基于水力模型的重慶都市核心區排水防澇風險評估
基于水力模型的重慶都市核心區排水防澇風險評估
靳俊偉1，黃麗萍1，章衛軍2，楊森2，毛緒昱1，向南1
(1.重慶市市政設計研究院，重慶400020；2.宜水環境科技<上海>有限公司，上海200040)
摘要：針對重慶市主城區的排水防澇綜合規劃的編制，在都市核心區（內環以內）范圍內構建了基于InfoWorks ICM水力模型軟件的排水管網模型。利用InfoWorks ICM通過一維模擬實現排水系統的排水能力評估，通過二維模擬實現內澇風險評估。模型模擬得出，重慶市核心區排水管渠滿流過流能力小于3年重現期的占40%，核心區內澇高風險區占1.4%、中風險區占3.2%，且重慶市內澇嚴重區主要集中在低洼地區。
隔成三大片區，此外還有流域面積在100 km2以上的河流20條，大部分城市雨水通過雨水管渠可就近排入周邊水體，最終排入長江及嘉陵江。重慶近年來連續幾年遭遇不同程度的內澇，損失較大，影響了城市形象和百姓生活。
為了有效解決重慶市內澇問題、響應國務院辦公廳及住建部的相關文件的要求，重慶市渝府辦發［2013］124號文要在2014年編制完成重慶市城鎮排水設施防澇綜合規劃。基于此，筆者采用InfoWorks ICM水力模型軟件對重慶市主城區排水防澇風險進行了評估。
1 重慶市主城區內澇現狀分析
近10年來，重慶市主城區暴雨頻發，2007年7月17日的特大暴雨（后簡稱717暴雨）最大降雨量達271 mm，重現期178年一遇；2008年6月15日的特大暴雨最大降雨量達163 mm，重現期13年一遇；2009年8月4日特大暴雨最大降雨量達165 mm，重現期13年一遇；2013年6月9日最大降雨量達134 mm，重現期7年一遇。頻發的暴雨、嚴重的內澇給重慶市帶來了巨大的人身和財產損失。
重慶市屬于典型的“山地城市”，總趨勢為坡地，內部地形起伏，大部分的內澇積水位置在起伏中的凹地處，特別是道路在凹地設置的交叉口，內澇現象嚴重。由于城市化進程的加快，原有農田、荒地、水體等逐漸被各類建筑物取代，原有的雨水滯留和調蓄設施逐漸消失，綜合徑流系數的增大加重了原有管渠系統的排水壓力；同時城市建設的不斷發展與排水（防澇）設施存在矛盾，排水（防澇）設施的維護管理信息化水平趕不上智慧城市建設的需要。以上原因以及近年來氣候的變化都加劇了重慶市的內澇風險。
2 模型構建
目前，傳統雨水系統設計和專項規劃中采用的恒定均勻流推理公式存在較大的局限性，《室外排水設計規范（2014年版）》（GB 50014—2006）中已經要求當匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量，并且住建部發布的《城市排水(雨水)防澇綜合規劃編制大綱》也建議有條件的地方采用數學模型法。
重慶市都市核心區地形特征復雜、用地各異、雨水水力特征明顯，采取構建模型的方法對排水管渠能力及風險進行評估更為精確。具體技術路線如圖1所示。
圖1 重慶市排水能力與風險評估的技術路線
重慶市主城區模型構建平臺采用InfoWorks ICM。將雨水管網及承擔雨水排放功能的管網數據導入InfoWorks ICM，通過管網概化梳理雨水管網系統保證管網的連通性、明確各排水分區出口位置等。根據地形高程數據建立二維模擬必需的地面高程模型，并依據地形及影像資料進行下墊面解析，進行集水區的劃分并輔助選取產匯流參數。本次管網模型概化假設流向嘉陵江的河道下邊界為自由出流，僅考慮流域自身的排水能力和內澇風險。
透水下墊面如林地、綠地等降雨產流采用Horton下滲法模擬；不透水下墊面如道路、屋頂等降雨產流采用SCS曲線法。采用SWMM非線性水庫法（即采用有限差分法近似求解連續方程和曼寧方程）模擬產流模型中劃分的若干個透水和不透水（包括有洼蓄量和無洼蓄量）子集水區的地面匯流過程。
雨水管網系統的排水能力評估將采用1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇3 h設計降雨及雨型。內澇風險評估的設計降雨歷時將根據流域的匯流時間來選取，采用50年一遇3 h或6 h的設計降雨及雨型。
模型構建完成必須通過合理性檢驗及率定后方可作為排水防澇的評估工具。
3 排水系統能力及內澇風險評估
3.1 排水系統能力評估
依據《室外排水設計規范(2014年版)》（GB 50014—2006）中規定，雨水和合流管按滿管流設計。模型動態模擬了1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的設計暴雨下的管道水力狀態，分析得出的都市核心區16個流域的管渠排水能力的整體狀況如表1及圖2所示。
3.2 內澇風險評估標準及結果
排水管渠在其超滿流狀態下形成的水流狀態為壓力流，排水能力將大于重力滿流狀態下的排水能力，因而需要進行排水系統的風險評估，分析排水系統超載溢流后的積水風險。城市積水程度等級按照積水深度及流速分為輕微積水（地面積水深度≤0.15 m、流速<2 m/s）、輕微內澇（地面積水深度為0.15~0.5 m、流速<2 m/s；地面積水深度≤0.15 m、流速≥2 m/s）及嚴重內澇（地面積水深度＞0.5 m；地面積水深度為0.15~0.5 m、流速≥2 m/s）。內澇風險考慮“積水程度分級”和“影響對象分級［城市主干道及以上等級道路、地鐵、過江（湖）地下隧道、下穿（道路、鐵路等）通道、立交橋為重要路段，次干路和支路為一般路段；醫院、學校、檔案館、行政中心、重要文物地、下沉式廣場等重要建構筑物、交通樞紐等重要公共服務設施用地、保障性大型基礎設施用地、省市防澇救災指揮機關用地為重要地區，其余則為一般地區］”的組合，將風險等級劃分如下：重要地區和路段發生輕微積水則為中風險區、一般地區和路段則為低風險區；重要地區和路段發生輕微內澇則為高風險區、一般地區和路段則為中風險區；無論是重要地區和路段還是一般地區和路段發生嚴重內澇則均為高風險區。
InfoWorks ICM二維模擬后的結果包括積水深度、積水流速、淹沒時間、淹沒面積等字段信息，但InfoWorks ICM無法將影響對象重要性分級的信息進行綜合考慮。本次規劃將二維模擬結果輸出至GIS平臺，通過GIS數據管理工具按照分級標準進行選擇統計，評估結果如下：對于50年一遇降雨，輕微積水區域面積為14.02 km2、占6%，輕微內澇區域面積為2.55 km2、占1.1%，嚴重內澇區域面積為2.02 km2、占0.9%；低風險區面積為7.84 km2、占3.4%，中風險區面積為7.50 km2、占3.2%，高風險區面積為3.26 km2、占1.4%。50年一遇降雨的內澇等級及風險分布總體示意見圖3。
3.3 評估結果分析
從水力模型對核心區16個流域排水能力一維模擬及50年一遇設計暴雨下的內澇風險評估結果可知：
① 核心區的現狀管渠排水能力小于1年重現期的比例達25%，小于3年重現期的總共達40%；評估流域高風險區面積之和為3.26 km2，占模型評估流域總面積的1.4%；中風險區面積之和為7.5 km2，占3.2%；低風險面積之和為7.84 km2，占3.4%。
② 盡管排水管渠在重力流滿流下所能滿足的排水能力較小，但是在超滿流狀態下，管渠內處于壓力流狀態，管渠排水能力將大大提升，故不能片面地以管道滿流衡量其應對內澇重現期的排水能力，排水管渠防洪排澇規劃的工程措施應主要針對管渠應對大重現期降雨存在的風險區進行規劃，將管道排水能力作為輔助參考依據。
③ 內澇積水區域和內澇風險區域分布零散，多為局部低洼區域。核心區地形起伏落差較大，管道坡度較大，流速快，排水系統來不及排除雨水時，地表積水沿著地勢匯向下游低洼區域。應對山城分散的內澇風險，從徑流的源頭削減、管網薄弱環節的改造、局部低洼地調蓄和泄流通道規劃是有效降低內澇風險的應對措施。
④ 重慶市主城區多處下凹立交存在內澇風險，包括：江北城流域的紅旗河溝立交、江北城立交、聚賢巖立交，溉瀾溪流域的大院子立交、五童立交，化龍橋流域的虎頭巖上立交，雙岔河流域（內環以內部分）的朝陽寺立交等。積水原因主要有兩個：一是立交下凹處地勢過低，造成排水困難；二是下游管道排水能力不足。應對以上積水原因，分別提出增加調蓄池和擴大下游管徑兩個手段來控制下凹立交的積水。
4 結論
重慶市核心區基于水力模型的排水能力及內澇風險評估的實踐證明，水力模型的建立及應用能夠輔助系統分析并準確認識到排水系統中的瓶頸和問題，為排水防澇綜合規劃的工程措施提供了基礎和依據。管網水力模型的數據管理、模擬評估功能等都有著巨大的應用市場，是水務行業信息化及生產管理的重要技術手段，是排水設計及規劃更為有效的依據及校驗。但是水力模型在我國系統性的應用處于起步階段，管網水力模型領域不夠成熟，建模行業尚不規范，還需大量工程實踐的投入及政策性的逐步導向推動其發展。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第11期“城市雨水管理”欄目）
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