张家港市城市排水能力与内涝风险评估

张家港市城市排水能力与内涝风险评估

程海峰 1 丁吴超 2

1 张家港市水务局，江苏苏州， 215600； 2 张家港市水务集团有限公司，江苏苏州， 215600

摘要：城市不透水下垫面比例不断提高造成城市内涝频频发生，提高城市内涝防治体系，对城市管网排水能力及内涝风险进行客观正确评估显得至关重要。论文以张家港市部分区域为研究区，建立暴雨洪水管理模型，选取适当指标对城市管网排水能力和内涝风险进行评估。结果表明：研究区大部分管段排水能力不足2年一遇，其中不足一年一遇的管段占比达到48.18%，在遭遇30年一遇降雨时，超载管段和溢流节点数较多，分别占比67.22%、30.75%。研究可为后续张家港市采取恰当方法提高区域内涝防治能力提供一定参考。

关键词：SWMM模型；管道排水能力；内涝风险评估

引言

21世纪中国经济高速腾飞，伴随而来是不同程度“城市病”的出现，内涝灾害便是其中之一。而随着城市内涝情况不断增多，准确评估城市排水能力和内涝风险成为减少城市内涝不可或缺的一部分。目前，国内外常用的城市排水防涝模拟软件有SWMM、MIKE、Info Works、HSPF等^[1]，其中SWMM模型凭借其强大的功能成为国内外学者研究城市水利水质模拟的首选模型^[2][3]。论文以张家港市为研究对象，构建暴雨洪水管理模型，基于某出水口实测流量数据进行模型的率定和验证，并选取合适指标进行城市排水能力与内涝风险的评估，以期为张家港市后续排水防涝工程的建设提供一定的参考价值。

1.研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

张家港市位于太湖流域，属于平原河网地带，区域内河流水系众多，降水多发生在每年5-9月，其中历时1-3天的暴雨多次使张家港市遭遇区域洪涝灾害。本次研究范围位于张家港市杨舍中心城区，总面积约89.44km²。根据境内水系和地面高程情况，将研究范围共划分为13个排水分区，研究范围示意图及排水分区见图1。

图1 研究范围示意图及排水分区图

Fig.1 Schematic diagram of research area and drainage partition map

1.2 研究方法

本次选用SWMM5.1.015版本进行城市排水防涝研究，SWMM模型以Windows为操作平台，操作界面简单直观，可编辑城市管网数据。模拟结果以数据图表、时间序列曲线、沿程剖面线、流量过程线和统计结果等多种形式展现管网水流动态，被广泛应用于城市暴雨积涝、水环境、生态修复、排水系统的设计与规划^[4]。本文主要选取SWMM模型的地表产流模块和汇流模块进行城市雨洪的模拟分析。其中地表产流是区域内降雨总量扣除土壤下渗、水分蒸发、地表填洼、植物截留等损失后形成的径流过程^[5]，采用Horton下渗模型进行计算；汇流模块包括地表汇流和管网汇流，地表汇流在计算时采用非线性水库法，同时结合曼宁公式和连续方程共同求解；管网汇流选用动力波演算法，该方法基于一维圣维南方程组进行求解，可模拟复杂管网的水力流动。

2.设计暴雨计算

设计暴雨作为SWMM模型输入的基础数据，降雨强度、降雨量大小、降雨历时等均对模拟结果具有一定影响，为了使模型模拟结果更符合实际，选择恰当的统计样本与设计暴雨雨量计算方法至关重要。根据降雨历时特点可将设计暴雨雨型分为短历时设计暴雨雨型和长历时设计暴雨雨型，其中，短历时设计暴雨雨型主要针对城市管道排水系统，设计降雨历时一般不超过180min；长历时设计暴雨雨型主要针对城市防涝工作，设计降雨历时一般为24h。

2.1短历时设计暴雨计算

本次计算选用2016年启用的张家港市暴雨强度公式，见式（1）。根据样本系列的代表性和完整性，采用收集到的张家港闸站1985-2019年共计35年的雨量资料进行频率分析和计算，收集到的样本数据经张家港气象站观测员的初算、复算，台站预审，苏州气象局审核，江苏气象局审核，江苏省气象局抽查等环节，因此数据质量可靠。

　　　 （1）

式中， -暴雨强度计算值 ； -重现期 ； -降雨历时 。

根据张家港市规划目标和最新的《室外排水规范》(GB50014-2006(2016年版))并结合管道排水设计要求，短历时降雨根据暴雨强度公式，采用芝加哥方法确定1、2、3和5年重现期暴雨历时180min的降雨过程，通过统计张家港气象站历年较大雨量分布，分析各次降雨的雨峰位置，得出暴雨综合参数r=0.4，不同重现期短历时设计暴雨降雨过程见图2。

图2　 短历时设计暴雨降雨过程

Fig.2 Rainfall process of short-duration design rainstorm

2.2长历时设计暴雨计算

根据《苏州市城市排水防涝设施规划和设计指导意见（试行）》（苏市水务（2016）59号）和《张家港市城市防洪规划2015-2030》，确定张家港内涝防治标准为30年一遇。故本文选取10、20、30年一遇24小时长历时降雨事件进行模拟分析。选取2015年6月2日24h降雨作为典型暴雨过程，选用1、3、6、12、24h为控制时段，以1h为计算时段进行同频率缩放。长历时设计暴雨过程见图3。

图3　长历时设计暴雨过程

Fig.3 Long duration design rainstorm process

3.模型构建

3.1模型概化

根据《张家港城市总体规划（2011-2030）》以及研究区地形和排水分区情况，利用泰森多边形进行子汇水分区的划分，研究区共划分子汇水分区1557个，同时根据《张家港市杨舍镇二环路内地形管线》和《张家港市排水审核》，利用AutoCAD进行管网数据的提取，主要包括：管道的空间位置、坡度、长度、管径、流向以及雨水口的地面高程等信息，同时根据管道中水流方向、河道位置等将一些雨水井设置为排放口。模型共概化管道1376条，雨水井1382个，排放口484个，研究区概化图见图4。

图4　研究区概化图

Fig.4 Schematic diagram of the study area

3.2模型率定

排水防涝模型中除了一些可以直接或间接计算得到的数据外，如：子汇水分区面积、管段长度、糙率、检查井井底高程等，还有一些无法通过实际工程资料推导出来的，这部分参数需要我们在初值的基础上进行调整率定获得，如：不/透水区曼宁系数、不/渗透性洼地蓄水、Horton参数、管道曼宁系数等。一般模型率定选取实测出水口流量数据与模型模拟出水口流量数据进行对比分析，但由于出水口流量资料较难获取，研究区实测资料不足，模型率定缺少实测数据，所以在进行各类型水文、水力参数选取的基础上，本文选取计宝鑫提出的综合径流系数法模拟2年一遇降雨情况对模型进行率定^[6]，并选取变异系数对模型综合径流系数与实际综合径流系数的吻合程度进行分析，变异系数C_v计算公式见式(2)，模型率定结果见表3。

式中， 为变异系数， 为实际综合径流系数与模拟综合径流系数的差值， 为实际综合径流系数与模拟综合径流系数的均值

表3 实际和模拟综合径流系数计算

Table 3 Calculation of actual and simulated integrated runoff coefficients

率定结果显示，研究区径流系数的变异系数为-3.03%，在±5%范围以内，率定和验证结果表明，模型可较好的模拟研究区域的实际情况，可用于张家港城市排水防涝模拟研究。

4.城市排水能力与内涝风险评估

4.1管网排水能力评估

张家港城市发展迅速，不透水下垫面比例不断提升，地表产汇流时间缩短，产生的径流量增大，原有管网排水系统出现排水能力不足的管段和区域，对城市排水防涝造成较大影响，因此选用合适的方法正确评估城市管网排水能力，识别排水能力不足的管段尤为重要。将管段是否发生压力流而产生超载作为管道排水能力评估的依据。选取1、2、3、5年一遇共四种降雨重现期进行模拟分析。雨水管网排水能力占比情况见图7。

图7　雨水管网排水能力占比图

Fig 7 Proportion of drainage capacity of rainwater pipe network

统计结果表明，研究范围内大部分管道排水能力不足2年一遇，管道长度为205.79km，占比达到64.02%；其中不足1年一遇的管道长度为154.88km，占比为48.18%；2-3年一遇的管道长度18.31km，占比为5.70%；3-5年一遇的管道长度23.97km，占比为7.46%；＞5年一遇的管道长度73.4km，占比为22.83%。研究范围内管道排水能力不足，可能是由于部分管道管径较小，不能满足快速城镇化背景下的排水要求。

4.2城市内涝风险评估

根据《苏州市城市排水防涝设施规划和设计指导意见（试行）》（苏市水务（2016）59号）和《张家港市城市防洪规划2015-2030》，确定张家港内涝防治标准为30年一遇。故本文选取10、20、30年一遇降雨条件下管段超载情况及检查井溢流情况进行城市内涝风险评估，结果见表3。

表3 不同重现期城市内涝风险评估表

Table 3 Urban waterlogging risk assessment table at different return periods

由表3可知，随降雨重现期和降雨强度的不断增大，超载管段数和溢流节点数也不断增多。

当遭遇30年一遇降雨时，超载管段数925条，占比达到67.22%，溢流节点数425个，占比30.75%，溢流情况较严重。随重现期的增大，超载管段数和溢流节点数的增多是造成区域积水成涝的主要因素。

5.结论

（1）以张家港部分区域为研究区，通过SWMM建立暴雨洪水管理模型，并选取合适方法进行研究区管段排水能力与内涝的风险评估，模型经综合径流系数法率定，可较好反应研究区的实际情况。

（2）张家港市大部分管网排水能力不足，在遭遇30年一遇降雨时产生的超载管段数和溢流节点数较多，易引发区域洪涝灾害，建议后续在管网提标改造的基础上辅以LID措施共同提高城市的防洪排涝能力。

参考文献：

1. 赵月. 基于MIKE模型的城市典型区内涝模拟及排水除涝方案效果研究[D].西安理工大学,2021．

2. 丛翔宇,倪广恒, 惠士博,等.基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析 [J].水利水电技术, 2006, 37(4):64~67.

3. 董欣,陈吉宁,赵冬泉. SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J].给水排水,2006,32(5): 106~109.

4. 付超. 基于SWMM模型的邯郸某区城市内涝模拟研究[D].河北工程大学,2020.

5. 张一龙，王红武，秦语涵城市地表产流计算方法和径流模型研究进展[J].四川环境,2015,34(1)：113-119.

6. 计宝鑫.基于SWMM模型的西安市城区汇水区域划分与径流特征研究[D].西安理工大学,2017.