王嘉儀,趙連軍,張 華,牛文麗
(1.黃河水利科學研究院,鄭州 450003;2. 國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,杭州 311122; 3. 河海大學港口海岸與近海工程學院,南京 210098)
據國家防汛抗旱指揮部統(tǒng)計,2015年有154個(截至8月18日)城市因暴雨洪水發(fā)生內澇受淹,受災人口255 萬人,直接經濟損失達81億元。2014年,包括北京、上海、廣州等大城市在內的125座城市發(fā)生了內澇;2012-2014年,平均每年有100多個城市受到外洪內澇的威脅;北京、深圳、浙江余姚等地因澇導致人員傷亡事情歷歷在目。因城市建設的局限性,強降雨導致城市內澇已成為一種常態(tài),大多數城市往往是“逢雨必澇,逢澇必癱”,各種媒體上關于城市內澇災害的報道屢見不鮮。城市內澇災害頻發(fā),不僅影響經濟社會的正常發(fā)展,造成了巨大的經濟損失,而且影響城市居民的工作和生活秩序,給人民生命財產造成了嚴重威脅。當前如何解決城市洪水問題,具有緊迫的現實意義和重要的科學意義。
目前,現代化數值模擬技術、遙感和ArcGIS技術和計算機科學的發(fā)展迅速,使得通過分析城市洪澇災害的形成機制和原因,進而精確預報預測城市洪水過程成為可能。城市洪水過程的模擬大致來講主要有3種模型:水文模型、水動力模型和簡化模型[1]。
SWMM模型是由美國環(huán)境保護署研發(fā)的第一個集地面水文、水質和地下管網計算為一體的典型水文模型,可用于城市區(qū)域降雨徑流、合流制管網、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設計、情景分析和方案評估[2]。使用SWMM模型對城市內澇進行模擬時,首先需要對模擬的計算域進行離散,即將整個計算域分為若干個子區(qū)域,并對每個子區(qū)域的水文特征差異性進行概化,其次需要確定子匯水區(qū)的出口和用于連接出口的排水管道。該模型對數據要求低、計算效率高,在全球范圍內得到了廣泛應用。
基于SWMM構建城市雨洪模型需要降雨資料、地形數據和排水管網系統(tǒng)資料,可以劃分為實際數據、合成數據和參考數據3類,見表1。
表1 模型基礎數據類型及獲取方法Tab.1 Type and acquisition of model based parameter
SWMM模型的快速構建需要一個強大的工具對空間數據進行管理,ArcGIS可以高效的獲取、創(chuàng)建、分析和顯示各種類型的地理和空間信息數據,將圖形和數據有機地結合在一起,充分地表達數據的地理圖形信息。本文結合研究區(qū)域規(guī)劃地形圖,利用ArcGIS的水文分析功能、泰森多邊形法和人工手動修正相結合的方法進行子匯水區(qū)劃分,并分析統(tǒng)計出每個子匯水區(qū)的特征長度、平均坡降和不透水面積率等。
鄭州市地處中原腹地,面積約7 500 km2,市區(qū)地勢呈西南高、東北低,西部多丘陵山區(qū),東部為平原,海拔在75~1 512 m,西部到東部自然坡降為0.34%,落差近30 m。本次選擇鄭州市鄭東新區(qū)新規(guī)劃區(qū)域----運糧河組團進行模擬分析,該區(qū)位于鄭州市區(qū)東38.5 km處,規(guī)劃總用地面積31.42 km2,見圖1。
圖1 運糧河組團項目區(qū)域規(guī)劃設計圖Fig.1 Design drawing of project planning on Yunliang River Zutuan District
該區(qū)域屬于規(guī)劃項目區(qū),整個區(qū)域被概化為節(jié)點474個(其中52個排放口)、管道422條(其中閉合矩形管道7根,剩余均為圓形,總長度為505.8 m),子匯水區(qū)見圖2。
圖2 子匯水區(qū)劃分概化圖Fig.2 Conceptual diagram of catchments area and pipeline
在已劃分的子匯水區(qū)基礎上,利用ArcGIS的Spatial Analyst 工具和Extract Values To Table工具,提取出各個子匯水區(qū)的平均不透水率和平均坡度,不透水面積率在15.3%~75%之間,平均值為72.9%;平均坡度為0.000 1%~0.620 5%之間,平均值為0.205 4%。
參考國內外相關文獻報道[3-5],根據該區(qū)域的地面特征設定其經驗參數為:透水區(qū)和不透水區(qū)曼寧系數分別取0.24和0.024,透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別取6.5和3.5 mm,最小和最大入滲率分別取3.82和78.1 mm/h,衰減系數取2h-1,通過輸入SWMM模型計算分析知徑流系數為0.6,符合規(guī)劃區(qū)徑流系數0.5~0.6的要求。
在已建好的運糧河組團區(qū)排水管網模型基礎上,根據開封市暴雨強度公式,選用芝加哥降雨過程線模型合成重現期P=1年、雨峰系數r=0.4、降雨歷時T=120 min的單峰型合成降雨作為模擬降雨輸入,計算2年一遇和5年一遇降雨的內澇情況如圖3和圖4所示,結果表明節(jié)點J326為發(fā)生溢流最早且最嚴重的區(qū)域。
選取節(jié)點J326進行典型積水點優(yōu)化分析,由圖5可知節(jié)點J326到排放口O51之間,一共有5個管渠,其中L372和L373為圓管,管徑分別為1和1.1 m,L386、L388和L405為矩形涵管。
管道的設計管徑直接影響了管道的過流能力,分別設計兩種管道優(yōu)化方案進行對比分析,方案一:將節(jié)點J326下游管道L372管徑分別擴大10%和20%;方案二:將節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑分別擴大10%和20%,選擇重現期為1年、2年、3年、5年情況下,模擬管道內的水流變化情況。
圖3 2年一遇暴雨重現期節(jié)點溢流圖Fig.3 Return period of two years
圖4 5年一遇暴雨重現期節(jié)點溢流圖Fig.4 Return period of five years
圖5 節(jié)點J326下游管道布設示意圖Fig.5 Sketch map of pipeline layout on the lower part of J326
由圖6和圖7可以看出,1年重現期降雨時,將節(jié)點J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴大,比單獨改變一個管道的管徑能更好地降低管道內的最大過流水深。當降雨重現期超過1年后,將節(jié)點J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴大,可以推遲管道滿管運行開始時刻,降低滿管運行時長。
圖6 1年暴雨重現期下,管道L372水深過程Fig.6 Water depths of pipeline L372 under return period of one year
圖7 2年暴雨重現期下,管道L372水深過程Fig.7 Water depths of pipeline L372 under return period of two years
由表2可以看出:①節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑均擴大10%時,節(jié)點可滿足1年一遇降雨不發(fā)生溢流;超過1年且不超過10年一遇重現期降雨,與下游管道管徑均不變相比,節(jié)點的溢流時間最大可以縮短35%,總溢流量減少約65%。而僅改變L372管道時,節(jié)點的溢流時間最大縮短僅為10%左右,總溢流量減少約7.5%。②節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑均擴大20%時,超過1年且不超過10年一遇重現期降雨,與下游管道管徑均不變相比,節(jié)點的溢流時間最大可以縮短90%,總溢流量最大減少約94%。而僅改變L372管道時,節(jié)點的溢流時間最大縮短僅為20%左右,總溢流量最大減少約16%。
表2 節(jié)點J326下游管道優(yōu)化對節(jié)點溢流情況對比表Tab.2 Correlation table of overflow conditions of node J326 with pipes' Optimization
注:H為溢流持續(xù)時長,min;Q為總溢流量,m3。
城市雨洪模型SWMM發(fā)展至今已形成較為完善的模型框架,本文將ArcGIS作為分析處理工具與SWMM模型聯合運用,顯著地提高了建模的效率和精度,為設計、管理部門快速決策提供科學依據,可最大限度地減少洪澇災害所造成的損失,可提高城區(qū)防汛管理的現代化水平,實現城市防汛與城市建設及社會經濟的協(xié)調發(fā)展。
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[1] 胡偉賢,何文華.城市雨洪模擬技術研究進展[J].水科學研究進展,2010,21(1):137-144.
[2] 劉 俊,郭亮輝,張建濤,等.基于SWMM模擬上海市區(qū)排水及地面淹水過程[J].中國給水排水,2006,22(21):64-66.
[3] Campbell C W,Sullivan S M.Simulating time-varying cave flow and water levels using the Storm Water Management Model[J].Engineering Geology,2002,65(8):133-139.
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