倪若晨

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

合肥市局部區(qū)域雨水管網(wǎng)風(fēng)險分析

倪若晨

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

對雨水管網(wǎng)進行風(fēng)險分析，可以為減少城市內(nèi)澇風(fēng)險提供科學(xué)的決策依據(jù)。文章介紹了風(fēng)險分析的理論和方法，根據(jù)管網(wǎng)運行特點和模型模擬所能提供的技術(shù)支持，確定以節(jié)點超載功能系數(shù)和節(jié)點超載時間為風(fēng)險指標。以合肥市某區(qū)域雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃為例，采用模糊綜合評價法進行雨水管網(wǎng)運行風(fēng)險半定量研究，演示了雨水管網(wǎng)運行風(fēng)險評價的全過程。研究中使用的方法具有一定的通用性，有利于尋找切實有效的方法全面提高城市排水系統(tǒng)的安全性能。

風(fēng)險分析；SWMM；雨水排水系統(tǒng)；合肥市

0 引 言

風(fēng)險概念的提出只是近代的事。目前為大多數(shù)專家學(xué)者所接受的是風(fēng)險三要素論,即風(fēng)險是由致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體脆弱性和暴露性三要素共同作用而成[1]。

基于上述對風(fēng)險的理解,將城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險定義為:在一定的城市區(qū)域內(nèi),由具有一定發(fā)生概率與強度的強降雨引起的城市地面積水的可能性與概率,它會造成人員傷亡、財產(chǎn)受損、包括交通在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施不能正常運轉(zhuǎn)、服務(wù)功能降低或喪失、城市環(huán)境受損以及一系列的社會問題等[2]。

長期以來,由于缺乏對城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的整理以及排水部門管理水平的限制,城市排水部門的管理者習(xí)慣通過直覺、經(jīng)驗等主觀意識來管理排水系統(tǒng)中的各種風(fēng)險,不能有效指導(dǎo)雨水系統(tǒng)的良好運行[3]。在此背景下,本文以合肥市進行實例分析,利用模型對合肥市排水管網(wǎng)的排澇能力進行評估,并根據(jù)評估結(jié)果進行風(fēng)險評價。

1 雨水管網(wǎng)的風(fēng)險指標分析

1.1 風(fēng)險指標的選擇

本文風(fēng)險分析研究的出發(fā)點在于預(yù)防或者降低內(nèi)澇的發(fā)生,因此,風(fēng)險指標建立在管網(wǎng)水力風(fēng)險分析方面更易被理解和量化。水力風(fēng)險的衡量指標主要是管網(wǎng)因設(shè)計標準考慮不足而引起的節(jié)點和管段的超載和洪災(zāi)表現(xiàn),由于排水管網(wǎng)運行時面臨著降雨的時變性、流量的可變性和延遲效應(yīng)等諸多問題,水流狀況非常復(fù)雜,很難直接從流量上做出準確判斷[4]。

本文根據(jù)風(fēng)險指標的選擇原則[5]以及雨水排水系統(tǒng)的水力特性,選擇節(jié)點的功能風(fēng)險系數(shù)和節(jié)點的積水持續(xù)時間來客觀地反映風(fēng)險水平。對于系統(tǒng)整體而言,除了各個節(jié)點風(fēng)險的定量評價,同時結(jié)合積水節(jié)點的比例來描述系統(tǒng)整體風(fēng)險水平,從而為風(fēng)險管理提供依據(jù)。

1.2 風(fēng)險指標的計算

考慮到風(fēng)險指標的易于量化原則,本文以節(jié)點的超載風(fēng)險為例進行研究。將管網(wǎng)節(jié)點超載的臨界點視為雨水管網(wǎng)系統(tǒng)功能失效的開始,一旦節(jié)點的水位超出下游管道管頂水深,系統(tǒng)的服務(wù)性能就開始下降。

發(fā)生風(fēng)險的概率計算公式為

P=Pro(hr>hg)

(1)

節(jié)點功能風(fēng)險系數(shù)計算公式為

(2)

其中,hg為與各節(jié)點相連的下游管道最大水深,即管徑,m;hr為雨水管網(wǎng)各節(jié)點的實際水深m;ho為雨水管網(wǎng)各節(jié)點的設(shè)計水深m。

由(2)式可知,對于每一個節(jié)點來講,隨著水深的增加,功能風(fēng)險系數(shù)增大,即功能風(fēng)險系數(shù)值越大,說明該節(jié)點的超載程度越嚴重。本文在工程實例中主要以節(jié)點的功能風(fēng)險結(jié)合積水時間作為風(fēng)險指標對設(shè)計標準改變前后的管網(wǎng)進行風(fēng)險描述,以此驗證本文在設(shè)計標準方面提出建議的可行性。

2 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)風(fēng)險分析

2.1 系統(tǒng)概化

研究區(qū)域面積約為64 hm2,位于合肥市主城區(qū)西南部,南依翡翠湖,北靠繁華大道,西接翡翠公園,東臨翡翠路,本文以該區(qū)域雨水管道系統(tǒng)為例進行系統(tǒng)研究。

根據(jù)系統(tǒng)特點和地面標高分布,將匯水區(qū)域劃分成94個匯水子區(qū)域,節(jié)點187個,管渠187條,1個排放口。節(jié)點最小水深1.07/m,最大水深5.57 m。經(jīng)過系統(tǒng)概化,本文的研究區(qū)域的節(jié)點和管道分布如圖1所示。模擬計算參數(shù)主要參考SWMM模型用戶手冊中的典型值[6]。將相應(yīng)模型參數(shù)輸入SWMM模擬軟件,設(shè)置相關(guān)的模擬選項后,即可對雨水管網(wǎng)在不同的降雨情境下進行動態(tài)運行模擬和風(fēng)險分析。

圖1 研究區(qū)域節(jié)點和管道圖示

2.2 風(fēng)險量化

本文僅對已建管網(wǎng)進行以自然為客體的風(fēng)險應(yīng)對能力做半定量研究,故風(fēng)險辨識不在此贅述。鑒于可利用的資料有限和評價的目的,對于風(fēng)險后果的量化,本文依靠雨水系統(tǒng)節(jié)點的功能風(fēng)險進行研究,通過對系統(tǒng)中節(jié)點風(fēng)險量化來反映系統(tǒng)整體的風(fēng)險狀況。為了便于說明,選擇的研究對象為J1～J45的主干管節(jié)點。

2.2.1 節(jié)點水力狀況

采用降雨歷時為12 min,重現(xiàn)期為2 a,雨峰系數(shù)為0.33,不透水面積率為70%,無洼蓄不透水面積率為25%作為設(shè)定的標準進行雨水管網(wǎng)風(fēng)險模擬,對節(jié)點功能風(fēng)險進行初步的分析和評價。

根據(jù)模擬結(jié)果選取各節(jié)點在模型運行過程中的平均水深和某個時刻出現(xiàn)的最大水深,將兩者分別與超載水深和洪災(zāi)水深進行比較分析,得出各個節(jié)點的水深對比(圖2),從中可以直觀地看出研究區(qū)域排水系統(tǒng)中各個節(jié)點的水力狀況。在平均水深下幾乎沒有節(jié)點處于功能失效的狀態(tài),而從最大水深來看,幾乎所有節(jié)點均出現(xiàn)超載情況,少數(shù)節(jié)點出現(xiàn)積水。由此可知,如果以平均水深代入(2)式進行風(fēng)險量化,對于系統(tǒng)的考慮偏安全,而最大水深是從系統(tǒng)最不利情況考慮,故選擇最大水深計算節(jié)點功能風(fēng)險系數(shù)。

圖2 節(jié)點水深對比圖

2.2.2 節(jié)點功能風(fēng)險

由圖2的節(jié)點水深對比圖可知,節(jié)點的水力狀況只能簡單地反映出各個節(jié)點最大水深的變化情況和雨水排水系統(tǒng)的薄弱點,要想更直觀地說明在特定的降雨條件下雨水管網(wǎng)的風(fēng)險變化情況,須得以節(jié)點為對象進行功能風(fēng)險計算。如前所述,可以通過功能風(fēng)險系數(shù)的計算方法得到系統(tǒng)中各個節(jié)點的功能風(fēng)險系數(shù)(見(2)式),計算結(jié)果如表1所列。

表1 各節(jié)點功能風(fēng)險系數(shù)計算表

2.2.3 節(jié)點超載時間

本文采用節(jié)點超載時間作為風(fēng)險量化的另一標準。節(jié)點超載狀態(tài)指某時刻該節(jié)點的雨水排水量超過下游管段的排水能力造成雨水管壓力流的現(xiàn)象。此時,市政雨水管網(wǎng)的排水能力受限,排水能力下降,因此可以將節(jié)點超載時間作為雨水管網(wǎng)風(fēng)險量化的判斷標準。根據(jù)SWMM中研究區(qū)域雨水管網(wǎng)運行模擬結(jié)果可知,在既定降雨情境下,該研究區(qū)域各主要節(jié)點的超載時間如表2所列。

表2 研究區(qū)域節(jié)點超載時間 h

通過參考有關(guān)文獻[7-8]并且綜合分析本研究中SWMM模擬的節(jié)點超載時間,劃分了四個節(jié)點超載時間等級以便于雨水管網(wǎng)風(fēng)險評價,具體等級如表3所列。

表3 節(jié)點超載時間等級

2.3 風(fēng)險評價

以既定降雨條件(t=120 min,P=2,r=0.33)為例,建立模糊數(shù)學(xué)模型,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則[9],應(yīng)用模糊綜合評價法判定市政雨水排水管網(wǎng)運行時各節(jié)點的風(fēng)險等級,以此來辨別系統(tǒng)中哪些區(qū)域風(fēng)險較高,哪些區(qū)域相對風(fēng)險較低,為制定相關(guān)措施提供理論依據(jù)。

(1) 評價對象。根據(jù)上述分析,由于雨水管網(wǎng)的復(fù)雜性,目前對于雨水管網(wǎng)系統(tǒng)運行時節(jié)點的風(fēng)險狀況的評價標準尚無統(tǒng)一的規(guī)定。參與評價的因素越多,則每一因素所占權(quán)重越小,最終會影響評價結(jié)果。因此本文選定因素構(gòu)造因素集

U={u1,u2}

(3)

其中,u1為節(jié)點功能風(fēng)險系數(shù);u2為節(jié)點超載持續(xù)時間。

(2) 評價指標集。考慮人、環(huán)境和經(jīng)濟因素,假設(shè)節(jié)點的風(fēng)險按照“可忽略的風(fēng)險、低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險”四個等級進行劃分。即

V={v1,v2,v3,v4}

(4)

其中,v1為可忽略的風(fēng)險;v2為低風(fēng)險;v3為中等風(fēng)險;v4為高風(fēng)險。

(3) 權(quán)重集。對于不同的評價目的以及不同的決策者而言,各因素對于目標決策的重要程度有所不同。從減少內(nèi)澇風(fēng)險的目的來看,節(jié)點功能風(fēng)險系數(shù)越小、超載持續(xù)時間越短意味著風(fēng)險越小。在這兩者中,考慮超載持續(xù)時間比節(jié)點風(fēng)險系數(shù)重要[10],建立代表各因素ui的重要性的權(quán)重集A=(0.45,0.55)。

(4) 評判矩陣。因素u1對四個等級的隸屬度函數(shù)為:

因素u2對四個等級的隸屬度函數(shù)為:

以節(jié)點10為例,u1=1.89,u2=0.27(數(shù)據(jù)為平均重現(xiàn)期為2 a時的模擬結(jié)果),將以上數(shù)據(jù)帶入隸屬度函數(shù)公式,得到

(4)

(5) 模糊綜合評判。依據(jù)綜合評價方法(·,+),得到B=(0.21,0.55,0.80,0.40)。根據(jù)最大隸屬度原則得到節(jié)點10的風(fēng)險等級為3級中等風(fēng)險。

(6) 研究區(qū)域風(fēng)險等級。通過重復(fù)步驟(4)、(5)得到研究區(qū)域在平均重現(xiàn)期2 a,降雨歷時120 min時主要節(jié)點的風(fēng)險等級,見表4所列。由此可以看出, 26.7%的節(jié)點處于中風(fēng)險等級,26.7%的節(jié)點屬于可忽略風(fēng)險等級,46.6%屬于低風(fēng)險等級。

表4 節(jié)點風(fēng)險等級表

2.4 風(fēng)險圖

采用同主節(jié)點1～45相同的評價方法,得到區(qū)域所有節(jié)點的風(fēng)險等級,其中未發(fā)生超載的節(jié)點等級定為無風(fēng)險,根據(jù)計算得到的各節(jié)點風(fēng)險等級,繪制出本文研究區(qū)域在重現(xiàn)期2 a時的風(fēng)險圖,如圖3所示。由此可以直觀地看出,當重現(xiàn)期為2 a時,該地區(qū)的雨水管網(wǎng)超載情況:大多數(shù)節(jié)點處于低風(fēng)險以下等級,少部分節(jié)點處于中風(fēng)險等級,高風(fēng)險等級的節(jié)點數(shù)為0。

圖3 重現(xiàn)期2 a時風(fēng)險圖

3 結(jié)束語

風(fēng)險分析的目的是為風(fēng)險應(yīng)對計劃的制定和實施提供依據(jù)。本文針對雨水系統(tǒng)的特點,將城市雨水管網(wǎng)運行與風(fēng)險分析方法相結(jié)合,確定了兩個風(fēng)險指標,分別是節(jié)點超載功能系數(shù)和節(jié)點超載時間。城市雨水管網(wǎng)風(fēng)險分析部分依靠雨水系統(tǒng)節(jié)點水力狀況、功能風(fēng)險以及超載時間對合肥市的內(nèi)澇致災(zāi)因子進行量化,為項目全過程風(fēng)險管理提供依據(jù),具有一定的研究意義。

在下一步的研究工作中,可以考慮完善排水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng),加強管網(wǎng)監(jiān)控以及對管網(wǎng)運行的模擬和風(fēng)險分析研究,為管網(wǎng)安全運行提供專業(yè)的技術(shù)支持。

[1] 劉 敏，權(quán)瑞松，許世遠.城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估：理論、方法與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 劉新立.區(qū)域水災(zāi)風(fēng)險評估的理論與時間[M].北京：北京大學(xué)出版社,2005.

[3] 王 磊，周玉文.基于投影尋蹤的城市排水系統(tǒng)洪澇風(fēng)險評估模型[J].中國給水排水，2011，27(23)：78,82.

[4] 劉 婷.雨水管網(wǎng)運行風(fēng)險分析和模擬方法[D].上海：同濟大學(xué),2008.

[5] 羅 云.風(fēng)險分析與安全評價[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[6] 劉 俊，徐向陽.城市雨洪模型在天津市區(qū)排水分析計算中的應(yīng)用[J].海河水利，2001(1)：9～11.

[7] 祁繼英，丁 敏，吳 佳.水力模型用于提高雨水系統(tǒng)防汛能力的研究[J].中國給水排水，2013,29(17):93,97.

[8] 馬洪濤，張曉昕，王 強.奧運中心區(qū)超標降雨積水風(fēng)險分析及對策研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2009,30(3):113～117.

[9] 張欣莉.項目風(fēng)險管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[10] 孫阿麗.基于情景模擬的城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險評估[D].上海:華東師范大學(xué)，2011.

2016-10-21；修改日期：2016-10-26

倪若晨(1989-), 女, 安徽蚌埠人,碩士，中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司安徽分院助理工程師．

TU992.22

A

1673-5781(2016)05-0711-04