基于气候变化情景下的片区排水防涝模型构建与分析

刘华超,周民华,甘立建,*,徐 薇,梁风超,赵日祥

(1.济南市市政工程设计研究院<集团>有限责任公司,山东济南 250001;2.东营市东凯人才发展集团有限公司,山东东营 257000)

传统的城市排水管网系统规划设计,是根据区域的设计降雨条件利用经验数学公式进行管道水力计算,设计成果缺乏行之有效的评估方法[1]。城市排水防涝模型的出现有效缓解了这一困境,通过模型模拟对城市排水管网系统进行排水能力评估与内涝风险评估,能够较为真实地评价规划设计成果[2]。在构建城市排水防涝模型的过程中,设计降雨事件是重要组成部分,通过设置降雨量、降雨历时、降雨时程分配,可有效模拟贴近真实情况的降雨情况[3]。目前的模型研究大多利用芝加哥雨型公式法,根据区域暴雨强度公式构建降雨事件,从而开展区域排水能力评估、内涝风险评估、海绵设施建设效果评估等[4-6]。上述研究采用单一情景下降雨事件进行模拟分析,尚未考虑气候变化对模型构建的影响。

随着以CO2为主的温室气体的大量排放,全球气候呈现出较为明显的变暖态势,在全球气候变暖背景下,我国大部分区域年降雨量及极端降水事件呈现上升趋势[7-9]。目前,CMIP5(coupled model intercomparison project phase 5)因其成熟性,在不同区域气候变化相关研究中得到了广泛应用,研究[10-13]表明采用CMIP5数据对未来降雨量进行预测是可行的。再者,根据《城镇给水排水技术规范》(GB 50788—2012),片区排水管道系统的服务年限不应低于50年,所以规划设计人员在开展片区雨水管线规划设计时,应适当考虑气候变化导致降雨量变化的因素,合理预测未来降雨量,确保排水管网系统在其服务年限内仍满足要求。

在此背景下,本文研究了气候变化情景下的片区级排水防涝模型构建与分析。首先利用InfoWorks ICM软件构建华东某市JTH流域雨洪模型,开展研究区规划排水系统能力评估及内涝风险分析;其次利用CMIP5数据定量分析气候升温背景下未来降雨量的变化情况;最后利用InfoWorks ICM软件构建基于气候变化情景下的降雨事件,分析降雨量变化对模拟结果的影响,为后续开展片区级雨水管网规划设计提供参考。值得注意的是,因CMIP5模型与ICM模型的研究尺度存在一定差异,本研究假设CMIP5模型的单元网格精度也即研究区域内均位于同一网格,降雨量变化具有相同的变化趋势。

1 研究区概况

研究选取某市JTH流域作为研究区域,区域面积约为5.252 4 km2(表1)。区域属北温带湿润大区鲁淮区,为温暖半湿润季风性气候,多年平均降水量为669.30 mm。如图1所示,区域地貌单元属黄河冲积平原,地形较平坦,整体呈南高北低、西高东低,海拔高程为19.1～21.9 m。区域尚未进行开发,现状为农田,灌溉渠和现状水系相互贯通,水系发达。区域排水体制为雨污分流制,雨水管渠设计标准为3年一遇,除涝标准为50年一遇。

图1 研究区现状高程

2 模型建设

研究对规划管网进行了优化,设定了外部降雨事件与边界条件,利用InfoWorks ICM软件构建片区排水模型,包含研究区域的一维网络模型、二维网络模型以及二者耦合模型。

2.1 降雨条件

研究采用芝加哥降雨过程线法生成设计降雨事件。研究区域具体暴雨强度如式(1)。

(1)

其中:q——设计暴雨强度,L/(s·hm2),1 hm2=0.01 km2;

P——设计重现期,a;

t——设计降雨历时,min。

根据暴雨强度公式和芝加哥雨型分别设计不同重现期下的降雨。本研究通过建立1年一遇、2年一遇、3年一遇的2 h降雨事件,进行区域规划排水系统排水能力评估,通过建立50年一遇的3 h降雨事件进行内涝风险评估。

2.2 模型构建

研究中构建的模型包括管网模型、下垫面模型、二维地面积水模型以及河道模型[14]。管网模型应基于现有市政管线设计资料,采取一定的模型数据转换方法,划分子集水区,概化管道、检查井等信息[15]。构建管网模型应进行拓扑关系检查,确保管网系统拓扑关系无误。下垫面模型应根据现有地块规划资料,构建绿地、道路与地块等下垫面类型,通过查阅规范等方式确定不同下垫面的参数。构建下垫面模型应进行下垫面相交检验,确保不同下垫面之间相互独立。二维地面积水模型应基于现有数字高程模型(DEM),将建筑物与道路分别设置为空白区与网格化区间,实现一维管网模型与二维地面模型的耦合。河道模型应基于河道中心线及横断面数据,设置河道排放系数与模式上限。构建河道模型应借助软件的创建河岸连接功能,实现河道模型与其他模型的耦合。

2.3 模型参数

根据相关文献资料[14,16],绿地汇流参数取0.15,初期入渗率为200 mm/h,极限入渗率为6.3 mm/h,衰减因子取4;铺装汇流参数为0.013;建筑物汇流参数为0.013。

根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)相关指标,确定研究区域不同下垫面径流系数值。其中,地块径流系数按35%绿地、35%道路及30%房屋建筑加权计算,具体指标如表2所示。

表2 研究区域下垫面径流参数

2.4 模拟结果与分析

2.4.1 排水能力评估

研究采用管渠最大充满度评估法依次对1年一遇、2年一遇、3年一遇重现期的设计降雨事件下研究区域雨水排水模型运行结果进行分析[17]。结果表明:在相应降雨条件下,研究区域雨水管道系统排水能力良好,管道排水能力评估统计如表3所示。

表3 管网排水能力评估统计

研究区域内雨水管渠设计重现期为3年一遇。评估结果如图2所示,在1年一遇2 h以及2年一遇2 h降雨条件下,区域雨水管渠最大充满度均小于1,区域雨水管渠排水能力整体达标,在3年一遇2 h降雨条件下,部分管段最大充满度大于1,区域雨水管渠排水能力达标率为99.95%。

图2 雨水管渠排水能力评估

2.4.2 内涝风险评估

基于雨水管网模型、地面模型与河道模型,结合区域重要程度与行人安全,研究采用情景模拟评估法与双因子评价法进行内涝风险评估,分析确定不同情景下的内涝淹没范围与易涝点[18]。研究中,双因子评价法的指标选取积水深度与积水时间,不同的积水深度与积水时间对应相应的风险等级,具体信息如表4所示[19]。

表4 城市内涝风险等级划分

根据研究区域建设方案及人口数量,确定内涝防治标准为50年一遇。根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021),采用数学模型法对区域内涝防治系统进行模拟时,降雨历时一般采用3～24 h,参考美国丹佛市的《城市暴雨排水标准》,服务面积小于10平方英里(约25.9 km2),最小降雨历时为2 h,确定本研究中内涝风险评估采用50年一遇3 h降雨是合理可行的。具体降雨曲线如图3所示。根据降雨曲线,降雨历时为180 min,峰值比例为0.656,降雨总量为157.51 mm,平均雨强为0.875 mm/min。

图3 50年一遇3 h降雨曲线

此外,采用推理公式法进行内涝防治校核时,需提高径流系数。当设计重现期为30～50年时,宜将径流系数提高20%～25%,当计算的径流系数大于1时,应按1取值。研究确定长历时降雨条件下道路径流系数为1,地块径流系数为0.82,绿地径流系数为0.25。

基于模拟结果,研究绘制50年一遇3 h降雨条件下的内涝风险图,结果如图4所示。城市内涝风险评估结果表明:在50年一遇3 h降雨条件下,积水0.15～0.25 m的区域面积约为5 860 m2,积水0.25～0.50 m的区域面积约为630 m2,积水水深超过0.50 m的区域面积约为14 190 m2。目前研究区域的排水管网在排除城市内涝的能力上具有较高的水平,服务范围内出现较少积水区域。

图4 50年一遇3 h内涝风险

研究绘制了50年一遇3 h降雨条件下的内涝点分布图。如图5所示,在发生超标降雨时,区域1、区域2、区域3、区域4易发生内涝积水现象,产生积水现象原因为区域低洼,雨水累积无法正常排出。其中,区域3处风险级别最高,积水原因为该处为立交桥,桥下地势低洼,雨期需根据需要开展工程措施,如蓄水池开挖、布置泵站等。

图5 50年一遇3 h内涝点分布

3 未来气候变化情景设定

为探讨在未来全球气温上升的情境下,研究区域降水活动的变化情况,研究选取CMIP5中CSIRO-MK3-6-0模式的模拟结果进行分析。CSIRO-MK3-6-0模式由法国研究学者所研发,水平分辨率为256×128(纬向×经向),历史气候情境时间为1850年—2005年,试验时间为2006年—2100年,该模式空间模拟能力较好[20]。

典型浓度路径(RCP)场景是以未来人口、经济、科技、能耗及土地利用等因素的变化为前提条件,描述未来温室气体的排放量、大气成分的浓度等,其包括高排放情景(RCP8.5)、中排放情景(RCP6.0和RCP4.5)以及低排放情景(RCP2.6),不同场景模式的区别主要体现在未来土地利用规划中。CSIRO-MK3-6-0模式分别对RCP8.5、RCP6.0、RCP4.5、RCP2.6这4种情景进行了分析,分析结果如图6所示。根据分析结果,2006年—2100年,随着全球气温的增高,在4种场景下,年降雨总量呈现较为微弱的增加趋势。

图6 CSIRO-MK3-6-0模式降雨分析

因高排放场景和低排放场景所假设条件与现实条件存在较大差别,研究初步选取中排放场景(RCP6.0和RCP4.5)作为本研究中的研究场景。考虑当前“碳达峰”与“碳中和”的政策需求,研究最终选取RCP4.5场景作为研究未来降雨量变化的依据。RCP4.5场景是指采取政策推动可再生能源电力系统以及碳捕捉系统的建设,减少传统化石燃料的使用率,控制辐射强迫顶点降至4.5 W/m2,CO2质量浓度降至538 mg/L。

图6(b)结果表明,研究区域在气候变化的条件下,降水总量以每年0.830 7 mm的变率呈增加趋势。即相较于现状条件,研究区域2050年年降雨量增加了6.2%。

4 未来气候变化情景

基于CMIP5数据的处理与分析,开展未来气候变化情景下研究区域的排水能力以及内涝风险评估。研究内容分为3个部分,分别为考虑未来气候变化情景下的降雨事件设定、管道排水能力评估、区域内涝风险评估。

4.1 降雨事件设定

本研究通过调整暴雨强度公式系数,改变芝加哥雨型曲线,实现降雨总量的变化。图7展示了考虑气候变化条件下2050年研究区域1年一遇、2年一遇、3年一遇以及50年一遇的降雨曲线图。

图7 2050年降雨曲线

4.2 排水能力评估

基于InfoWorks ICM软件设置的2050年降雨事件,开展2050年研究区域雨水管道排水能力评估。图8为未考虑气候变化以及考虑气候变化条件下的管网排水能力评估。结果表明,在考虑气候变化的条件下,片区2050年雨水管道达标率为86.03%,其中,不满足2年一遇标准的管道总长度为1 012 m,不满足3年一遇标准的管道总长度为2 318.4 m。

图8 管网排水能力评估对比

4.3 内涝风险评估

基于InfoWorks ICM软件设置的2050年降雨事件,开展2050年研究区域内涝风险评估。图9为未考虑气候变化以及考虑气候变化条件下的内涝风险评估。结果表明,在考虑气候变化的条件下,研究区域易涝点以及风险区域呈现增加趋势,其中,积水深度为0.15～0.25 m的区域面积约为11 250 m2,相比未考虑气候变化情景增加5 390 m2;积水深度为0.25～0.50 m的区域面积为5 240 m2,相比未考虑气候变化情景增加4 610 m2;积水水深超过0.50 m的区域面积为14 830 m2,相比未考虑气候变化情景增加640 m2。

图9 内涝风险评估对比

5 结论

(1)在未考虑气候变化影响以及考虑气候变化影响条件下,研究区域雨水管道排水能力达标率分别为99.95%与86.03%。设计人员在进行新建片区管网系统设计时,应考虑气候变化对降雨量的影响,保证管网系统在服务年限内满足要求。

(2)在考虑气候变化影响下,研究区域降雨总量呈现上升趋势。根据趋势分析结果,2050年降雨总量相较于现状条件,上升了6.2%。

(3)对未考虑气候变化影响以及考虑气候变化影响条件下的城区内涝风险进行评估,考虑气候变化影响条件下,设计降雨量变大,城市排水系统韧性增强,城市内涝风险区域增多,部分区域风险等级提升。后续需重点关注风险等级较高区域的排水设施规划设计,宜通过设置透水铺装、下沉式绿地、绿色屋顶、生物滞留设施、渗透塘、湿塘等海绵城市工程设施,提升区域应对内涝风险的能力,增强片区的安全韧性。