王文川，陳 陽(yáng)，康愛卿

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 4500462；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038)

隨著福州城市化發(fā)展越來(lái)越迅速，植被的去除使得區(qū)域自然地貌和天然排水系統(tǒng)發(fā)生改變，導(dǎo)致區(qū)域不透水面積大幅度增加，再加上全球氣候發(fā)生變化導(dǎo)致的極端暴雨事件增加，加劇了城市排水系統(tǒng)的壓力[1- 2]，使福州市更容易遭受內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。2015年8月8日，福州市受臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響，城區(qū)共出現(xiàn)97處積澇點(diǎn)，受災(zāi)人數(shù)近48.66萬(wàn)人，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；2016年9月28日，受臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響，全市普降暴雨，積澇點(diǎn)達(dá)40多處，部分路段積水深度超過(guò)30cm。日趨嚴(yán)峻的內(nèi)澇問(wèn)題已嚴(yán)重威脅到城鎮(zhèn)居民財(cái)產(chǎn)及人身安全，可見加強(qiáng)城市暴雨內(nèi)澇防治的研究十分緊迫。

目前解決城市內(nèi)澇的工程性措施主要有管網(wǎng)改造和布設(shè)LID措施。李彥偉等[3]利用SWMM模型模擬排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，并提出了增大管徑和改變節(jié)點(diǎn)高程兩種措施緩解管道過(guò)載、減少溢流。劉冬梅等[4]通過(guò)管網(wǎng)改建多目標(biāo)優(yōu)化模型提出了管網(wǎng)改造方案，從而提升了管網(wǎng)排水能力、緩解城市內(nèi)澇。武永新[5]等人研究了城區(qū)LID措施改造前后不同重現(xiàn)期降雨下的城市內(nèi)澇情況；楊鋼[6]等基于流域尺度雨洪模型，發(fā)現(xiàn)LID技術(shù)措施的組合布設(shè)對(duì)高頻暴雨條件下的城市洪水的洪峰及洪量均具有較好的削減作用；周易[7]等研究了各重現(xiàn)期降雨情景下布設(shè) LID 措施前后地表年徑流總量的變化；潘文斌等[8]研究了組合和單個(gè)低影響措施對(duì)水質(zhì)水量的削減效果。龐晶晶[9]探索模擬了不同暴雨重現(xiàn)期下城市防洪排澇水平，得出了不同暴雨重現(xiàn)期下易積水區(qū)域、積水時(shí)間、積水深度、積水面積以及管網(wǎng)承載力，并提出了緩解城區(qū)內(nèi)澇的舉措。以上研究均對(duì)管網(wǎng)改造和LID措施緩解內(nèi)澇效果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，從中可以看出，局部進(jìn)行管網(wǎng)改造會(huì)使該節(jié)點(diǎn)的排水速度加快，從而導(dǎo)致下游節(jié)點(diǎn)積水量增加或下游非積水點(diǎn)轉(zhuǎn)換為積水點(diǎn)，而僅布設(shè)LID措施雖然不會(huì)產(chǎn)生以上問(wèn)題，但是費(fèi)用高昂，因此本文對(duì)管網(wǎng)改造、LID組合方案應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇的能力進(jìn)行研究、評(píng)價(jià)，以提高城市應(yīng)對(duì)暴雨事件的能力。

本文通過(guò)SWMM模型，模擬了二十年一遇暴雨背景下城市內(nèi)澇情況，根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合管網(wǎng)改造和LID措施提出了在二十年一遇暴雨背景下城市的改造方案，通過(guò)不同方案模擬了對(duì)城市洪澇的控制情況，并基于可變模糊優(yōu)選決策理論模型對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)選，評(píng)價(jià)各方案應(yīng)對(duì)暴雨事件的能力，以期為福州市城區(qū)防澇提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為福州市某高密度居民區(qū)，總面積為11.48 ha。研究區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候，平均年降水量為900～2100mm，主要集中在5～9月，強(qiáng)降水頻繁發(fā)生，占全年降水量的80%以上。研究區(qū)下墊面由不透水面積和透水面積組成，其中不透水面積主要由屋面、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)及道路等不透水面組成；透水面積主要由小區(qū)綠化組成。隨著城市化發(fā)展導(dǎo)致不透水面積比例增大，加上自身防洪排澇體系沒(méi)有及時(shí)更新，城市內(nèi)澇時(shí)有發(fā)生。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域

2 SWMM模型的構(gòu)建

2.1 排水系統(tǒng)概化

研究區(qū)域的排水系統(tǒng)主要由眾多檢查井、排水管道等構(gòu)成，沿城市主干道及建筑分布，管道內(nèi)匯集的雨水直接就近排入河道。同時(shí)排水系統(tǒng)也擔(dān)負(fù)著及時(shí)排除區(qū)域內(nèi)雨水的任務(wù)，是城市排澇的關(guān)鍵因素。概化后排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)78個(gè)、出水口6個(gè)、管段78條、管長(zhǎng)為1.1～43.5m，管徑為200～1200mm。

2.2 子匯水區(qū)劃分

在本文中根據(jù)SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦巍⑼恋乩妙愋偷惹闆r，將研究區(qū)概化為154個(gè)子匯水區(qū)，面積為0.002～0.67 ha。研究區(qū)平均坡度為2.73%。概化后的模型如圖2所示。

圖2 研究區(qū)檢查井、排放口、管網(wǎng)及子匯水區(qū)分布

2.3 SWMM模型率定

對(duì)構(gòu)建完成模型參數(shù)需進(jìn)行參數(shù)率定，主要包括匯水區(qū)的產(chǎn)、匯流參數(shù)。本文利用兩場(chǎng)降雨的檢查井實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)與模擬水位數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定。率定后的模型水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位過(guò)程如圖3所示。從圖3可以看出模擬水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位過(guò)程擬合度較好，率定后的模型可以應(yīng)用于研究區(qū)的模擬分析。匯水區(qū)的產(chǎn)、匯流參數(shù)取值范圍見表1。

圖3 水位過(guò)程率定結(jié)果

參數(shù)名稱取值范圍子匯水區(qū)面積/ha0.002～0.67不透水百分比/%0～100特征寬度/m0.05～22.2平均坡度百分比/%0.07～14.7不透水地表曼寧系數(shù)0.01～0.24透水地表曼寧系數(shù)0.01～0.25不透水地表洼地蓄水深度/mm2～4透水地表洼地蓄水深度/mm2.5～4最大入滲速率/(mm/h)0～77.74最小入滲速率/(mm/h)0～24衰減常數(shù)/(1/h)0～37.5

3 城市改造方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選

3.1 城市改造方案設(shè)計(jì)

3.1.1現(xiàn)狀管網(wǎng)分析

將降雨數(shù)據(jù)輸入模型，模擬結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)共有24處節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生積水，主要由積水點(diǎn)下游管網(wǎng)排水能力不足引起，因此這些管網(wǎng)需要改造。如圖4所示。研究中降雨事件采用重現(xiàn)期為20年的24小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨，如圖5所示。

圖4 溢流點(diǎn)及管網(wǎng)改造分布圖

圖5 24h設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

3.1.2排水系統(tǒng)改造措施

管網(wǎng)改造是改善城市內(nèi)澇的主要手段之一，通過(guò)管徑擴(kuò)建可以增加過(guò)水面積，從而提升系統(tǒng)排水能力。此外，LID措施對(duì)內(nèi)澇防治也發(fā)揮著重要作用。LID措施布設(shè)要盡量減少不透水面積，延長(zhǎng)徑流路徑，充分利用入滲能力以延長(zhǎng)徑流時(shí)間。通過(guò)王瓊珊等[10]對(duì)不同類型的LID措施適用條件的研究，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，選出來(lái)雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝三種LID措施。為解決研究區(qū)內(nèi)澇問(wèn)題，需對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造。本文主要通過(guò)對(duì)管網(wǎng)管徑提升和布設(shè)LID措施這兩個(gè)方面來(lái)提升排水系統(tǒng)的排水能力。

3.1.3方案設(shè)計(jì)

通過(guò)LID措施與管網(wǎng)改造措施來(lái)提高城市應(yīng)對(duì)內(nèi)澇的能力，設(shè)定了5種方案，分別是(1)將積水點(diǎn)下游管道管徑改造為0.5m；(2)對(duì)產(chǎn)生積水區(qū)域布設(shè)LID措施(LID措施占研究區(qū)總面積的11.3%)；(3)方案(1)與方案(2)結(jié)合；(4)對(duì)全局布設(shè)LID措施(LID措施占研究區(qū)總面積的32.5%)；(5)方案(1)與方案(4)結(jié)合。利用SWMM模型對(duì)以上方案進(jìn)行模擬，并統(tǒng)計(jì)積水點(diǎn)數(shù)量、溢流總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)、內(nèi)澇開始延遲時(shí)間、洪峰消減率等信息。

3.2 基于可變模糊決策理論的方案優(yōu)選

選取積水點(diǎn)數(shù)量、積水總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用可變模糊方案優(yōu)選決策方法[11]對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選，具體計(jì)算步驟如下：

利用二次元比較法確定各個(gè)指標(biāo)的“重要性”并排序，得到二次元比較矩陣為

(1)

式中，ekl僅在0、0.5、1中取值；ekl+elk=1；ekk=ell=0.5。

設(shè)n個(gè)方案的m個(gè)目標(biāo)特征值矩陣為X(ij)，應(yīng)對(duì)目標(biāo)特征值進(jìn)行規(guī)格化處理得到目標(biāo)的相對(duì)優(yōu)屬度。

越大越優(yōu)型：

rij=xij/maxxij

越小越優(yōu)型：

rij=minxij/xij

式中，maxxij、minxij—全體方案第i個(gè)目標(biāo)特征值的最大值和最小值；i=1，2…，m；j=1，2…，n。

由公式求出目標(biāo)相對(duì)優(yōu)屬度矩陣

(2)

設(shè)目標(biāo)的權(quán)重向量為W=(ω1，ω2…ωn)，滿足∑ω=1，則方案j的相對(duì)優(yōu)屬度

(3)

式中，α—優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，p—距離參數(shù)。α的值取1和2時(shí)，分別表示最小一乘方準(zhǔn)則和最小二乘方準(zhǔn)則；p的值取2時(shí)，表示歐式距離。

4 結(jié)果分析

4.1 方案結(jié)果分析

選取積水點(diǎn)數(shù)量、積水總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)、內(nèi)澇開始延遲時(shí)間、洪峰消減率等控制指標(biāo)分析不同方案的雨洪控制效果。

模擬結(jié)果表明，在未布設(shè)措施條件下，積水點(diǎn)數(shù)量、積水總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)分別為24個(gè)、8.2×106L、15.8h。方案1至方案5與其相比分別使積水點(diǎn)數(shù)減少了10個(gè)、11個(gè)、15個(gè)、11個(gè)、16個(gè)，使積水總量分別消減了0.6×106L、1.3×106L、2.7×106L、2.8×106L、3.3×106L；使節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)分別減少了3h、2.1h、4.8h、2.3h、5h；內(nèi)澇開始時(shí)間分別延遲了0.1h、1.5h、2.7h、1.7h、2.8h；洪峰消減率分別為0%、26%、26%、51%、51%；見表2。

可以看出5種方案對(duì)積水點(diǎn)數(shù)、內(nèi)澇開始延遲時(shí)間、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)、洪峰消減率以及積水量的控制均有調(diào)節(jié)效果。

(1)從積水點(diǎn)數(shù)來(lái)看，方案1到方案5均能夠減少積水節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是方案3、方案5效果較好，均使內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)減少50%以上。

(2)在內(nèi)澇起始時(shí)間方面，方案3、方案5對(duì)內(nèi)澇開始時(shí)間的延遲效果較為明顯。通過(guò)對(duì)比可以看出，僅進(jìn)行管網(wǎng)改造對(duì)內(nèi)澇開始時(shí)間幾乎沒(méi)有延緩效果，僅布設(shè)LID可以延遲1.5-1.7h，而兩種措施結(jié)合可以使內(nèi)澇開始時(shí)間延遲2.7-2.8小時(shí)。

(3)從節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)來(lái)看，方案1、2、4效果相近，可以使積水時(shí)間減少了2-3h，方案3、5效果較好，均使積水時(shí)間減少了4.8h左右。

(4)對(duì)于積水總量，各方案均可以削減積水總量，其中方案5效果最好，消減率可以達(dá)到41.4%。在積水嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管網(wǎng)改造可能導(dǎo)致下游節(jié)點(diǎn)積水量增加，而與LID結(jié)合后可以緩解以上問(wèn)題。如節(jié)點(diǎn)YS3273240017，布設(shè)方案1后積水量由0.017×106L增加到0.066×106L，布設(shè)方案3、方案5后積水消失。可以看出LID結(jié)合管網(wǎng)改造的組合方案對(duì)積水量具有最大的削減效果。

(5)對(duì)于洪峰消減率，僅進(jìn)行管網(wǎng)改造對(duì)洪峰沒(méi)有消減效果，僅布設(shè)LID對(duì)洪峰的消減率在26%左右，兩種措施結(jié)合消減率可達(dá)到50%以上。

4.2 方案優(yōu)選結(jié)果分析

在二十年一遇暴雨條件下，應(yīng)用SWMM模型對(duì)5種方案進(jìn)行模擬計(jì)算。以積水點(diǎn)數(shù)、積水總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)、總溢流減少量、內(nèi)澇開始延遲時(shí)間、費(fèi)用、洪峰消減率作為各方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)如表2所示。應(yīng)用可變模糊優(yōu)選決策理論模型，分別計(jì)算出5種方案的相對(duì)優(yōu)屬度向量：

兩種模型得出的方案相對(duì)優(yōu)屬度排序較為穩(wěn)定，取兩種模型得出的方案平均優(yōu)屬度向量為：

對(duì)優(yōu)屬度大小排序，得到：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，因此確定方案五為最優(yōu)方案，其次為方案5，方案1，方案4，方案2。

表2 各方案積水情況及指標(biāo)值

5 結(jié)論

本文模擬了二十年一遇暴雨背景下引起的小區(qū)內(nèi)澇情況，并基于LID措施和管網(wǎng)改造措施提出了5種改造方案。主要結(jié)論如下：

(1)SWMM模型能夠準(zhǔn)確便捷模擬計(jì)算城市雨洪，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，在不采取控制措施情況下，內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)、積水總量、節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)澇歷時(shí)分別為24個(gè)、8.2×106L、15.8h。

(2)與其它方案相比，LID與管網(wǎng)改造組合方案(方案3、5)能更好的應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇問(wèn)題。如與方案1、2、4相比方案3、5在對(duì)積水點(diǎn)數(shù)、內(nèi)澇歷時(shí)、洪峰消減率以及積水量的控制上均有更加明顯的效果。

(3)在積水嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行管網(wǎng)改造能夠減少內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)但也會(huì)導(dǎo)致下游節(jié)點(diǎn)積水量增加，而布設(shè)LID與管網(wǎng)改造組合方案后可以緩解以上問(wèn)題。

(4)綜合考慮了費(fèi)用、積水點(diǎn)數(shù)、積水總量等因素，將可變模糊優(yōu)選決策理論模型應(yīng)用于城市改造方案優(yōu)選中，得出方案1到方案5的相對(duì)優(yōu)屬度分別為0.650、0.599、0.720、0.649、0.718，即方案3為最優(yōu)方案。因此，在積水嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)處布設(shè)LID與管網(wǎng)改造組合方案是應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇的最有效方案。