劉華超,周民華,甘立建,*,徐 薇,梁風(fēng)超,趙日祥

(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院<集團(tuán)>有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南 250001;2.東營(yíng)市東凱人才發(fā)展集團(tuán)有限公司,山東東營(yíng) 257000)

傳統(tǒng)的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì),是根據(jù)區(qū)域的設(shè)計(jì)降雨條件利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)公式進(jìn)行管道水力計(jì)算,設(shè)計(jì)成果缺乏行之有效的評(píng)估方法[1]。城市排水防澇模型的出現(xiàn)有效緩解了這一困境,通過(guò)模型模擬對(duì)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行排水能力評(píng)估與內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,能夠較為真實(shí)地評(píng)價(jià)規(guī)劃設(shè)計(jì)成果[2]。在構(gòu)建城市排水防澇模型的過(guò)程中,設(shè)計(jì)降雨事件是重要組成部分,通過(guò)設(shè)置降雨量、降雨歷時(shí)、降雨時(shí)程分配,可有效模擬貼近真實(shí)情況的降雨情況[3]。目前的模型研究大多利用芝加哥雨型公式法,根據(jù)區(qū)域暴雨強(qiáng)度公式構(gòu)建降雨事件,從而開(kāi)展區(qū)域排水能力評(píng)估、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海綿設(shè)施建設(shè)效果評(píng)估等[4-6]。上述研究采用單一情景下降雨事件進(jìn)行模擬分析,尚未考慮氣候變化對(duì)模型構(gòu)建的影響。

隨著以CO2為主的溫室氣體的大量排放,全球氣候呈現(xiàn)出較為明顯的變暖態(tài)勢(shì),在全球氣候變暖背景下,我國(guó)大部分區(qū)域年降雨量及極端降水事件呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[7-9]。目前,CMIP5(coupled model intercomparison project phase 5)因其成熟性,在不同區(qū)域氣候變化相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用,研究[10-13]表明采用CMIP5數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)降雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。再者,根據(jù)《城鎮(zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范》(GB 50788—2012),片區(qū)排水管道系統(tǒng)的服務(wù)年限不應(yīng)低于50年,所以規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展片區(qū)雨水管線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮氣候變化導(dǎo)致降雨量變化的因素,合理預(yù)測(cè)未來(lái)降雨量,確保排水管網(wǎng)系統(tǒng)在其服務(wù)年限內(nèi)仍滿(mǎn)足要求。

在此背景下,本文研究了氣候變化情景下的片區(qū)級(jí)排水防澇模型構(gòu)建與分析。首先利用InfoWorks ICM軟件構(gòu)建華東某市JTH流域雨洪模型,開(kāi)展研究區(qū)規(guī)劃排水系統(tǒng)能力評(píng)估及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析;其次利用CMIP5數(shù)據(jù)定量分析氣候升溫背景下未來(lái)降雨量的變化情況;最后利用InfoWorks ICM軟件構(gòu)建基于氣候變化情景下的降雨事件,分析降雨量變化對(duì)模擬結(jié)果的影響,為后續(xù)開(kāi)展片區(qū)級(jí)雨水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。值得注意的是,因CMIP5模型與ICM模型的研究尺度存在一定差異,本研究假設(shè)CMIP5模型的單元網(wǎng)格精度也即研究區(qū)域內(nèi)均位于同一網(wǎng)格,降雨量變化具有相同的變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

研究選取某市JTH流域作為研究區(qū)域,區(qū)域面積約為5.252 4 km2(表1)。區(qū)域?qū)俦睖貛駶?rùn)大區(qū)魯淮區(qū),為溫暖半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候,多年平均降水量為669.30 mm。如圖1所示,區(qū)域地貌單元屬黃河沖積平原,地形較平坦,整體呈南高北低、西高東低,海拔高程為19.1～21.9 m。區(qū)域尚未進(jìn)行開(kāi)發(fā),現(xiàn)狀為農(nóng)田,灌溉渠和現(xiàn)狀水系相互貫通,水系發(fā)達(dá)。區(qū)域排水體制為雨污分流制,雨水管渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇,除澇標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀高程

2 模型建設(shè)

研究對(duì)規(guī)劃管網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)定了外部降雨事件與邊界條件,利用InfoWorks ICM軟件構(gòu)建片區(qū)排水模型,包含研究區(qū)域的一維網(wǎng)絡(luò)模型、二維網(wǎng)絡(luò)模型以及二者耦合模型。

2.1 降雨條件

研究采用芝加哥降雨過(guò)程線(xiàn)法生成設(shè)計(jì)降雨事件。研究區(qū)域具體暴雨強(qiáng)度如式(1)。

(1)

其中:q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm2),1 hm2=0.01 km2;

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,a;

t——設(shè)計(jì)降雨歷時(shí),min。

根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式和芝加哥雨型分別設(shè)計(jì)不同重現(xiàn)期下的降雨。本研究通過(guò)建立1年一遇、2年一遇、3年一遇的2 h降雨事件,進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃排水系統(tǒng)排水能力評(píng)估,通過(guò)建立50年一遇的3 h降雨事件進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.2 模型構(gòu)建

研究中構(gòu)建的模型包括管網(wǎng)模型、下墊面模型、二維地面積水模型以及河道模型[14]。管網(wǎng)模型應(yīng)基于現(xiàn)有市政管線(xiàn)設(shè)計(jì)資料,采取一定的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法,劃分子集水區(qū),概化管道、檢查井等信息[15]。構(gòu)建管網(wǎng)模型應(yīng)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查,確保管網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系無(wú)誤。下墊面模型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有地塊規(guī)劃資料,構(gòu)建綠地、道路與地塊等下墊面類(lèi)型,通過(guò)查閱規(guī)范等方式確定不同下墊面的參數(shù)。構(gòu)建下墊面模型應(yīng)進(jìn)行下墊面相交檢驗(yàn),確保不同下墊面之間相互獨(dú)立。二維地面積水模型應(yīng)基于現(xiàn)有數(shù)字高程模型(DEM),將建筑物與道路分別設(shè)置為空白區(qū)與網(wǎng)格化區(qū)間,實(shí)現(xiàn)一維管網(wǎng)模型與二維地面模型的耦合。河道模型應(yīng)基于河道中心線(xiàn)及橫斷面數(shù)據(jù),設(shè)置河道排放系數(shù)與模式上限。構(gòu)建河道模型應(yīng)借助軟件的創(chuàng)建河岸連接功能,實(shí)現(xiàn)河道模型與其他模型的耦合。

2.3 模型參數(shù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[14,16],綠地匯流參數(shù)取0.15,初期入滲率為200 mm/h,極限入滲率為6.3 mm/h,衰減因子取4;鋪裝匯流參數(shù)為0.013;建筑物匯流參數(shù)為0.013。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)相關(guān)指標(biāo),確定研究區(qū)域不同下墊面徑流系數(shù)值。其中,地塊徑流系數(shù)按35%綠地、35%道路及30%房屋建筑加權(quán)計(jì)算,具體指標(biāo)如表2所示。

表2 研究區(qū)域下墊面徑流參數(shù)

2.4 模擬結(jié)果與分析

2.4.1 排水能力評(píng)估

研究采用管渠最大充滿(mǎn)度評(píng)估法依次對(duì)1年一遇、2年一遇、3年一遇重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)降雨事件下研究區(qū)域雨水排水模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析[17]。結(jié)果表明:在相應(yīng)降雨條件下,研究區(qū)域雨水管道系統(tǒng)排水能力良好,管道排水能力評(píng)估統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 管網(wǎng)排水能力評(píng)估統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)域內(nèi)雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年一遇。評(píng)估結(jié)果如圖2所示,在1年一遇2 h以及2年一遇2 h降雨條件下,區(qū)域雨水管渠最大充滿(mǎn)度均小于1,區(qū)域雨水管渠排水能力整體達(dá)標(biāo),在3年一遇2 h降雨條件下,部分管段最大充滿(mǎn)度大于1,區(qū)域雨水管渠排水能力達(dá)標(biāo)率為99.95%。

圖2 雨水管渠排水能力評(píng)估

2.4.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于雨水管網(wǎng)模型、地面模型與河道模型,結(jié)合區(qū)域重要程度與行人安全,研究采用情景模擬評(píng)估法與雙因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,分析確定不同情景下的內(nèi)澇淹沒(méi)范圍與易澇點(diǎn)[18]。研究中,雙因子評(píng)價(jià)法的指標(biāo)選取積水深度與積水時(shí)間,不同的積水深度與積水時(shí)間對(duì)應(yīng)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),具體信息如表4所示[19]。

表4 城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)研究區(qū)域建設(shè)方案及人口數(shù)量,確定內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021),采用數(shù)學(xué)模型法對(duì)區(qū)域內(nèi)澇防治系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí),降雨歷時(shí)一般采用3～24 h,參考美國(guó)丹佛市的《城市暴雨排水標(biāo)準(zhǔn)》,服務(wù)面積小于10平方英里(約25.9 km2),最小降雨歷時(shí)為2 h,確定本研究中內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用50年一遇3 h降雨是合理可行的。具體降雨曲線(xiàn)如圖3所示。根據(jù)降雨曲線(xiàn),降雨歷時(shí)為180 min,峰值比例為0.656,降雨總量為157.51 mm,平均雨強(qiáng)為0.875 mm/min。

圖3 50年一遇3 h降雨曲線(xiàn)

此外,采用推理公式法進(jìn)行內(nèi)澇防治校核時(shí),需提高徑流系數(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為30～50年時(shí),宜將徑流系數(shù)提高20%～25%,當(dāng)計(jì)算的徑流系數(shù)大于1時(shí),應(yīng)按1取值。研究確定長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下道路徑流系數(shù)為1,地塊徑流系數(shù)為0.82,綠地徑流系數(shù)為0.25。

基于模擬結(jié)果,研究繪制50年一遇3 h降雨條件下的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖,結(jié)果如圖4所示。城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明:在50年一遇3 h降雨條件下,積水0.15～0.25 m的區(qū)域面積約為5 860 m2,積水0.25～0.50 m的區(qū)域面積約為630 m2,積水水深超過(guò)0.50 m的區(qū)域面積約為14 190 m2。目前研究區(qū)域的排水管網(wǎng)在排除城市內(nèi)澇的能力上具有較高的水平,服務(wù)范圍內(nèi)出現(xiàn)較少積水區(qū)域。

圖4 50年一遇3 h內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)

研究繪制了50年一遇3 h降雨條件下的內(nèi)澇點(diǎn)分布圖。如圖5所示,在發(fā)生超標(biāo)降雨時(shí),區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4易發(fā)生內(nèi)澇積水現(xiàn)象,產(chǎn)生積水現(xiàn)象原因?yàn)閰^(qū)域低洼,雨水累積無(wú)法正常排出。其中,區(qū)域3處風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別最高,積水原因?yàn)樵撎帪榱⒔粯?橋下地勢(shì)低洼,雨期需根據(jù)需要開(kāi)展工程措施,如蓄水池開(kāi)挖、布置泵站等。

圖5 50年一遇3 h內(nèi)澇點(diǎn)分布

3 未來(lái)氣候變化情景設(shè)定

為探討在未來(lái)全球氣溫上升的情境下,研究區(qū)域降水活動(dòng)的變化情況,研究選取CMIP5中CSIRO-MK3-6-0模式的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。CSIRO-MK3-6-0模式由法國(guó)研究學(xué)者所研發(fā),水平分辨率為256×128(緯向×經(jīng)向),歷史氣候情境時(shí)間為1850年—2005年,試驗(yàn)時(shí)間為2006年—2100年,該模式空間模擬能力較好[20]。

典型濃度路徑(RCP)場(chǎng)景是以未來(lái)人口、經(jīng)濟(jì)、科技、能耗及土地利用等因素的變化為前提條件,描述未來(lái)溫室氣體的排放量、大氣成分的濃度等,其包括高排放情景(RCP8.5)、中排放情景(RCP6.0和RCP4.5)以及低排放情景(RCP2.6),不同場(chǎng)景模式的區(qū)別主要體現(xiàn)在未來(lái)土地利用規(guī)劃中。CSIRO-MK3-6-0模式分別對(duì)RCP8.5、RCP6.0、RCP4.5、RCP2.6這4種情景進(jìn)行了分析,分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)分析結(jié)果,2006年—2100年,隨著全球氣溫的增高,在4種場(chǎng)景下,年降雨總量呈現(xiàn)較為微弱的增加趨勢(shì)。

圖6 CSIRO-MK3-6-0模式降雨分析

因高排放場(chǎng)景和低排放場(chǎng)景所假設(shè)條件與現(xiàn)實(shí)條件存在較大差別,研究初步選取中排放場(chǎng)景(RCP6.0和RCP4.5)作為本研究中的研究場(chǎng)景?？紤]當(dāng)前“碳達(dá)峰”與“碳中和”的政策需求,研究最終選取RCP4.5場(chǎng)景作為研究未來(lái)降雨量變化的依據(jù)。RCP4.5場(chǎng)景是指采取政策推動(dòng)可再生能源電力系統(tǒng)以及碳捕捉系統(tǒng)的建設(shè),減少傳統(tǒng)化石燃料的使用率,控制輻射強(qiáng)迫頂點(diǎn)降至4.5 W/m2,CO2質(zhì)量濃度降至538 mg/L。

圖6(b)結(jié)果表明,研究區(qū)域在氣候變化的條件下,降水總量以每年0.830 7 mm的變率呈增加趨勢(shì)。即相較于現(xiàn)狀條件,研究區(qū)域2050年年降雨量增加了6.2%。

4 未來(lái)氣候變化情景

基于CMIP5數(shù)據(jù)的處理與分析,開(kāi)展未來(lái)氣候變化情景下研究區(qū)域的排水能力以及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。研究?jī)?nèi)容分為3個(gè)部分,分別為考慮未來(lái)氣候變化情景下的降雨事件設(shè)定、管道排水能力評(píng)估、區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4.1 降雨事件設(shè)定

本研究通過(guò)調(diào)整暴雨強(qiáng)度公式系數(shù),改變芝加哥雨型曲線(xiàn),實(shí)現(xiàn)降雨總量的變化。圖7展示了考慮氣候變化條件下2050年研究區(qū)域1年一遇、2年一遇、3年一遇以及50年一遇的降雨曲線(xiàn)圖。

圖7 2050年降雨曲線(xiàn)

4.2 排水能力評(píng)估

基于InfoWorks ICM軟件設(shè)置的2050年降雨事件,開(kāi)展2050年研究區(qū)域雨水管道排水能力評(píng)估。圖8為未考慮氣候變化以及考慮氣候變化條件下的管網(wǎng)排水能力評(píng)估。結(jié)果表明,在考慮氣候變化的條件下,片區(qū)2050年雨水管道達(dá)標(biāo)率為86.03%,其中,不滿(mǎn)足2年一遇標(biāo)準(zhǔn)的管道總長(zhǎng)度為1 012 m,不滿(mǎn)足3年一遇標(biāo)準(zhǔn)的管道總長(zhǎng)度為2 318.4 m。

圖8 管網(wǎng)排水能力評(píng)估對(duì)比

4.3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于InfoWorks ICM軟件設(shè)置的2050年降雨事件,開(kāi)展2050年研究區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。圖9為未考慮氣候變化以及考慮氣候變化條件下的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明,在考慮氣候變化的條件下,研究區(qū)域易澇點(diǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中,積水深度為0.15～0.25 m的區(qū)域面積約為11 250 m2,相比未考慮氣候變化情景增加5 390 m2;積水深度為0.25～0.50 m的區(qū)域面積為5 240 m2,相比未考慮氣候變化情景增加4 610 m2;積水水深超過(guò)0.50 m的區(qū)域面積為14 830 m2,相比未考慮氣候變化情景增加640 m2。

圖9 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)比

5 結(jié)論

(1)在未考慮氣候變化影響以及考慮氣候變化影響條件下,研究區(qū)域雨水管道排水能力達(dá)標(biāo)率分別為99.95%與86.03%。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行新建片區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮氣候變化對(duì)降雨量的影響,保證管網(wǎng)系統(tǒng)在服務(wù)年限內(nèi)滿(mǎn)足要求。

(2)在考慮氣候變化影響下,研究區(qū)域降雨總量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果,2050年降雨總量相較于現(xiàn)狀條件,上升了6.2%。

(3)對(duì)未考慮氣候變化影響以及考慮氣候變化影響條件下的城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,考慮氣候變化影響條件下,設(shè)計(jì)降雨量變大,城市排水系統(tǒng)韌性增強(qiáng),城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域增多,部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升。后續(xù)需重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高區(qū)域的排水設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì),宜通過(guò)設(shè)置透水鋪裝、下沉式綠地、綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、滲透塘、濕塘等海綿城市工程設(shè)施,提升區(qū)域應(yīng)對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的能力,增強(qiáng)片區(qū)的安全韌性。