城市防洪典型区域除涝方案分析研究

JournalofWaterResourcesResearch水资源研究,2014,3,229-239PublishedOnlineJune2014inHans.://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.33029229ResearchonWaterloggingDrainageScenariosofTypicalUrbanFloodControlRegionsYanxiaZhao1,MuweiCheng2,YuntaoWang1,ZihuiYu2,HongZhang2,ChiZhang11SchoolofHydraulicEngineering,FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian2DalianDrainageDepartment,DalianEmail:[e-mail]:May6th,2014;revised:May12th,2014;accepted:May16th,2014Copyright©2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).城市防洪典型区域除涝方案分析研究赵燕霞1，程木炜2，王运涛1，于子恢2，张弘2，张弛1作者简介：赵燕霞(1987-)，女，硕士研究生，主要从事城市防洪除涝、水文水资源方向研究。城市防洪典型区域除涝方案分析研究2301大连理工大学建设工程学部水利工程学院，大连2大连市排水处，大连Email:[e-mail]收稿日期：2014年5月6日；修回日期：2014年5月12日；录用日期：2014年5月16日摘要降雨强度、地形及下垫面情况、排水管网分布是城市防洪的关键影响因素。而在同一城市区域内，不同特点下垫面导致不同特征的城市内涝。以大连市中心城区3种典型易涝点区域(平原、丘陵、入海口)为研究对象，进行现状条件下的城市内涝模拟，在模拟结果的基础上，分析不同改造成本下，各个除涝方案在典型区域内的除涝效果，进而确定典型易涝点的较优除涝方案，为实际城市防洪除涝工作提供参考依据。关键词除涝规划，城市防洪，雨水资源利用，排水1.引言近年来，由于气候变化导致极端降雨频现，同时城市化发展进程的不断加快导致下垫面不透水层比例增大，国内多个城市发生了不同程度的内涝灾害，造成了交通瘫痪，甚至对国家和人民的生命财产造成了重大损失。如北京“7.21”暴雨导致中心城区63处主干道交通瘫痪，直接经济损失118.35亿元[1]。深圳“3.30”暴雨造成城市内涝200处，2人因灾死亡。消除城市内涝，根本还在于排水除涝工程设施的建设以及升级改造，国内针对不同排水工程措施除涝效果有着较多的研究，如蔡剑波[2]等人研究了不同深度的低洼绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果；晋存田[3]研究了不同雨洪措施在不同降雨频率下对城市雨洪的利用效果；吴海岚[4]从绿色基础设施建设以及农田灌溉两方面研究了雨洪资源利用；李彦伟[5]研究了改变节点高程和增大管径这两种方式对排水除涝的效果；陈小华[6]、姚枝良[7]分别对雨水收集系统、泵站进行了方案设计。国外目前也越来越重视此方面工程的规划建设，如纽约在道路和绿地之间设置了水通道，在暴雨时地表径流通过水通道顺利进入绿地[8]；近年来，巴黎修建了3条地下蓄水隧道以及8个蓄水池，日本政府也规定，在城市中每开发一公顷土地应设置500m3蓄水池[9]，并且在低洼处建设大型泵站排水。德国主要采用下凹式绿地、植被渗沟以及景观水体的方式进行除涝[10]。这些措施不仅有效降低了城市内涝发生概率，也充分地利用了雨水资源[11]。目前针对同一地区多种除涝方案比较分析研究较多，但在地形比较复杂的城市，不同易涝点形成的过程及关键影响因素往往不同，而有针对性地对各种典型易涝点作除涝效果对比分析的研究较少；同时，以往研究中由于资料所限，或使用经验推理公式，或对管网数据进行概化，利用有精细资料的管网、地形、下垫面数据进行模拟的研究较少，而这些资料是提高水力学模型模拟精度的关键，也是除涝方案比较的基础。因此，本文选取大连市内具有代表性的平原、入海口、丘陵三种典型区域，在利用较高精度资料建模的基础上，分别在不同改造成本下对每种除涝方案进行分析，并确定出典型易涝点较优除涝方案，为以后的城市除涝工作，尤其是大中城市防洪除涝方案制订提供参考。城市防洪典型区域除涝方案分析研究2312.研究区域概况及资料2.1.研究区域概况选择大连市中心城区排水区中平原(春柳排水区)、入海口(青泥寺儿沟排水区)、丘陵(岭前排水区)3种典型区域，春柳排水区位于市区西北部，汇水面积31.72km2；青泥寺儿沟排水区位于市区中东部，汇水面积为31.27km2；岭前排水区位于市区东南部，汇水面积为40.70km2。这三个排水区作为主要研究区域，可用作建立水力学模拟模型及率定相关参数。在每一个典型排水区中选一个易涝点作为除涝方案效果分析对象。春柳区代表性易涝点为西岗区香周路三合大厦门前。此涝点地势较平，内涝较严重，具有典型性；岭前区代表性易涝点为解放路小龙街，周边山丘较多，地势低，受地形影响作用明显。青泥寺儿沟区代表性易涝点为港湾广场，此处硬化程度高，由于靠近海边，受入海口潮位顶托作用明显。研究区域管网图如图1所示。2.2.所用资料1)管网资料管网系统现状资料信息分为点、线、面3类，点要素包括：雨水井的空间坐标、地面标高、井底标高，排水口的空间坐标、管底标高、出流形式；线要素包括：管径、管材、管道的形状、管长、起止点标高、编号、埋深；面要素包括：雨水井、排水口控制的子流域的面积。2)下垫面资料下垫面资料包括土地利用类型、实测的1:5000地形资料、城市水系信息、地表蓄水设施的滞蓄能力以及不同的土壤类型、地表糙率、土壤下渗率、滞蓄能力等参数，相关参数通过规范确定，并利用后面的模型及实测数据率定。3)降雨资料城市除涝就是要解决超过雨水管道设计标准，而又低于城市防洪标准的降雨产生的城市内涝水的处置问题。大连市属于重要地区，因此防洪标准选择50年一遇[12]。根据大连降雨规律和城市内涝风险情况，结合城市经济社会发展需求，利用辽宁省水文手册成果图查得相关雨量参数，同时利用大连市近期Figure1.Thedrainagepipenetworkofthestudyarea图1.研究区域管网图城市防洪典型区域除涝方案分析研究232典型暴雨过程，得出大连市50年一遇24h降雨，取其中12h降雨进行模拟，时间间隔为5min，降雨量为121.2mm。雨型如图2。3.模型与方法3.1.MIKE模型简介MIKE系列软件是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的产品。由MIKEURBAN、MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等几个部分组成。其中MIKEURBAN包括城市供水系统的MIKENET模块，以及城市排水系统的MIKEMOUSE模块；MIKE11主要用来模拟一维河道、河网；MIKE21用于模拟二维河口、海岸及地表水体，具有较好的网格精度和准确性；MIKEFLOOD是一个把一维模型(MIKEURBAN和MIKE11)和二维模型(MIKE21)进行动态耦合的建模系统。利用这种耦合的方式，既利用了一维模型和二维模型的优点，又避免了采用单一模型时遇到的网格精度和准确性方面的问题。MIKEFLOOD可以模拟城市排水系统和路面积水之间的相互作用，以及河网和排水系统的连接。本次研究选择MIKEURBAN中的MIKEMOUSE模块对排水管网进行一维水动力学模拟，采用MIKEFLOOD将管网模型MIKEURBAN和二维地面流模型MIKE21集成在一起进行耦合计算，得到城市内涝淹没水深及内涝时间。3.2.建模方法基础资料主要有大连市中心城区CAD格式的高程点、管网数据，利用ArcGIS将高程点数据转换为15*15m网格大小的DEM数据；将所需的降雨资料做成MIKEURBAN模型所需的.dfs0格式数据；将典型区域的管网数据做成.mdb数据库，再导入MIKEURBAN中，建立起模型。研究区域缺失实际降雨淹没过程资料，但有历史暴雨下某些易涝点的最大淹没范围及淹没水深资料。所以研究采用三大排水区进行历史暴雨模拟分析，利用历史上统计的某些场次暴雨下淹没特征数据与模型模拟结果作定性对比分析，从而率定相关模型参数。以大连市2013年7月2日的一场实际降雨数据来模拟研究区域的淹没情况。得出以下易涝点分布图，并与研究区域的实际涝点信息对比，三个排水区模拟出的易涝点能覆盖实际易涝点，并且淹没特征参数大致符合历史统计资料。所建模型模拟情况与实际情况吻合较好，因此可以用于对排水系统的除涝方案研究。具体如图3所示。Figure2.12-Hrainfallpatternof50-yearreturnperiodinDalian图2.大连市50年一遇12h雨型图城市防洪典型区域除涝方案分析研究233Figure3.Thedistributionofsimulatedwaterloggingpoints图3.模型模拟易涝点分布结果3.3.内涝指标体系内涝指标分为内涝水深、时间、面积三种，由于大连处于丘陵地区、即使相对平坦的区域也有一定局部的地势起伏，所以主要选择水深和时间两种指标。大连市城市内涝标准有两层含义：为保证不断交通，在主干道(包括立交桥最低处)积水深度不得超过25cm，否则会因汽车发动机进水而造成交通中断；易涝点积水的时间不超过30min。易涝点风险区级别划分如表1所示。3.4.除涝方案设定采用芝加哥合成暴雨过程线(CHM法)，以及MIKEURBAN模型对研究区域管网在设计暴雨重现期下的排