基于水力模型的重庆都市核心区排水防涝风险评估
基于水力模型的重庆都市核心区排水防涝风险评估
靳俊伟1，黄丽萍1，章卫军2，杨森2，毛绪昱1，向南1
(1.重庆市市政设计研究院，重庆400020；2.宜水环境科技<上海>有限公司，上海200040)
摘要：针对重庆市主城区的排水防涝综合规划的编制，在都市核心区（内环以内）范围内构建了基于InfoWorks ICM水力模型软件的排水管网模型。利用InfoWorks ICM通过一维模拟实现排水系统的排水能力评估，通过二维模拟实现内涝风险评估。模型模拟得出，重庆市核心区排水管渠满流过流能力小于3年重现期的占40%，核心区内涝高风险区占1.4%、中风险区占3.2%，且重庆市内涝严重区主要集中在低洼地区。
隔成三大片区，此外还有流域面积在100 km2以上的河流20条，大部分城市雨水通过雨水管渠可就近排入周边水体，最终排入长江及嘉陵江。重庆近年来连续几年遭遇不同程度的内涝，损失较大，影响了城市形象和百姓生活。
为了有效解决重庆市内涝问题、响应国务院办公厅及住建部的相关文件的要求，重庆市渝府办发［2013］124号文要在2014年编制完成重庆市城镇排水设施防涝综合规划。基于此，笔者采用InfoWorks ICM水力模型软件对重庆市主城区排水防涝风险进行了评估。
1 重庆市主城区内涝现状分析
近10年来，重庆市主城区暴雨频发，2007年7月17日的特大暴雨（后简称717暴雨）最大降雨量达271 mm，重现期178年一遇；2008年6月15日的特大暴雨最大降雨量达163 mm，重现期13年一遇；2009年8月4日特大暴雨最大降雨量达165 mm，重现期13年一遇；2013年6月9日最大降雨量达134 mm，重现期7年一遇。频发的暴雨、严重的内涝给重庆市带来了巨大的人身和财产损失。
重庆市属于典型的“山地城市”，总趋势为坡地，内部地形起伏，大部分的内涝积水位置在起伏中的凹地处，特别是道路在凹地设置的交叉口，内涝现象严重。由于城市化进程的加快，原有农田、荒地、水体等逐渐被各类建筑物取代，原有的雨水滞留和调蓄设施逐渐消失，综合径流系数的增大加重了原有管渠系统的排水压力；同时城市建设的不断发展与排水（防涝）设施存在矛盾，排水（防涝）设施的维护管理信息化水平赶不上智慧城市建设的需要。以上原因以及近年来气候的变化都加剧了重庆市的内涝风险。
2 模型构建
目前，传统雨水系统设计和专项规划中采用的恒定均匀流推理公式存在较大的局限性，《室外排水设计规范（2014年版）》（GB 50014—2006）中已经要求当汇水面积超过2 km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量，并且住建部发布的《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》也建议有条件的地方采用数学模型法。
重庆市都市核心区地形特征复杂、用地各异、雨水水力特征明显，采取构建模型的方法对排水管渠能力及风险进行评估更为精确。具体技术路线如图1所示。
图1 重庆市排水能力与风险评估的技术路线
重庆市主城区模型构建平台采用InfoWorks ICM。将雨水管网及承担雨水排放功能的管网数据导入InfoWorks ICM，通过管网概化梳理雨水管网系统保证管网的连通性、明确各排水分区出口位置等。根据地形高程数据建立二维模拟必需的地面高程模型，并依据地形及影像资料进行下垫面解析，进行集水区的划分并辅助选取产汇流参数。本次管网模型概化假设流向嘉陵江的河道下边界为自由出流，仅考虑流域自身的排水能力和内涝风险。
透水下垫面如林地、绿地等降雨产流采用Horton下渗法模拟；不透水下垫面如道路、屋顶等降雨产流采用SCS曲线法。采用SWMM非线性水库法（即采用有限差分法近似求解连续方程和曼宁方程）模拟产流模型中划分的若干个透水和不透水（包括有洼蓄量和无洼蓄量）子集水区的地面汇流过程。
雨水管网系统的排水能力评估将采用1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇3 h设计降雨及雨型。内涝风险评估的设计降雨历时将根据流域的汇流时间来选取，采用50年一遇3 h或6 h的设计降雨及雨型。
模型构建完成必须通过合理性检验及率定后方可作为排水防涝的评估工具。
3 排水系统能力及内涝风险评估
3.1 排水系统能力评估
依据《室外排水设计规范(2014年版)》（GB 50014—2006）中规定，雨水和合流管按满管流设计。模型动态模拟了1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的设计暴雨下的管道水力状态，分析得出的都市核心区16个流域的管渠排水能力的整体状况如表1及图2所示。
3.2 内涝风险评估标准及结果
排水管渠在其超满流状态下形成的水流状态为压力流，排水能力将大于重力满流状态下的排水能力，因而需要进行排水系统的风险评估，分析排水系统超载溢流后的积水风险。城市积水程度等级按照积水深度及流速分为轻微积水（地面积水深度≤0.15 m、流速<2 m/s）、轻微内涝（地面积水深度为0.15~0.5 m、流速<2 m/s；地面积水深度≤0.15 m、流速≥2 m/s）及严重内涝（地面积水深度＞0.5 m；地面积水深度为0.15~0.5 m、流速≥2 m/s）。内涝风险考虑“积水程度分级”和“影响对象分级［城市主干道及以上等级道路、地铁、过江（湖）地下隧道、下穿（道路、铁路等）通道、立交桥为重要路段，次干路和支路为一般路段；医院、学校、档案馆、行政中心、重要文物地、下沉式广场等重要建构筑物、交通枢纽等重要公共服务设施用地、保障性大型基础设施用地、省市防涝救灾指挥机关用地为重要地区，其余则为一般地区］”的组合，将风险等级划分如下：重要地区和路段发生轻微积水则为中风险区、一般地区和路段则为低风险区；重要地区和路段发生轻微内涝则为高风险区、一般地区和路段则为中风险区；无论是重要地区和路段还是一般地区和路段发生严重内涝则均为高风险区。
InfoWorks ICM二维模拟后的结果包括积水深度、积水流速、淹没时间、淹没面积等字段信息，但InfoWorks ICM无法将影响对象重要性分级的信息进行综合考虑。本次规划将二维模拟结果输出至GIS平台，通过GIS数据管理工具按照分级标准进行选择统计，评估结果如下：对于50年一遇降雨，轻微积水区域面积为14.02 km2、占6%，轻微内涝区域面积为2.55 km2、占1.1%，严重内涝区域面积为2.02 km2、占0.9%；低风险区面积为7.84 km2、占3.4%，中风险区面积为7.50 km2、占3.2%，高风险区面积为3.26 km2、占1.4%。50年一遇降雨的内涝等级及风险分布总体示意见图3。
3.3 评估结果分析
从水力模型对核心区16个流域排水能力一维模拟及50年一遇设计暴雨下的内涝风险评估结果可知：
① 核心区的现状管渠排水能力小于1年重现期的比例达25%，小于3年重现期的总共达40%；评估流域高风险区面积之和为3.26 km2，占模型评估流域总面积的1.4%；中风险区面积之和为7.5 km2，占3.2%；低风险面积之和为7.84 km2，占3.4%。
② 尽管排水管渠在重力流满流下所能满足的排水能力较小，但是在超满流状态下，管渠内处于压力流状态，管渠排水能力将大大提升，故不能片面地以管道满流衡量其应对内涝重现期的排水能力，排水管渠防洪排涝规划的工程措施应主要针对管渠应对大重现期降雨存在的风险区进行规划，将管道排水能力作为辅助参考依据。
③ 内涝积水区域和内涝风险区域分布零散，多为局部低洼区域。核心区地形起伏落差较大，管道坡度较大，流速快，排水系统来不及排除雨水时，地表积水沿着地势汇向下游低洼区域。应对山城分散的内涝风险，从径流的源头削减、管网薄弱环节的改造、局部低洼地调蓄和泄流通道规划是有效降低内涝风险的应对措施。
④ 重庆市主城区多处下凹立交存在内涝风险，包括：江北城流域的红旗河沟立交、江北城立交、聚贤岩立交，溉澜溪流域的大院子立交、五童立交，化龙桥流域的虎头岩上立交，双岔河流域（内环以内部分）的朝阳寺立交等。积水原因主要有两个：一是立交下凹处地势过低，造成排水困难；二是下游管道排水能力不足。应对以上积水原因，分别提出增加调蓄池和扩大下游管径两个手段来控制下凹立交的积水。
4 结论
重庆市核心区基于水力模型的排水能力及内涝风险评估的实践证明，水力模型的建立及应用能够辅助系统分析并准确认识到排水系统中的瓶颈和问题，为排水防涝综合规划的工程措施提供了基础和依据。管网水力模型的数据管理、模拟评估功能等都有着巨大的应用市场，是水务行业信息化及生产管理的重要技术手段，是排水设计及规划更为有效的依据及校验。但是水力模型在我国系统性的应用处于起步阶段，管网水力模型领域不够成熟，建模行业尚不规范，还需大量工程实践的投入及政策性的逐步导向推动其发展。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第11期“城市雨水管理”栏目）
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