大量降雨进入排水管道争取了时间,更多的管道被雨水充满,满管管道占比和溢流节点占比达到最大,分别为98.69%和68.09%,地面最大积水深度为3.73 m,积水范围占87.68%。郑州“7·20”极端降雨19:00时,随着降雨强度的进一步减小,满管管道长度和溢流节点数量较18:00分别减少了10.2 km和73个,但此时地面最大积水深度、水流流速和积水范围均较大,所以受灾风险仍极为严重。郑州“7·20”极端降雨20:00时,降雨强度又有所减小,但较19:00减幅不大。雨量的减少使得满管管道占比和溢流节点占比进一步下降,并且降雨过程的放缓使得雨水流入管道时间更加充分,地面最大积水深度、水流流速和积水范围也有明显的减弱趋势,但是由于前期雨量太大且太过集中,因此受灾风险仍较为严重。
5 内涝风险等级评估
基于模拟结果中最大地面积水深度及对应的水流流速,采用法Ⅰ和法Ⅱ分别对郑州市金水区老城区内涝风险进行评估,并绘制相应的内涝风险等级图(图5)。结果显示:由法Ⅰ计算得到的无风险区占研究区的20.11%,低风险区占21.45%,中风险区占26.66%,高风险区占31.78%;由法Ⅱ计算得到的低风险区占10.95%,中风险区占18.62%,高风险区占31.23%,超高风险区占39.20%。
为进一步探究法Ⅰ和法Ⅱ的不同,选取5个主要地区,统计其积水情况(表5)。在郑州“7·20”极端降雨情况下,法Ⅰ的无、低、中风险地区占比较大,法Ⅱ的高、超高风险占比较大,法Ⅱ对城市内涝风险等级评估的标准更高,其模拟结果与调研结果比较接近。因此,法Ⅱ可考虑城市内涝中流速对行人安全的影响,能对城市内涝风险等级进行有效评估,从而发挥预报、预警的作用,在极端降雨中具有较好的适用性。
表5 郑州市金水区老城区主要积水点内涝风险
6 结论
1)构建了郑州市金水区老城区的InfoWorks ICM内涝模型,采用4种不同重现期的设计降雨对管道排水能力进行评估。结果表明,郑州市金水区老城区有33.86%的管道排水能力能够达到5年一遇,有58.54%的管道不能满足郑州市城市规划管理技术规定。
2)在郑州“7·20”极端降雨情景下,地面最大积水深度出现时间比降雨峰现时间滞后1 h左右,排水能力较小的管道首先被充满,排水能力较大的管道优先退水,且来水快、退水缓;与河流相连的管道大多为自身排水能力不足,入河管道是治理的关键。
3)基于英国内涝风险等级评估方法,结合相关规范对公式参数阈值进行修正,以郑州“7·20”极端降雨事件为例,分别采用法Ⅰ和法Ⅱ对研究区内涝风险等级进行评估。结果表明,法Ⅱ的评估结果更接近于实际,法Ⅱ更适合极端降雨事件下城市内涝风险等级的评估,并且法Ⅱ考虑了流速对行人安全的影响,是一种科学有效的内涝风险等级评估方法。
