大型城市排水防涝系统快速评估模型构建方法及其应用马洪涛付征王军

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４３９　　　大型城市排水防涝系统快速评估模型构建方法及其应用　　　（北京市城市规划设计研究院，北京　１０００４５）　　摘要　目前，我国正在全国性开展城市排水防涝规划工作，但是大部分城市缺乏城市管道现状普查资料且没有系统编制过城市雨水管道规划，因此，在进行城市排水防涝系统评估和绘制城市积水风险图的过程中，面临缺乏管道数据、无法构建模型的困难。针对此情况探讨大型城市排水防涝系统快速评估模型的构建方法。基于这种方法，以北京作为案例进行研究，案例采用的ＤＥＭ面积为１　４１４ｋｍ２，精度为５ｍ×５ｍ，选取模型为ＤＨＩ的ＭＩＫＥ　２１。最终模型模拟结果显示北京市中心城共有内涝积水点７９处，积水深度为０．２～２．５ｍ，历时３０～２００ｍｉｎ。关键词　快速评估模型　大型城市　积水风险评估　北京市Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍＭａ　Ｈｏｎｇｔａｏ，Ｆｕ　Ｚｈｅｎｇｙａｏ，Ｗａｎｇ　Ｊｕｎ（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｉｔｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ａｎ　ｕｒｂａｎ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ－ｏｕｔ　Ｃｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔ　ｃｉｔｉｅｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ　ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｐｉｐｅ　ｓｕｒｖｅｙａｎｄ　ｅｄｉｔｅｄ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ｓｔｏｒｍ　ｗａｔｅｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｐｉｐｅ　ｐｌａｎ　ｗｅｒｅ　ｍｉｓｓｉｎｇ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｌａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｐｉｐｅｄａｔａ　ｗｏｕｌｄ　ｍａｋｅ　ｉｔ　ｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｒｂａｎ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｒ－ｂａｎ　ｌｏｇｇｉｎｇ　ｒｉｓｋ　ａｒｅａ　ｄｒａｆｔｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｌａｒｇｅ　ｕｒｂａｎ　ｍｕｎｉｃｉ－ｐａｌ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ａ　ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ＤＥＭ　ａｒｅａ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃａｓｅ　ｗａｓ　１　４１４ｋｍ２　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　５ｍ×５ｍ．Ｔｈｅ　ｕｓｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ＭＩＫＥ　２１ｏｆ　ＤＨＩ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｍｉｇｈｔ　ｂｅ　７９ｌｏｇｇｉｎｇ　ｓｐｏｔｓ　ｉｎ　Ｂｅｉｊｉｎｇ．Ｔｈｅｉｒ　ａｖｅｒａｇｅ　ｄｅｐｔｈ　ｗａｓ　０．２～２．５ｍａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｖｅｒａｇｅ　ｌａｓｔｉｎｇ　ｐｅｒｉｏｄ　ｗａｓ３０～２００ｍｉｎｕｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒａｐｉｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ；Ｌａｒｇｅ　ｕｒｂａｎ；Ｌｏｇｇｉｎｇ　ｒｉｓｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｃｉｔｙ　　目前，我国正在开展全国性城市排水防涝规划工作，内涝风险是这项工作的主要组成部分。按照传统的建模方式进行内涝风险分析，必须首先搭建基于详细管道数据的一维模型，然后再将这个一维模型与二维地表漫流模型耦合，从而进行分析计算。但是，大部分城市面临着雨水管道资料匮乏的情况。针对此情况，笔者通过对多年来在规划层面进行模型构建工作经验的总结，提出了城市排水防涝系统快速评估模型的构建方法，并以北京为案例加以应用，为其他城市开展模型构建工作提供技术参考。１　模型构建１．１　模型理论假设降雨产生积水的过程可以概化为：首先，降雨到地面后发生产汇流；然后，产生的地表径流一部分被管道排除，另外一部分在地面流动；最后，在地面的雨水随地形流动到地面低点而产生积滞水区域。４０　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４目前，一般在建模过程中对于管道排除水量采用构建基于管道数据的详细管道模型进行模拟。这种模拟方式过于依赖管道数据，而目前中国大部分城市缺乏城市雨水系统的现状资料及详细规划方案，导致这种建模方式在实施中面临诸多问题和挑战。因此，本次研究认为在城市级别（特别是大型城市）上进行模型构建，可以对管道排除水量的计算进行概化，具体概化方式为：对降雨到地面后的产流过程以按照径流系数扣损降雨得到净雨的方式进行概化；对管道排除的水量以区域设置管道排除能力按照管道标准进行雨水排除概化；对地面积滞水利用二维模型模拟其地表流动过程及最终积滞水情况。１．２　数据来源本次研究所采用的地形数据为北京市测绘院提供的比例尺为１∶５００和１∶２　０００地形图数据。雨水管道的流域及规划设计标准来自《北京市中心城防洪防涝系统规划》。１．３　ＤＥＭ栅格精度考虑本次原始地形数据的比例尺为１∶５００和１∶２　０００，以及北京市中心城面积过大导致数据量较大等因素，同时考虑如果ＤＥＭ精度低于２０ｍ的话，会导致很多城市道路宽度小于ＤＥＭ栅格大小从而影响结果精度，本次研究确定ＤＥＭ的栅格精度为５ｍ×５ｍ。１．４　设计降雨本次研究设计降雨采用北京市地方标准《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（ＤＢ１１／Ｔ９６９—２０１３）中所确定的２４ｈ设计降雨，其基本降雨模式如图１所示。图１　北京市２４ｈ设计降雨雨型１．５　设计净雨本次研究将现状用地分为６类不同的下垫面形式，分别为绿地、裸土、水面、屋顶、道路路面及硬质铺装的广场、小区内部铺装，径流系数分别选取为０．３、０．２５、０、０．８、０．９和０．７。对于规划径流系数，本研究选择《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（ＤＢ１１／Ｔ　９６９—２０１３）中所确定的值，即城市采用综合径流系数为０．６５。根据不同下垫面的径流系数和设计降雨可以得到现状不同下垫面和规划的设计净雨。１．６　管道排除能力设置由于城市管道系统构成较为复杂，每个系统的流域面积、流域形状、坡度、汇流速度均不一致，因此准确确定每条管道排除能力是较为复杂的工作。本次研究认为在城市尺度上进行模型模拟工作，在保证整体精度的条件下，主要关注对象为雨水干线。因此，在本次研究中首先将中心城划分为７５０个排水分区，分别计算每个排水分区干线管道出口处的排水能力，并将其折算为降雨强度，以此作为每个排水分区的管道排除能力。在计算排水分区干线管道出口处的排水能力时可采用两种方式：第一种可以根据出口管道实际的管径、坡度进行计算得到管道排除能力；第二种可以根据干线的汇流时间，利用暴雨强度公式计算得到。经核算，北京市中心城各排水分区的现状排除能力为２０～４２ｍｍ／ｈ，规划排除能力为３５～６２ｍｍ／ｈ。１．７　边界条件考虑北京自然排水条件较好，同时模型无法详细模拟雨水管道受到顶托的现象，因此，本次研究假设下游河道对于管道没有顶托现象或者河水倒灌现象。１．８　其他参数考虑城市下垫面构成较为复杂，同时城市局部微地形较多，这些因素均会对城市地表流行的糙率带来影响。本次研究根据北京经验的地面汇流速度和地面坡度估算了综合糙率值，本次研究确定的综合糙率为０．０３。２　模拟结果与讨论２．１　积水点情况总结分析本次研究应用快速评估模型对北京市中心城积给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４４１　　　水点进行模拟，根据积水情况研究将积水点进行了分类，具体分类标准为：积水深度＜０．１５ｍ视为不积水；积水深度０．１５～０．２７ｍ为轻度积水；积水深度０．２７～０．５０ｍ为中度积水；积水深度０．５０～０．８０ｍ为重度积水；积水深度＞０．８０ｍ为严重积水。根据模拟结果，并与历年积水点进行比较和统筹，围绕市政交通路网，筛选出内涝比较严重的积水点共７９个，如图２所示。图２　中心城内涝积水点示意２．２　模型模拟结果准确性分析由于缺乏实测资料，无法进行参数率定。为保证本次研究工作中模型结果的准确性，本次研究选择中心城内部某雨水分区，构建其耦合模型（耦合管道、河道、二维漫流模型），选择与快速模型相同或者等效的参数进行模拟，并将其结果与快速评估模型评估结果进行对比。根据对比结果（如图３和表１所示），快速评估模型结果与耦合模型相比结果存在一定差异。造成这个差异的主要原因就是耦合模型中雨水排除量是利用管道一维模型进行计算得到的，而且考虑了每条雨水管道，在模拟过程中每条管道的排除能力可能均和快速评估模型中设置的管道排除能力存在一定差异，这个差异导致了积水量均在一定区别。但是通过结果可以看出，两个模型在积水点的空间分布上模拟结果基本一致，具体的积水深度和时间也基本在同样的评估等级范围内，结果可以作为一些宏观分析的依据。２．３　模型在规划中的用途分析笔者认为本次研究确定的快速评估模型在规划中主要用途有两方面。图３　不同模型模拟结果对比表１　不同模型模拟结果统计积水点最大积水深度／ｃｍ积水时间／ｍｉｎ耦合模型快速模型耦合模型快速模型１　５２　６２　７３　９３２　６０　４８　９６　７３３　７２　６３　２１４　１５４２．３．１　快速识别城市易涝区对于大型城市，通过快速评估模型，可以较为快速地识别出现状情境下和规划情境下的城市内涝风险区域。得到区域分布后，一方面可以便于在城市规划发展中必然将建设用地安排在内涝风险较高的区域，提高城市的安全性；另一方面，可以在编制城市防涝规划中，合理确定工作重点和工作顺序，按照内涝风险从高到低的顺序分片区开展工作，避免出现全部区域同时开展工作导致工作周期较长的问题，提高规划编制的效率。２．３．２　快速评估不同的雨水系统改造方案和地形改造方案的实施效果由于目前中国现状雨水系统规划设计标准普遍较低，未来可能进行较大规模的雨水系统提标改造工作，这就使得合理确定城市雨水系统规划设计标准成为未来系统改造的核心问题。而进行城市雨水系统规划设计标准确定的一个重要参考因素就是对于内涝风险的抵御能力。按照传统方式，分析不同重现期标准雨水系统的内涝风险情况需要首先编制相应的雨水系统规划方案，然后进行耦合从而进行评估，而这种工作模式将带来具体的工作量，而且所做的工作大部分对于未来的规划方案编制没有实际的意义。如果采用快速评估模型，只需要对不同标准雨水系统的排除能力进行估算，在模型中设置相关参数，就可以评估出提标改造后的效果（如图４和表２所示）。同时，在本模型中对于地形进行适当修改后，可以较快地模拟出地形修改对于内涝风险的影响，从而为规划编制者制定对策提供技术支撑。４２　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４图４　提标改造前后积水风险对比表２　提标改造前后积水模拟情况统计积水点最大积水深度／ｃｍ积水时间／ｍｉｎ改造前改造后改造前改造后１　６２　５１　９３　４３２　４８　３１　７３　２７３　６３　４７　１５４　４１２．４　模型推广适用性分析本次研究的快速评估模型最大的特点在于建模时脱离对管道详细数据的依赖，而缺乏管道详细数据正是制约我国大多数城市的主要问题，因此，本模型在国内具有较好的推广应用价值，对于推进模型普及和城市排水防涝规划编制具有较好的作用。２．５　模型构建过程中主要注意问题本模型构建过程中需要注意的问题主要有３点：（１）模型构建时需要对下游河道是否顶托进行初步判断，如果存在河道顶托的可能，则应该在管道能力设置时考虑该因素，适当降低管道能力。（２）模型ＤＥＭ栅格精度不宜太细，否则会导致模型数据量过大，影响模型的运算速度、稳定性等，栅格的大小比绝大部分道路小即可。（３）管道能力设置时，在对现状管道能力进行设置时，计算汇流时间应考虑ｍ值（延缓系数）的问题。３　结语本次研究针对