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      道路DEM構(gòu)建方法對(duì)城市內(nèi)澇模擬及防治對(duì)策的影響研究

      2023-11-17 02:36:22賴(lài)善證
      水利規(guī)劃與設(shè)計(jì) 2023年11期
      關(guān)鍵詞:橫坡內(nèi)澇積水

      賴(lài)善證

      (福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,福建 福州 350108)

      0 引言

      水力模型已經(jīng)成為城市內(nèi)澇防治工作不可或缺的重要支撐工具,隨著模型的廣泛應(yīng)用,模型構(gòu)建方式、模型輸入及參數(shù)取值等因素對(duì)模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性,正逐步得到業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,并成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[1-3]。

      模型構(gòu)建包含管網(wǎng)及地面高程概化等內(nèi)容,其構(gòu)建方式在很大程度上決定了積水模擬的結(jié)果,進(jìn)而影響城市內(nèi)澇防治對(duì)策的制定。目前,已有一些學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于模型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及匯水分區(qū)等方面的概化方式對(duì)模擬結(jié)果的影響研究。呂恒[4]等研究了排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化對(duì)積水模擬結(jié)果的影響,結(jié)果表明管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化會(huì)減少雨水徑流的峰值及水量;宋瑞寧[5]等研究了管網(wǎng)模型匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)選取對(duì)城市雨洪模擬結(jié)果的影響,結(jié)果表明以雨水口為節(jié)點(diǎn)的匯水區(qū)劃分方式得到的產(chǎn)流時(shí)間遲于以檢查井為節(jié)點(diǎn)的劃分方式;馬盼盼[6]等以MIKE URBAN為例,研究了管網(wǎng)簡(jiǎn)化程度及匯水分區(qū)劃分方式對(duì)模擬結(jié)果的影響,結(jié)果表明對(duì)管線進(jìn)行簡(jiǎn)化合并可提高模擬精度。

      基于道路高程所構(gòu)建的道路數(shù)字高程模型(DEM)是地面高程概化的重要內(nèi)容,也是水力模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在很大程度上影響了積水位置、積水深度和積水范圍等方面的模擬結(jié)果。城市新建區(qū)域道路DEM構(gòu)建的高程資料通常源自豎向?qū)m?xiàng)規(guī)劃或控制性詳細(xì)規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃成果提供的道路中心線控制點(diǎn)高程、縱坡及橫坡等相關(guān)參數(shù)。根據(jù)縱坡及橫坡等相關(guān)參數(shù)對(duì)規(guī)劃成果中道路中心線控制點(diǎn)高程進(jìn)行延伸計(jì)算,理論上可概化得到能代表整條道路的豎向分布,以此構(gòu)建得到的道路DEM是保障積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策科學(xué)、準(zhǔn)確的關(guān)鍵。但目前,針對(duì)道路豎向概化和道路DEM構(gòu)建方法的研究還較少,根據(jù)不同橫坡參數(shù)構(gòu)建得到道路DEM會(huì)對(duì)城市內(nèi)澇積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策產(chǎn)生什么樣的影響不得而知。

      鑒此,本文基于實(shí)際案例,開(kāi)展了不同道路DEM構(gòu)建方法對(duì)城市內(nèi)澇積水模擬結(jié)果及相關(guān)對(duì)策制定的影響研究,得出道路DEM構(gòu)建方法與內(nèi)澇積水的量化關(guān)系,為城市排水防澇規(guī)劃方案的科學(xué)制定及內(nèi)澇防治工作提供參考。

      1 道路數(shù)字高程模型(DEM)構(gòu)建方法

      根據(jù)研究區(qū)域相關(guān)規(guī)劃的豎向成果,考慮到橫坡對(duì)道路豎向分布及積水模擬結(jié)果的影響,提出以下兩種道路DEM構(gòu)建方法:

      方法1:在道路豎向概化中,不考慮橫坡影響,即橫坡i橫取0,整條道路的高程均取道路中心線的規(guī)劃高程,以此構(gòu)建道路DEM;

      方法2:在道路豎向概化中,考慮橫坡影響,即橫坡i橫取值大于0,道路紅線位置的高程由道路中心線高程及橫坡推算得到,以此構(gòu)建道路DEM,本文橫坡i橫取值2%。

      2 研究區(qū)域與模型構(gòu)建

      2.1 研究區(qū)域概況

      本文選取的研究區(qū)域,匯水區(qū)獨(dú)立,面積約為1.2km2,當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅考s為1600mm,研究區(qū)域大部分規(guī)劃高程介于7~10m之間,相對(duì)平坦,沿道路布局的雨水管網(wǎng)最終排向區(qū)域南面河道。研究區(qū)域基本概況如圖1所示。

      圖1 研究區(qū)域基本概況

      2.2 數(shù)據(jù)概況

      2.2.1降雨數(shù)據(jù)

      選取當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式及短歷時(shí)(2h)設(shè)計(jì)雨型作為本研究的暴雨強(qiáng)度公式及雨型。暴雨強(qiáng)度公式如式(1)所示:

      (1)

      式中,q—暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm2);p—重現(xiàn)期,a;t—暴雨歷時(shí),min。

      本文所采用設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期涵蓋3—50年一遇,各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨量見(jiàn)表1。

      表1 各重現(xiàn)期短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨量

      本文所采用的當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)雨型為芝加哥雨型,其中雨峰位置取0.402。

      5年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程如圖2所示。

      圖2 5年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

      2.2.2地形數(shù)據(jù)

      根據(jù)當(dāng)?shù)乜匾?guī)中的豎向成果,采用上述方法構(gòu)建形成研究區(qū)域道路DEM,并與地塊DEM相疊加,得到研究區(qū)域DEM如圖3所示。

      圖3 不同橫坡取值下所構(gòu)建的DEM(單位:m)

      通過(guò)分析研究區(qū)域DEM可知,區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平坦,高程介于6~17.8m之間,其中,大部分介于7~10m之間,區(qū)域道路多呈起伏狀。

      2.2.3管網(wǎng)數(shù)據(jù)

      研究區(qū)域制定了系統(tǒng)的雨水管網(wǎng)規(guī)劃方案,管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇,總長(zhǎng)14543m,管網(wǎng)措施統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2。

      表2 研究區(qū)域規(guī)劃雨水管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)

      2.3 模型構(gòu)建

      本文選擇具有“模擬產(chǎn)匯流水文過(guò)程”“模擬管道內(nèi)非恒定非均勻流的水力學(xué)過(guò)程”“模擬地面積水漲退過(guò)程”等功能的MIKE軟件作為研究區(qū)域的水力模型軟件。

      根據(jù)雨水管網(wǎng)規(guī)劃方案,最終構(gòu)建的一維管網(wǎng)模型將研究區(qū)域管網(wǎng)概化為272個(gè)檢查井、280個(gè)管段、5個(gè)排水口、272個(gè)匯水分區(qū);并基于區(qū)域DEM構(gòu)建形成二維地表漫流模型。在此基礎(chǔ)上,耦合一維管網(wǎng)模型和二維地表漫流模型形成研究區(qū)域內(nèi)澇耦合模型。

      3 道路DEM構(gòu)建方法對(duì)內(nèi)澇模擬及防治對(duì)策的影響分析

      根據(jù)建立的研究區(qū)域耦合模型,模擬得到不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域的積水情況,結(jié)果表明,積水主要發(fā)生于凹段道路,10年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨工況下的積水模擬結(jié)果如圖4所示。道路橫坡i橫取0時(shí),從道路中心線處到道路兩側(cè),由于高程取值一致,對(duì)于發(fā)生積水的同一道路橫斷面,其積水深度亦相同;道路橫坡i橫取2%時(shí),道路兩側(cè)的高程低于道路中心線處的高程,對(duì)于發(fā)生積水的同一道路橫斷面,道路兩側(cè)的積水深度大于道路中心線處。

      圖4 10年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨工況下研究區(qū)域積水模擬結(jié)果

      根據(jù)不同道路橫坡取值下研究區(qū)域的積水模擬結(jié)果,從積水總量、積水深度、積水面積等相關(guān)要素量化分析不同DEM構(gòu)建方法對(duì)內(nèi)澇積水模擬結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析不同方法對(duì)區(qū)域內(nèi)澇防治對(duì)策的影響。

      3.1 對(duì)內(nèi)澇積水模擬結(jié)果的影響分析

      3.1.1內(nèi)澇積水總量分析

      將研究區(qū)域模擬得到的各積水區(qū)域的積水量進(jìn)行疊加得到區(qū)域積水總量V,不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨條件下積水總量峰值對(duì)比如圖5所示,見(jiàn)表3。

      表3 積水總量峰值比較

      圖5 積水總量峰值比較

      在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下,道路橫坡i橫=2%時(shí)的DEM構(gòu)建方法得到積水總量峰值結(jié)果更大,如對(duì)于10年一遇設(shè)計(jì)暴雨,橫坡i橫=2%的積水總量峰值較橫坡i橫=0增大1076m3。

      原因在于:兩種DEM構(gòu)建方法在道路中心線處高程取值相同,相應(yīng)位于道路中心線處的管線排水能力也一致;但橫坡i橫=2%時(shí),道路兩側(cè)的高程取值小于橫坡i橫=0時(shí)的高程取值,相應(yīng)位于道路兩側(cè)的檢查井的路面高程更小,檢查井更易發(fā)生冒溢現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)管線的排水能力更小。因此,橫坡i橫=2%時(shí)的積水總量峰值更大。

      3.1.2內(nèi)澇積水深度分析

      根據(jù)模型積水模擬結(jié)果,兩種道路DEM構(gòu)建方法對(duì)最大積水深度(h)模擬結(jié)果的影響見(jiàn)表4。

      表4 最大積水深度對(duì)比

      最大積水深度模擬結(jié)果表明,在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下,道路橫坡i橫=2%時(shí)模擬得到的最大積水深度大于i橫=0時(shí)的最大積水深度,增大幅度約0.16~0.19m。

      原因在于:不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下,道路橫坡i橫=2%時(shí)的DEM構(gòu)建方法得到積水總量峰值結(jié)果更大。且當(dāng)橫坡i橫=2%時(shí),道路兩側(cè)的高程取值小于橫坡i橫=0時(shí)的高程取值,因此,當(dāng)橫坡i橫=2%時(shí),道路兩側(cè)的最大積水深度大于橫坡i橫=0時(shí)道路兩側(cè)的最大積水深度。

      3.1.3內(nèi)澇積水面積分析

      根據(jù)模型模擬評(píng)估結(jié)果,兩種道路DEM構(gòu)建方法在各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的積水總面積(S)的對(duì)比如圖6所示,見(jiàn)表5。

      表5 不同道路DEM構(gòu)建方法下的積水總面積對(duì)比

      圖6 不同道路DEM構(gòu)建方法下的積水總面積

      針對(duì)各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況,道路橫坡i橫=2%時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨積水總面積更小。如在30年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下,道路橫坡i橫=2%、i橫=0時(shí)的積水總面積分別為12.26、15.30ha,前者比后者減小3.04ha。

      為便于分析道路DEM構(gòu)建方法對(duì)不同積水深度下積水面積模擬結(jié)果的影響,將城市內(nèi)澇積水按照積水深度劃分為Ⅰ級(jí)(無(wú)內(nèi)澇)、Ⅱ級(jí)(輕度內(nèi)澇)、Ⅲ級(jí)(中度內(nèi)澇)和Ⅳ級(jí)(重度內(nèi)澇)。內(nèi)澇積水等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表6。

      兩種DEM構(gòu)建方法下的內(nèi)澇積水模擬結(jié)果中,不同內(nèi)澇積水級(jí)別的積水面積統(tǒng)計(jì)及對(duì)比如圖7所示,見(jiàn)表7。

      表7 不同道路DEM構(gòu)建方法下的內(nèi)澇積水面積統(tǒng)計(jì)

      圖7 不同積水級(jí)別內(nèi)澇面積

      由表7及圖7可見(jiàn),不同重現(xiàn)期的內(nèi)澇面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有同樣的規(guī)律,即:橫坡i橫=2%時(shí)得到的內(nèi)澇積水模擬結(jié)果中,Ⅰ-Ⅲ級(jí)內(nèi)澇積水面積小于i橫=0時(shí)的模擬結(jié)果;Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積及Ⅲ+Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積總和大于i橫=0時(shí)的模擬結(jié)果。

      3.1.4排口流量分析

      研究區(qū)域徑流最終均是通過(guò)雨水排放口排放至南面河道,分析排口的水流情況對(duì)掌握研究區(qū)域水流運(yùn)移情況及雨水泵站設(shè)施規(guī)模的確定具有重要意義。表8為兩種道路DEM構(gòu)建方法下,研究區(qū)域排放口的峰值流量Q的對(duì)比情況。

      表8 排放口峰值流量對(duì)比

      由表8可知,各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下,不同道路DEM構(gòu)建方法下的排口流量峰值模擬結(jié)果具有以下規(guī)律:橫坡i橫=2%時(shí)的排口流量峰值小于i橫=0。原因如前文所述,即橫坡i橫=2%時(shí),相應(yīng)管線的排水能力更大,因此,排口流量峰值更大。

      3.2 對(duì)區(qū)域內(nèi)澇防治對(duì)策的影響

      積水模擬結(jié)果是區(qū)域布局雨水排放設(shè)施、明確內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的重要依據(jù),在很大程度上決定了雨水管網(wǎng)、雨水調(diào)蓄設(shè)施、雨水泵站等設(shè)施的規(guī)模,并影響了城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的開(kāi)展。

      3.2.1對(duì)雨水排放設(shè)施布局的影響

      (1)對(duì)雨水管網(wǎng)布局的影響

      在3年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下,兩種道路DEM構(gòu)建方法下模擬得到的研究區(qū)域道路(旗山大道)東側(cè)管網(wǎng)均有部分管段不滿足排水能力(對(duì)應(yīng)檢查井發(fā)生冒溢),模擬結(jié)果如圖8所示。

      圖8 兩種DEM構(gòu)建方法下旗山大道管道排水能力評(píng)估結(jié)果圖

      通過(guò)調(diào)整高新大道東側(cè)的管網(wǎng)管徑,使得兩種DEM構(gòu)建方法下的該道路管道的排水能力評(píng)估結(jié)果均達(dá)標(biāo),調(diào)整結(jié)果如圖9所示。

      圖9 旗山大道管道優(yōu)化布局圖

      調(diào)整結(jié)果表明,橫坡取2%和0情況下,旗山大道西側(cè)管網(wǎng)下游管徑分別需調(diào)整為1400mm和1200mm,方能使管網(wǎng)排水能力達(dá)標(biāo)。進(jìn)一步表明考慮道路橫坡影響時(shí),管網(wǎng)的排水能力更小,所確定的管網(wǎng)管徑更大,偏安全。

      (2)對(duì)雨水調(diào)蓄設(shè)施布局的影響

      在3年一遇降雨工況下,兩種DEM構(gòu)建方法下的積水模擬結(jié)果中,旗山大道均存在不同程度的積水,如圖10所示。經(jīng)研究表明,若要通過(guò)布局雨水調(diào)蓄池,以臨時(shí)調(diào)蓄雨水,使得旗山大道雨水管網(wǎng)滿足排水能力要求,在橫坡取2%和0情況下,所需的雨水調(diào)蓄池規(guī)模分別為689m3和415m3。

      圖10 3年一遇工況下旗山大道積水模擬結(jié)果

      因此,考慮道路橫坡影響的DEM構(gòu)建方法所確定的雨水調(diào)蓄池規(guī)模更大,偏安全。

      (3)對(duì)雨水泵站建設(shè)規(guī)模的影響

      根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求,雨水泵站的設(shè)計(jì)流量,應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的設(shè)計(jì)流量計(jì)算確定,雨水管網(wǎng)末端管段通常作為泵站的進(jìn)水總管,其流量大小與排口流量一致。

      研究區(qū)域河道排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇,區(qū)域雨水排放口均在澇水位以下,管網(wǎng)排水受河道頂托影響嚴(yán)重。若通過(guò)采用布設(shè)雨水泵站方式使區(qū)域達(dá)到其內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇),在橫坡取2%和0情況下,雨水泵站總體規(guī)模分別應(yīng)不小于27.43m3/s和27.98m3/s,兩者基本相當(dāng)。

      因此,不同道路橫坡取值所得到的雨水泵站規(guī)模模擬結(jié)果基本一致。

      3.2.2對(duì)城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的影響

      (1)對(duì)城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警工作的影響

      Ⅲ級(jí)(中度內(nèi)澇)及以上的內(nèi)澇積水區(qū)域?qū)Τ鞘薪煌ㄟ\(yùn)轉(zhuǎn)及市民生活影響較嚴(yán)重,同時(shí),道路積水預(yù)報(bào)情況已經(jīng)成為部分城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警的響應(yīng)依據(jù)之一,且積水越深對(duì)應(yīng)的預(yù)警級(jí)別越高。

      根據(jù)對(duì)內(nèi)澇積水深度和積水面積的分析可知,采用橫坡為2%時(shí)的道路DEM構(gòu)建方法所得到積水模擬結(jié)果的最大積水深度、影響嚴(yán)重的Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積及Ⅲ級(jí)+Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積之和均較橫坡為0時(shí)更大。因此,采用考慮橫坡影響的道路DEM構(gòu)建方法支撐城市暴雨內(nèi)澇的預(yù)警能得到偏安全的結(jié)果。

      (2)對(duì)城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作重心的影響

      城市內(nèi)澇積水的預(yù)報(bào)是城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作開(kāi)展的重要依據(jù)之一,如對(duì)于可能因積水過(guò)深導(dǎo)致交通受阻的路段需預(yù)先制定明確的加強(qiáng)雨水滯蓄及排放的處置措施,或制定交通引導(dǎo)方案,以盡量減小城市暴雨內(nèi)澇對(duì)城市運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

      本文將所有車(chē)道積水深度均超過(guò)15cm的路段界定為交通受阻路段,統(tǒng)計(jì)了兩種道路DEM構(gòu)建方法下,區(qū)域交通受阻的路段數(shù)量N見(jiàn)表9。

      表9 道路受阻路段統(tǒng)計(jì)分析

      由上表可見(jiàn),橫坡為2%時(shí)分析得到的受阻路段數(shù)少于橫坡為0的結(jié)果。因此,忽略道路橫坡影響所制定的內(nèi)澇應(yīng)急管理工作方案偏安全。

      4 結(jié)語(yǔ)

      本文的研究在一定程度上填補(bǔ)了道路DEM構(gòu)建方法研究方面的空白,推動(dòng)了城市水力模型的應(yīng)用研究,并為排水防澇方案制定和暴雨內(nèi)澇預(yù)警等工作提供了技術(shù)支撐。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建道路DEM模型開(kāi)展城市內(nèi)澇積水模擬分析工作,應(yīng)將相關(guān)規(guī)劃成果確定的道路橫坡參數(shù)真實(shí)反饋在到構(gòu)建的DEM模型中,不應(yīng)為減少模型構(gòu)建的工作量,簡(jiǎn)單將橫坡取值0,從而忽視橫坡對(duì)內(nèi)澇模擬結(jié)果的影響。

      本文僅基于一個(gè)實(shí)際案例研究道路DEM構(gòu)建方法對(duì)積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策的影響,缺乏考慮研究區(qū)域的規(guī)模、地形地勢(shì)特點(diǎn)、水文氣象條件等因素的影響,需要在今后的研究中采取更多案例進(jìn)一步論證分析。

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