馮 偉，張冬冬

(1.張家口水文水資源勘測局，河北 張家口 075000； 2.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程也在逐步加快，全國各地城市都在征地建房，這也使城市防汛排澇壓力及造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大，因此做到事前預(yù)警迫在眉睫。建立雨洪水預(yù)警系統(tǒng)，對于保證居民生命財產(chǎn)安全意義重大，也是目前全球很多城市的基礎(chǔ)配套設(shè)施之一。

1 項目區(qū)概況

本文以河北某市為例，該市位于河北省東北部，面積約為1 208 km2，轄區(qū)人口約70萬人，境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富。該市西北部為山區(qū)，每年汛期(7-8月份)降雨強度大且匯流迅速，造成河水陡漲，極易使市區(qū)街道產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。為了減少洪災(zāi)損失，相關(guān)部門在2015年投入超過3.2億元來建立城市雨洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對于指導(dǎo)抗洪搶險、防汛調(diào)度等工作有著重要參考價值。

2 SWMM模型地面產(chǎn)流模擬原理分析

SWMM(暴雨洪水管理模型)是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某個單一降水事件或長期水量和水質(zhì)動態(tài)變化模擬。該系統(tǒng)開發(fā)于1971年，目前已被廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪水、合流式下水道、排污管道等排水系統(tǒng)規(guī)劃、分析和設(shè)計中。

在設(shè)計地面產(chǎn)流模型時，根據(jù)地面是否透水，將項目區(qū)各子塊區(qū)域簡化為不透水區(qū)和透水區(qū)兩類，其中不透水區(qū)又分為低洼地和平坦地[1]。每種塊區(qū)的單位時間產(chǎn)流量Q(m3/h)估算如下：

1) 透水區(qū)塊產(chǎn)流量Q1計算見式(1)，其中透水區(qū)塊一般包括公園、綠地等。

(1)

式中：R為降雨強度，mm/h；I為入滲率，mm/h；T為降雨時間，h；S為透水區(qū)塊總面積，m2。

2) 不透水區(qū)低洼地產(chǎn)流量Q2計算見式(2)[2]，其中低洼地包括湖塘、人造蓄水池、自然形成的洼溝等，這些區(qū)塊入滲量相對于收集量可忽略不計。

(2)

式中：V為低洼地總蓄水量，m3。

3) 不透水平坦地產(chǎn)流量Q3計算見式(3)，主要包括經(jīng)人工硬化后的地面，這類區(qū)域無降水滯蓄能力，產(chǎn)流迅速。

(3)

SWMM模型通過對模擬區(qū)域地面結(jié)構(gòu)簡化，得到大致降雨過程中的地面產(chǎn)流總量，之后以此為基礎(chǔ)來評估、監(jiān)測、優(yōu)化城市排水系統(tǒng)。

3 雨水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

城市雨水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心組成是監(jiān)測模擬單元和預(yù)警單元，下面分別對這兩個單元的具體設(shè)計進(jìn)行分析[3]。

3.1 雨水監(jiān)測模擬單元設(shè)計

3.1.1 總體監(jiān)測方案設(shè)計

監(jiān)測點是整個系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集的來源，整個前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖1。目前，該市雨水監(jiān)測點共23個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到防汛預(yù)警要求。根據(jù)該市實際情況，設(shè)計再加設(shè)100個監(jiān)測點。

圖1 前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圖

本項目監(jiān)測方案整體設(shè)計是在重要設(shè)施、道路、排水管網(wǎng)、積水點、河道匯流等關(guān)鍵點安裝雨量計、流量計、水位計等傳感器，其測量原理、數(shù)據(jù)記錄、存儲、精度等要求見表1[4]。

表1 各監(jiān)測傳感器主要參數(shù)

3.1.2 監(jiān)測點選擇設(shè)計

監(jiān)測點位置設(shè)計直接影響到對汛期危險程度的預(yù)判，因此對不同監(jiān)測對象必須設(shè)計科學(xué)合理的監(jiān)測點。本項目具體監(jiān)測點設(shè)計原則如下：

1) 排水管渠監(jiān)測點設(shè)計。目前，該市大部分區(qū)域采用“分流制”雨水管渠排澇系統(tǒng)，本項目設(shè)計在排水管渠分區(qū)邊界、支管與干管連接處、管渠排水口等處安設(shè)監(jiān)測點；針對該市“合流制”雨水管渠排澇系統(tǒng)，將監(jiān)測點均設(shè)計在排水口[5]。本項目排水管渠監(jiān)測點共新增20處。

2) 河道、湖泊水系監(jiān)測點設(shè)計。針對流經(jīng)該市所有河道，在河道與排水分區(qū)交界面和河道溢流壩上下游30 m處設(shè)計監(jiān)測斷面；針對該市湖泊等蓄水系統(tǒng)，在汛期要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(數(shù)據(jù)每間隔10 min記錄一次)。本項目新增10處河道、湖泊水系監(jiān)測點。

3) 城市道路監(jiān)測點設(shè)計。解決城市道路行洪是本次雨水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要目的之一，針對本市城市道路，將監(jiān)測點設(shè)計在道路坡度較大、匯水面積廣、主干道交叉口、道路邊溝、進(jìn)排水口等重點位置(部分見圖2)[6]。監(jiān)測方式為連續(xù)監(jiān)測；每隔5 min記錄一次；監(jiān)測時間從下雨開始，至產(chǎn)流結(jié)束。本項目新增25處城市道路監(jiān)測點。

圖2 本項目城市道路監(jiān)測點(部分)設(shè)計

4) 易積水處監(jiān)測點設(shè)計。通過對歷史易積水點統(tǒng)計，包括積水深度、范圍、時間等等，選取重要區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點，設(shè)計數(shù)據(jù)每5 min記錄一次。本項目新增12處易積水位置監(jiān)測點。

3.2 雨水監(jiān)測預(yù)警單元設(shè)計

該市建立的雨洪水監(jiān)測預(yù)警平臺結(jié)構(gòu)具體見圖3，主要包括五大模塊內(nèi)容，下面針對幾個重要模塊設(shè)計進(jìn)行簡單分析。

3.2.1 雨情監(jiān)測分析模塊

在該市SWMM系統(tǒng)中，雨量監(jiān)測過程為前端采集設(shè)備將數(shù)據(jù)實時傳輸中央處理器，再結(jié)合各監(jiān)測設(shè)備空間位置，利用空間算法、GIS地圖快速生成市區(qū)降雨分布圖，可直觀反映出各區(qū)域降雨強度。同時，排水管渠流量、易澇點現(xiàn)場視頻也會傳到平臺。

3.2.2 汛情實時顯示和預(yù)警決策支持模塊

該市SWMM系統(tǒng)中設(shè)計的汛情實時顯示模塊可提取到：實時水位、降雨量、天氣預(yù)報、排水管渠系統(tǒng)運行、應(yīng)急人員物資調(diào)動、居民報警等信息，可以實現(xiàn)一個平臺監(jiān)測所有數(shù)據(jù)。

設(shè)計預(yù)警決策支持模塊，以系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬出雨情、水情等動態(tài)變化，之后利用電視廣播、短信、微信等發(fā)布給廣大民眾，以顯著提高全民自救、避險能力。

3.2.3 防汛物資規(guī)劃模塊

防汛物資規(guī)劃主要包括物資放置位置、種類、數(shù)量等設(shè)計，本市防汛物資主要包括皮筏、抽水泵、救生圈，在全市范圍內(nèi)共設(shè)計5處儲存點，為能及時到達(dá)易澇點(10 min內(nèi))，均位于地勢較低區(qū)域。每個點配備5個皮筏、20個救生圈，抽水泵功率及數(shù)量設(shè)計按照最長2 h退水標(biāo)準(zhǔn)配備。

圖3 雨洪水監(jiān)測預(yù)警平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 研究區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 暴雨雨峰位置規(guī)律分析

通過分析，造成該市洪澇災(zāi)害的原因主要是短歷時、強降雨，且越靠近市中心，出現(xiàn)頻率越高。本文利用芝加哥雨型公式來推算峰前暴雨強度i(t)，公式見式(4)[7]，其中60 min雨型圖見圖4。

圖4 60 min歷時該市芝加哥雨型圖

由圖4可知，暴雨強度在20～25 min時達(dá)到峰值，位于降雨前半段，其他歷時(30、90和120 min)也符合該規(guī)律。

(4)

式中：P為重現(xiàn)期，年；t為峰前降雨歷時，h。

3.3.2 排水管渠監(jiān)測成果分析

本文以2019年7月20日降雨某條位于市中心的排水主干管(管徑1.2 m)為分析對象，引入漫溢指數(shù)R，計算公式見式(5)，分類見表2。通過分析8個監(jiān)測點數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)R值均大于0.8，說明該干管排水能力不足。經(jīng)排查,存在管道堵塞問題，疏通后R基本維持在0.7高位，排澇壓力依然較大，根本解決方式為鋪設(shè)分流管。

(5)

3.3.3 易澇點監(jiān)測成果分析

根據(jù)該市易澇點監(jiān)測數(shù)據(jù)，可利用SWMM系統(tǒng)估算出積水范圍、出現(xiàn)頻率、積水原因及解決方案，具體見表3。

表2 漫溢指數(shù)R分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 易澇點監(jiān)測成果(部分)

4 結(jié) 語

雨洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)最大的意義在于可以充分利用歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立降雨模型，便于統(tǒng)一指揮，而且能夠預(yù)報各區(qū)域水情變化，提醒廣大居民及機動車駕駛?cè)藛T避免進(jìn)入災(zāi)區(qū)。該市應(yīng)用SWMM雨洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)4年以來，逐步完善了汛期搶險救災(zāi)工作，并且通過給居民發(fā)出預(yù)警，使報警率降低35%，取得較好的經(jīng)濟(jì)社會效益。