姜吉威，解智強(qiáng)*，徐 通，楊壽泉，高 忠

（1. 云南大學(xué)，云南 昆明 650504；2. 昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室，云南 昆明 650111）

城市洪澇是指強(qiáng)降雨或連續(xù)性降雨超過(guò)城市管線排水能力，導(dǎo)致城市地面產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城市化水平已超過(guò)50%。根據(jù)世界銀行預(yù)測(cè)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，到2030年我國(guó)的城市化水平將超過(guò)70%[2]。城市化進(jìn)程的推進(jìn)，使得城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、城市下墊面硬化面積加大、透水率下降；而原有的城市管線設(shè)施滯后，排水管線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏小，排水能力嚴(yán)重不足，從而導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生。全球氣候變化導(dǎo)致的極端降雨天氣的增加以及快速城市化進(jìn)程均為城市帶來(lái)了一定的負(fù)面影響，如日益顯著的城市熱島效應(yīng)和雨島效應(yīng)導(dǎo)致的城市暴雨頻發(fā)[3]。城市的高速發(fā)展和極端天氣頻發(fā)導(dǎo)致降水量大、降水難下滲、水動(dòng)力不足和管線排水能力不足，極易在地勢(shì)低洼地段形成洪澇災(zāi)害，給城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)很大損失。

1950—2016年昆明市共發(fā)生洪澇災(zāi)害37次，平均每1.8 年發(fā)生一次洪澇災(zāi)害，是全國(guó)近年來(lái)內(nèi)澇嚴(yán)重的60 個(gè)城市之一，城市防洪形勢(shì)嚴(yán)峻。2013 年“7·19”和2017 年“7·20”的洪澇災(zāi)害暴露出昆明市城市防洪排澇方面存在的諸多問(wèn)題。本文針對(duì)近年來(lái)每逢雨季昆明市均會(huì)發(fā)生嚴(yán)重城市洪澇災(zāi)害的現(xiàn)象，以昆明市北辰片區(qū)為例，借助InfoWorks ICM 軟件構(gòu)建了北辰片區(qū)的二維水力模型，對(duì)城市洪澇災(zāi)害進(jìn)行了時(shí)空反演，對(duì)排水管線系統(tǒng)承載能力和洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并根據(jù)模型反演情況對(duì)洪澇災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行成因分析，提出管線改造方案，為城市洪澇災(zāi)害防治和管線規(guī)范改造決策提供科學(xué)支撐，為智慧水務(wù)建設(shè)打下基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

本文選取昆明市主城北辰片區(qū)2.86 km2的區(qū)域作為研究區(qū)。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平坦，城市降水系統(tǒng)較獨(dú)立，較少受到外界地表匯流的干擾；雨水管線覆蓋密度和覆蓋程度較高，部分小區(qū)雨污混接，具有一定的匯流能力。據(jù)昆明市排水公司提供的數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)內(nèi)的排水管線在2019—2020年進(jìn)行了物探和清淤工作，保障了管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，減少了積淤對(duì)管線排水能力的影響。近年來(lái)，研究區(qū)內(nèi)每逢強(qiáng)降雨均會(huì)發(fā)生洪澇災(zāi)害，因此本文擬通過(guò)洪澇災(zāi)害時(shí)空反演，找出洪澇發(fā)生的成因，為防澇市政科學(xué)改造提供基礎(chǔ)。

2 技術(shù)路線

本文的主要技術(shù)路線（圖1）為：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料的收集、整理與分析；②基于InfoWorks 軟件，利用多源數(shù)據(jù)構(gòu)建研究區(qū)二維水力模型，并通過(guò)實(shí)地勘探和查閱相關(guān)專業(yè)資料對(duì)模型進(jìn)行校核和率定，得到與實(shí)地相符的水力模型；③結(jié)合模型，基于GIS 等分析方法，通過(guò)災(zāi)害時(shí)空反演對(duì)研究區(qū)地下排水管線承載力和洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)地下排水系統(tǒng)的改造提出建設(shè)性意見(jiàn)。本文通過(guò)既有現(xiàn)狀物數(shù)據(jù)，配合充分的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和屬地化參數(shù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了模型的精度和實(shí)用性，為研究區(qū)積水成因分析和后續(xù)專業(yè)改造提供支持。

圖1 技術(shù)路線圖

3 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的主要數(shù)據(jù)如表1 所示。本文旨在研究城市洪澇問(wèn)題，邊界條件主要為降雨事件。降雨數(shù)據(jù)主要為昆明市2020 年每5 min 間隔的歷史降雨數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)對(duì)積水點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)的排水管線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多為1～5 a。因此，本文選用短歷時(shí)暴雨2年、3年、5年重現(xiàn)期暴雨雨型以及50年一遇暴雨雨型作為模擬研究的邊界條件。

表1 本文采用的數(shù)據(jù)源

本文采用的昆明市暴雨強(qiáng)度公式（2015版）來(lái)源于昆氣聯(lián)發(fā)[2015]3號(hào)《昆明市氣象局昆明市防汛抗旱指揮部辦公室昆明市滇池管理局關(guān)于發(fā)布昆明市暴雨強(qiáng)度公式（2015 版）的通知》。公式編制采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為昆明國(guó)家基準(zhǔn)氣候觀測(cè)站1981—2014年逐分鐘雨量數(shù)據(jù)，主要適用于昆明市中心城區(qū)，因此本文參照使用[4]。

昆明市暴雨強(qiáng)度公式（2015版）為：

式中，q為降雨強(qiáng)度，單位為l/s/hm2；t為降雨歷時(shí)，單位為min；P為重現(xiàn)期，單位為a。

3.2 管線模型構(gòu)建

本文將排水管線的原始物探數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入管線模型中，并導(dǎo)入檢查井的系統(tǒng)類型、地理坐標(biāo)、地面高程和井底高程，管線的管徑、材質(zhì)、形狀、上下游管底標(biāo)高等關(guān)鍵信息。對(duì)原始物探數(shù)據(jù)進(jìn)行合理歸納，簡(jiǎn)化雨水篦子的模擬，刪除無(wú)關(guān)屬性和非混接的污水管線，以提升模型計(jì)算速度和運(yùn)行效率。將遙感影像作為底圖參考數(shù)據(jù)，檢查管線數(shù)據(jù)的拓?fù)渫暾?，避免?shù)據(jù)缺失；檢查管線系統(tǒng)線的連接性，避免出現(xiàn)孤立節(jié)點(diǎn)、重復(fù)節(jié)點(diǎn)或不連通的出水口等問(wèn)題；檢查管徑的合理性，對(duì)大管接小管的情況進(jìn)行標(biāo)記和復(fù)核；檢查縱斷面的合理性，避免出現(xiàn)管頂或管底高程高于地面高程、管線逆坡等現(xiàn)象。

3.3 水文模型構(gòu)建

在城市排水模型建設(shè)的過(guò)程中，二維水力建模方法充分考慮了地形等因素對(duì)城市排水的影響，獲得的結(jié)果更加接近現(xiàn)實(shí)。子集水區(qū)劃分，主要基于城市市政道路的排水管線，利用泰森多邊形進(jìn)行劃分。根據(jù)研究區(qū)下墊面的實(shí)際分布特征，本文將下墊面分為道路、建筑、綠地、裸地、硬化地表、水體6 類，分別設(shè)置徑流表面的產(chǎn)匯流系數(shù)。相較于傳統(tǒng)的整片區(qū)域采用同一個(gè)固定徑流系數(shù)，該方法能更真實(shí)地反映不同集水區(qū)的產(chǎn)匯流特征，保障產(chǎn)匯流模型模擬結(jié)果的真實(shí)可靠。針對(duì)不透水面的產(chǎn)匯流模型，根據(jù)《室外排水規(guī)范》[5]采用固定徑流系數(shù)法，基于昆明市下墊面的特征，選取相應(yīng)的綜合徑流系數(shù)。針對(duì)透水面的產(chǎn)匯流模型，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試透水面的下滲率，確定適合昆明市的本地化土壤降雨期間下滲特征曲線，并采用Horton 模型[6]進(jìn)行擬合，還原透水面真實(shí)的產(chǎn)匯流特征。

根據(jù)衛(wèi)星影像圖進(jìn)行下墊面解析，針對(duì)每個(gè)子集水區(qū)進(jìn)行下墊面占比提取，得到每個(gè)子集水區(qū)的下墊面實(shí)際分配情況。水文模型構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 水文模型構(gòu)建流程圖

本文采用雙環(huán)儀對(duì)透水面入滲參數(shù)進(jìn)行提取。其原理為保證內(nèi)外環(huán)的密封性，單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)環(huán)下降的水量即為內(nèi)環(huán)的入滲量。本文采用霍頓公式進(jìn)行模擬擬合，得到不同入滲速率隨時(shí)間推移的擬合曲線。

式中，f為入滲速率；f0為初始入滲速率；fC為穩(wěn)定入滲速率或極限入滲速率。

本文分別計(jì)算得到k為1、1.5、2、2.5、3時(shí)的模擬數(shù)值，綠地土壤和裸地土壤的模擬結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 綠地土壤入滲曲線

根據(jù)實(shí)測(cè)值和霍頓模擬結(jié)果，通過(guò)納什效率系數(shù)（NSE）驗(yàn)證模擬的合理性。通常NSE 大于0.7 表示模型的擬合度較高，NSE 越接近1，模擬效果越好。綠地土壤和裸地土壤入滲曲線的NSE如表2、3所示，可以看出，當(dāng)k=2 時(shí)，綠地NSE 達(dá)到最大值0.853；當(dāng)k=2.5 時(shí)，裸地NSE達(dá)到最大值0.771，表示模型此時(shí)

表2 綠地土壤入滲曲線的NSE

圖4 裸地土壤入滲曲線

的模擬結(jié)果最接近真實(shí)數(shù)據(jù)。

表3 裸地土壤入滲曲線的NSE

3.4 地表匯流模型構(gòu)建

通過(guò)地形高程數(shù)據(jù)生成地面TIN 模型，利用地面高程TIN網(wǎng)格化二維區(qū)間，從而建立地表模型。由于建筑區(qū)域會(huì)阻擋積水匯流，因此需對(duì)建筑區(qū)域進(jìn)行空白化處理。由于道路區(qū)域較低，路肩高度一般設(shè)置在0.15 m 左右[7]，影響匯流，因此需將道路區(qū)域下沉約0.15 m，從而最終完成地面匯流模型的構(gòu)建。

4 模型率定

利用收集的歷史降雨數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行模擬，通過(guò)驗(yàn)證模型和模型參數(shù)是否與實(shí)際吻合，從而檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪€原效果。本文采用的歷史降雨數(shù)據(jù)為：

1）2020 年8 月17 日8:05，昆明交警發(fā)布的積水點(diǎn)信息顯示，在北辰片區(qū)范圍內(nèi)的積水點(diǎn)包括北京路北辰大道路口財(cái)富中心段和北辰大道車(chē)行天下段。

2）根據(jù)昆明交警消息，截至2020年9月10日12:10，排水公司正積極處置40個(gè)積水點(diǎn)，北辰片區(qū)范圍內(nèi)的積水點(diǎn)為北辰大道車(chē)行天下段。

根據(jù)上述實(shí)際發(fā)布的研究區(qū)內(nèi)的洪澇積水情況，收集到距研究區(qū)最近的雨量站降雨數(shù)據(jù)，如圖5、6所示。由模型模擬得到的結(jié)果如圖7 所示，可以看出，洪澇積水點(diǎn)主要分布在北辰大道與北京路交匯處偏財(cái)富中心段以及北辰大道財(cái)富中心至車(chē)行天下段，積水區(qū)最大深度超過(guò)0.3 m，其中財(cái)富中心段和車(chē)行天下段積水較嚴(yán)重。圖5 的實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)與圖7 的模擬結(jié)果基本一致，積水點(diǎn)分布和深度與實(shí)際積水情況十分吻合，模擬結(jié)果接近現(xiàn)實(shí)情況。

圖5 金星立交橋站點(diǎn)2020年8月16日-8月19日的實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)

圖6 金星立交橋站點(diǎn)2020年9月11日-9月12日的實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)

圖7 金星立交橋站點(diǎn)2020年8月16日—8月19日模擬的重點(diǎn)積水區(qū)

5 模型應(yīng)用分析

5.1 管線排水能力評(píng)估

根據(jù)GB 50014-2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，雨水和合流管按滿管流設(shè)計(jì)。本文利用昆明市暴雨強(qiáng)度公式模擬得到現(xiàn)狀管道系統(tǒng)在2年、3年、5年一遇暴雨情況下的管線水力負(fù)荷情況，完成了管線排水能力評(píng)估。模型通過(guò)水力坡度與管道坡度的比值來(lái)定義超負(fù)荷狀態(tài)，超負(fù)荷狀態(tài)包括小于1、等于1 和等于2三種類型（表4）。

表4 管道超負(fù)荷狀態(tài)類型

本次建模的現(xiàn)狀排水管線總長(zhǎng)度為46 882.1 m，經(jīng)過(guò)水力模型評(píng)估，排水能力不滿足2 年一遇的管線長(zhǎng)度為31 684.7 m，占比為67.58%；排水能力不滿足3 年一遇的管線長(zhǎng)度為3 179.1 m，占比為6.78%，排水能力不滿足5 年一遇的管線長(zhǎng)度為2 470.4 m，占比為5.27%，排水能力滿足5 年一遇的管線長(zhǎng)度為9 547.9 m，占比為20.37%，如圖8所示。

圖8 研究區(qū)現(xiàn)狀管線排水能力評(píng)估圖

5.2 積水成因分析

針對(duì)研究區(qū)重點(diǎn)積水點(diǎn)財(cái)富中心段和車(chē)行天下段積水進(jìn)行積水成因分析發(fā)現(xiàn)，其根本原因來(lái)自排水能力問(wèn)題，城市排水能力由排水管線設(shè)計(jì)控制。積水成因分析將從排水流程的源頭、過(guò)程、排放進(jìn)行分析[8]。

1）源頭。局部管線布局不合理、部分管線服務(wù)范圍過(guò)大，導(dǎo)致大面積子集水區(qū)的降水通過(guò)支管管線匯集到一條主干管線中，主干服務(wù)范圍過(guò)大。當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，主干管線收水面積過(guò)大，主干管線流量過(guò)載，導(dǎo)致檢查井溢流形成積水。以研究區(qū)財(cái)富中心段主干道為例（圖9），管線布局上游支管線過(guò)多、主干道服務(wù)范圍過(guò)大，遇到一定規(guī)模的降雨，易形成檢查井溢流積水。

圖9 財(cái)富中心段主干道服務(wù)范圍（紅色區(qū)域）

2）過(guò)程——排水管線總體設(shè)計(jì)能力偏低。北辰區(qū)建模的現(xiàn)狀雨水合流排水管線長(zhǎng)度為39 377.4 m，主要參與雨水匯流的污水管線長(zhǎng)度為7 504.7 m，共計(jì)46 882.1 m。其中，不滿足2年一遇排水能力的管線在評(píng)估中的占比為67.58%，如按照2 年一遇的管線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)狀管線設(shè)計(jì)有67.58%的管線未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3）排放——河道頂托作用。頂托作用即當(dāng)排放口的位置在河水水位之下時(shí)，排放口受到河水壓力作用，排放口的流速變小[9]。頂托作用使排放口流速變慢，降雨得不到及時(shí)排放，易在上游形成積水。以研究區(qū)金色大道與盤(pán)龍江交接處的管線排放口為例，當(dāng)達(dá)到一定規(guī)模的降雨時(shí)，盤(pán)龍江水位在短時(shí)間內(nèi)迅速升高（8 月17 日凌晨開(kāi)始主城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨過(guò)程，平均降雨量約為90 mm，各河道水位迅速上漲，8 時(shí)盤(pán)龍江超警戒水位0.75 m），水位超管線排放口，導(dǎo)致該排放口流速變小，上游易導(dǎo)致積水，如圖10所示。

圖10 金色大道與盤(pán)龍江交接處的管線排放口示意圖

5.3 管線改造

由于城市洪澇災(zāi)害是多種因素影響的結(jié)果，需抓住存在的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，提出有針對(duì)性的改造方案，減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生。本文針對(duì)研究區(qū)的積水成因，提出了不同的治理方案。結(jié)合模型進(jìn)行模擬評(píng)估，并不斷進(jìn)行優(yōu)化，盡可能形成工程量、經(jīng)濟(jì)等方面較優(yōu)的方案。

1）增設(shè)泵站。針對(duì)河道頂托作用，本文提出增設(shè)泵站的治理方案。研究區(qū)金色大道與盤(pán)龍江交接處的管線排放口受頂托作用影響較大，建議在該排放口加裝泵站。通過(guò)模型模擬無(wú)頂托作用時(shí)排放口的最大排水流速作為泵站的下限功率，以消除頂托作用帶來(lái)的影響。

2）通過(guò)增加管徑大小，提高排水能力。針對(duì)排水管線總體設(shè)計(jì)能力偏低和局部管線布置不合理等問(wèn)題，本文提出通過(guò)增加管徑大小，提高排水能力的治理方案。通過(guò)2 年一遇降雨數(shù)據(jù)的模擬管線縱斷面圖得到管線滿管和檢查井溢流情況，從而判斷需進(jìn)行管線改造的區(qū)域。管線改造區(qū)域主要包括重點(diǎn)積水區(qū)管線、下游管線以及相關(guān)管線的變坡區(qū)域。擴(kuò)徑管線分布如圖11所示，管線擴(kuò)徑大小如表5所示。

圖11 擴(kuò)徑管線分布

表5 管線擴(kuò)徑大小

3）建設(shè)削峰調(diào)蓄池。針對(duì)局部管線布置不合理、部分管線服務(wù)范圍過(guò)大的問(wèn)題，本文提出了建設(shè)削峰調(diào)蓄池的治理方案。削峰調(diào)蓄池的主要用途是當(dāng)降雨超過(guò)管線的防澇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)大量收集超過(guò)管線空間的地面徑流，達(dá)到削減排水管線峰值流量、防止地面積水的作用[10]。利用模型對(duì)重點(diǎn)積水區(qū)的管線進(jìn)行檢查井溢出水位情況分析，作為調(diào)蓄池入流口選點(diǎn)的依據(jù)。如圖12 所示，1 號(hào)入流口位置為變坡點(diǎn)，導(dǎo)致下游管線壓力過(guò)大，通過(guò)削峰調(diào)蓄池減輕下游管線壓力；2、3號(hào)入流口為檢查井溢流水位較高的檢查井。

圖12 模擬調(diào)蓄池分布情況

6 結(jié) 語(yǔ)

在城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)和極端天氣頻發(fā)的環(huán)境背景下，城市病已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，城市洪澇災(zāi)害逐年增加。本文通過(guò)構(gòu)建二維水力模型，對(duì)昆明市北辰片區(qū)城市洪澇災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了改造建議。水力模型不僅在城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與治理等方面具有重要作用，而且在城市空間地下管線的設(shè)計(jì)評(píng)估、綜合治理以及災(zāi)害預(yù)計(jì)等方面進(jìn)行了不斷創(chuàng)新發(fā)展。隨著空間大數(shù)據(jù)和智慧城市的發(fā)展，加上硬件設(shè)施的不斷突破，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，能使城市排水管線系統(tǒng)的問(wèn)題查找、規(guī)劃、建設(shè)與維護(hù)更加智能化，決策更加科學(xué)合理。