引入模擬仿真新技術(shù)制定成都市中心城建成區(qū)排澇能力提升方案

朱 鋼， 陸 柯

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610015）

0 前言

近年來(lái)全國(guó)各地在極端天氣下城市局部地區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)，據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》2011年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2008年至2010年間，全國(guó)62%的城市發(fā)生過(guò)內(nèi)澇，內(nèi)澇災(zāi)害超過(guò)3 次以上的有137 個(gè)，極端天氣下城市洪澇災(zāi)害已成為威脅城市安全的一大隱患。

2011年7月3日成都市遭遇了歷史罕見(jiàn)的特大暴雨襲擊（后簡(jiǎn)稱“73 暴雨”），中心城區(qū)40 多條道路積水，局部低洼地區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，6 座下穿隧道積水較深，64 處企事業(yè)和居民住房進(jìn)水，350 多輛汽車(chē)進(jìn)水。此后，成都市政府非常重視此次內(nèi)澇教訓(xùn)，要求進(jìn)一步理清思路，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)，有效應(yīng)對(duì)超標(biāo)暴雨。為此，成都市規(guī)劃局申請(qǐng)立項(xiàng)的“成都市中心城區(qū)排澇規(guī)劃”于2012年底獲批，探索引入仿真模擬技術(shù)輔助排澇規(guī)劃的實(shí)施。2013年3月25日國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于做好城市排水及暴雨內(nèi)澇防治設(shè)施建設(shè)工作的通知（國(guó)辦發(fā)[2013]23 號(hào)）》中的有關(guān)要求進(jìn)一步強(qiáng)化了成都市中心城區(qū)排澇規(guī)劃中綜合利用信息模擬技術(shù)來(lái)分析內(nèi)澇成因，評(píng)估洪澇風(fēng)險(xiǎn)，尋求工程和非工程措施的內(nèi)澇解決方案的必要性和緊迫性。

1 成都市中心城建成區(qū)概況

成都市中心城區(qū)位于岷江沖洪積扇的東南緣，規(guī)劃面積約598 km2，地勢(shì)西北高，東南低，海拔位于482～54 1m 之間。中心城區(qū)的雨水管網(wǎng)長(zhǎng)約2 600 km2，排河口約2 200 個(gè)，排水分區(qū)約600個(gè)，多數(shù)由河道和地形分割形成。城區(qū)內(nèi)82 條河穿城而過(guò)，主要分為府河水系、清水河水系、江安河水系、東風(fēng)渠水系和毗河水系，見(jiàn)圖1。這些水系在防洪排澇、自流灌溉、社會(huì)用水、生態(tài)景觀等方面發(fā)揮了巨大作用。

圖1 中心城建成區(qū)雨水管網(wǎng)圖

2 方案制定的思路

第一步：掌握信息。利用GIS 地理信息系統(tǒng)收集到了中心城區(qū)的排水管網(wǎng)空間及屬性數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、用地類(lèi)型、道路河網(wǎng)、建筑背景及航拍影像信息。收集到了近30年的月降雨量數(shù)據(jù)和3年（2010～2012年）的小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)；收集到了外環(huán)以內(nèi)377 個(gè)河道斷面數(shù)據(jù)，以及望江樓水文站的實(shí)測(cè)水位和流量；調(diào)查并獲取了歷史內(nèi)澇積水信息（淹沒(méi)范圍、對(duì)象和水深），收集了相關(guān)規(guī)劃文本。

第二步：信息集成分析。利用信息集成分析方法梳理GIS 管網(wǎng)數(shù)據(jù)，理清排水特征，修正排水分區(qū)，找出存疑數(shù)據(jù)和空缺數(shù)據(jù)以供核實(shí)。分析了下墊面特征、降雨特征和典型暴雨規(guī)律；理順了河網(wǎng)拓?fù)洳⒄莆樟朔趾檎{(diào)度原則。

第三步：仿真模擬。構(gòu)建中心城區(qū)的河網(wǎng)模型以及二維地表漫流模擬，評(píng)估河網(wǎng)的排洪能力，識(shí)別積水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)合用地布局、道路交通重要性與淹沒(méi)對(duì)象信息，確定內(nèi)澇問(wèn)題解決的輕重等級(jí)，為利用精細(xì)模型評(píng)估和解決措施的確定提供依據(jù)。

第四步：精細(xì)模擬。確定第三步所找出的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域所位于的排水分區(qū)。針對(duì)這些排水分區(qū)建立精細(xì)模型，進(jìn)行水文水動(dòng)力耦合與一二維耦合模擬，評(píng)估片區(qū)管網(wǎng)的排水能力和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，繪制內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖與泄流路徑，尋求工程與非工程組合的措施提升片區(qū)的排澇能力。

第五步：報(bào)告編寫(xiě)與成果表達(dá)。參照《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》并結(jié)合本規(guī)劃的實(shí)際，編寫(xiě)規(guī)劃報(bào)告并附圖。

方案思路示意見(jiàn)圖2。

圖2 方案思路示意圖

3 宏觀風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 宏觀風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域模型模擬

根據(jù)住建部2013年6月發(fā)布的“城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱”的要求，成都市中心城區(qū)位列36 個(gè)大中城市，應(yīng)能有效應(yīng)對(duì)不低于50 a一遇的暴雨，因此宏觀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用50 a 一遇3 h 設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程。內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的區(qū)域?yàn)橹行某菂^(qū)375 km2的建成區(qū)。

宏觀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在集成地面高程GIS 數(shù)據(jù)，城市下墊面狀況的基礎(chǔ)上，采用50 a 一遇3 h 設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，扣除建成區(qū)內(nèi)不同排水分區(qū)的排水能力，采用二維水力模擬降雨至地面的產(chǎn)匯流過(guò)程。模型計(jì)算得出的成都中心城區(qū)50 a 一遇3 h設(shè)計(jì)暴雨積水點(diǎn)及深度分布見(jiàn)圖3。

圖3 中心城區(qū)建成區(qū)50 a 一遇3 h 設(shè)計(jì)暴雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域圖

3.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、區(qū)的劃分

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006,2014 版），地面積水標(biāo)準(zhǔn)為：（1）居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進(jìn)水；（2）市政道路中至少有一條車(chē)道的積水深度不超過(guò)15 cm，據(jù)此劃分中心城區(qū)建成區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、區(qū)，共梳理出了109 個(gè)易淹點(diǎn)和89 個(gè)易淹區(qū)，見(jiàn)圖4。

圖4 中心城區(qū)建成區(qū) 內(nèi) 澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（區(qū)）分布圖

4 精細(xì)化模型應(yīng)用

以人民公園和羊市街片區(qū)為例進(jìn)行精細(xì)化模型模擬，選用了XPSWMM 商業(yè)模型軟件。該軟件集成了水文學(xué)與水動(dòng)力學(xué)、管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模擬、一維和二維耦合模擬于一體，計(jì)算引擎快速穩(wěn)定，界面友好，與CAD 和GIS 銜接良好，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。該片區(qū)南側(cè)緊靠南河，北側(cè)接近府河，西側(cè)緊臨飲馬河、西郊河，東側(cè)以東城根街和文翁路為主要邊界，接近天府廣場(chǎng)。片區(qū)內(nèi)建筑較為密集，人民公園是區(qū)域內(nèi)綠化面積較大的區(qū)域。

4.1 模型概化

人民公園和羊市街片區(qū)的雨水管網(wǎng)處于連通狀態(tài)，將這兩個(gè)片區(qū)放在一個(gè)模型中進(jìn)行模擬分析，模型網(wǎng)絡(luò)概化見(jiàn)圖5～圖7，包括2 691 個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 710 個(gè)連接（管道、管渠）。雨水管網(wǎng)主要往南側(cè)的南河和西側(cè)的飲馬河、西郊河排放，東城根街和文翁路上的雨水管網(wǎng)匯集了區(qū)域一半以上面積的雨水，是主要的雨水排放管道。

圖5 地面高程背景下的管網(wǎng)概化圖

圖6 影像圖背景下的管網(wǎng)概化圖

圖7 影像圖背景下集水區(qū)劃分

4.2 模型檢驗(yàn)

人民公園和羊市街片區(qū)雨水模型的一維和二維模擬“73”暴雨的內(nèi)澇淹沒(méi)范圍見(jiàn)圖8。模型模擬的淹沒(méi)范圍與調(diào)查的4 個(gè)淹沒(méi)范圍吻合，淹沒(méi)水深除羊市街隧道范圍的淹沒(méi)水深偏小外，其余均較為接近。

圖8 “73”暴雨下片區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)圖

4.3 內(nèi)澇原因診斷

片區(qū)內(nèi)澇原因診斷見(jiàn)圖9。

圖9 片區(qū)內(nèi)澇原因診斷圖

（1）東城根街和文翁路上的雨水管網(wǎng)匯集了區(qū)域一半以上面積的雨水，是主要的雨水排放管道，負(fù)擔(dān)的排水壓力較重。73 暴雨該主干管網(wǎng)的排水能力不足，模型模擬顯示多處管段排水能力超限，發(fā)生溢流，無(wú)法及時(shí)排除雨水。

（2）人民公園門(mén)前的祠堂街路南側(cè)雨水管道沿著蜀都大道接到方池街后，從包家巷接到小南街雨水管道。這條線路的雨水管道存在大管接小管，再接大管的情況，形成“管喉”阻水點(diǎn)。

（3）蜀都大道路北側(cè)雨水管道從下同仁路口至祠堂街路匯入東城根街骨干雨水管道。由于東城根街骨干雨水管道在73 暴雨期超負(fù)荷運(yùn)行，造成該段管道的排水不能有效下泄，發(fā)生溢流，無(wú)法及時(shí)排走地表雨水，形成積水。

（4）祠堂街地勢(shì)低于東城根街，地表排水受阻，澇水下泄受阻。

5 排澇能力提升方案

人民公園和羊市街片區(qū)排澇能力提升工程措施包括：

（1）小南街靠近祠堂街的雨水管道改造，敷設(shè)管徑為DN1500 的管道，并與祠堂街DN1200 管道連接；同時(shí)在長(zhǎng)順上街路東敷設(shè)DN1200 管道過(guò)祠堂街，連接小南街DN1500 管道，改變排水方向。

（2）方池街雨水管道靠近蜀都大道的DN400～600 管道改建為DN800，同時(shí)將方池街路西蜀都大道路南的一段DN800 雨水管道方向改造，往方池街方向排水。

（3）東城根街東側(cè)雨水管道在金家壩街北側(cè)的DN600 管道擴(kuò)大為DN800，與北面的東城根街路東側(cè)的DN1400 連接，南面與人民西路管道連接。人民西路自東城根街往小河街的雨水管道擴(kuò)大為DN1000。

（3）在人民公園現(xiàn)狀景觀湖水面下設(shè)置容積約10 000 m3的調(diào)蓄池，東城根街文翁路DN1500 管道通過(guò)DN1500 管道與調(diào)蓄池連接，調(diào)蓄池設(shè)置規(guī)模為1.0 m3/s 泵抽排，并在小南街設(shè)置DN1000 的壓力管排往南河，見(jiàn)圖10。

圖10 片區(qū)排澇能力提升工程方案圖

6 工程方案實(shí)施效果評(píng)估

工程措施實(shí)施后，可將片區(qū)雨水管網(wǎng)排澇能力提升至10 a 一遇6 h 設(shè)計(jì)暴雨下不溢流，20 a一遇6 h 設(shè)計(jì)暴雨極個(gè)別地點(diǎn)出現(xiàn)積水，但積水深度不超過(guò)國(guó)家規(guī)范要求，交通不會(huì)阻斷，提升改造取得良好效果，見(jiàn)圖11。

7 結(jié)論

（1）解決城市內(nèi)澇是目前成都市面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)我們面臨對(duì)排水系統(tǒng)怎樣進(jìn)行改造，如何從巨大的管網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題找到科學(xué)有效的解決辦法以及如何找到適應(yīng)新形勢(shì)下的雨水排水系統(tǒng)的管理手段等問(wèn)題。

圖11 片區(qū)20 a 一遇6 h 設(shè)計(jì)暴雨下積水風(fēng)險(xiǎn)圖

（2）本次提升方案的總體思路為：在集成若干信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬，找出易淹區(qū)（點(diǎn)），再針對(duì)每個(gè)片區(qū)進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估和問(wèn)題診斷，提出解決措施，最后對(duì)措施實(shí)施后的效果進(jìn)行評(píng)估。

（3）通過(guò)宏觀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在中心城區(qū)內(nèi)鎖定了89 個(gè)易淹區(qū)，109 個(gè)易淹點(diǎn)作為排澇能力提升的重點(diǎn)。

（4）精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過(guò)模型概化、模型檢驗(yàn)，找出了系統(tǒng)上產(chǎn)生內(nèi)澇的原因，并提出了若干工程措施。

（5）工程措施實(shí)施后，片區(qū)雨水管網(wǎng)排澇能力提升至10 a 一遇6 h 設(shè)計(jì)暴雨不溢流，20 a 一遇6 h設(shè)計(jì)暴雨有少量積水，但不影響交通，提升改造取得良好效果。

[1] 成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院.成都市中心城建成區(qū)排澇能力提升規(guī)劃-引入模擬仿真新技術(shù)制定中心城防澇方案[Z].

[2] 成都市防汛指揮部,成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院,成都市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.成都市城市防洪總體規(guī)劃[Z].

[3] 成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院.成都市主城區(qū)排水工程規(guī)劃[Z].

[4] 成都市統(tǒng)計(jì)局.成都統(tǒng)計(jì)年鑒-2011[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2011.