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基于“内涝点”的城市防洪排涝模式研究


耀

(太原理工大学 水利科学与工程学院,山西 太原 030024)

摘要:为探究新的城市防洪排涝理念及防洪排涝模式,基于前人积水计算模型研究及城市洪涝灾害特点分析,在对“内涝点”重点治理的城市防洪排涝理念的基础上,建立基于“内涝点”的城市防洪排涝模式。以太原理工大学迎西校区为试验区域,以太原市某次典型降雨为算例,对所建积水计算模型进行验算。结果表明:使用模型计算得到的“内涝点”积水深度和积水历时均与实测资料符合,由此验证了模型的合理性。

关 键 词:城市“内涝点”; 城市防洪排涝模式; 积水深度; 积水历时

近年来,暴雨引发的城市内涝灾害越来越频发,造成的损失也越来越大,已严重制约我国社会和经济发展。城市内涝问题已引起社会各界的广泛关注和重视,对于城市内涝积水问题的研究也取得了一些成果,为城市的防洪排涝提供了理论支持。2008年,Huang D P,Liu C等采用AVHRR和MODIS图像分析法,对城市暴雨产生的积水进行了数值模拟[1];2013年,刘玲、熊志芬等依据南昌市各年气象和城市内涝资料,运用多元线性回归、灰色关联度的方法,成功建立了南昌市内涝积水深度的评估模型[2];2016年,秦嘉楠、延耀兴等人提出了对“内涝点”重点治理的城市防洪排涝理念,实现了根据降雨量来推断城市积水深[3]。归纳起来,上述成果多集中在积水量与淹没范围方面的研究[1-5],而对与内涝损失直接相关的积水历时研究甚少。鉴于此,本文在前述研究的积水计算模型的基础上增加了对“内涝点”积水历时的定义与计算[3],旨在为城市内涝灾害的防治提供决策依据,为城市防洪系统的规划、设计、管理提供新的理论支持。

1 城市内涝的基本特点

暴雨引发的城市内涝灾害具有不规律、随机性以及普遍性等特点,但通过分析其成因,可总结出城市内涝灾害呈现以下两个基本特点。

(1) 一场超标的暴雨,并不一定引起整个城市区域发生“涝灾”;而一场不超标的暴雨,却有可能在城市的某些点区域形成“涝灾”。所以说城市内涝灾害的发生具有局部性点区域的特性。

(2) 城市“涝灾”泛指淹没区域的淹没损失,该损失既可是有形的、可量化的经济损失,亦可是无形的社会损失,而决定这些损失大小的不应单指该区域的积水深度,还应包含积水历时。因此,城市内涝灾害应该涉及到积水深度和积水历时两方面。

2 城市“内涝点”的定义及研究价值

2.1 城市“内涝点”的定义

依据室外排水设计规范(GB50014-2006)中所述,城市内涝是指当降雨强度超过了城市防洪排涝能力,在城市道路等区域产生了大于15~20 cm的积水深时,而形成的灾害现象[6]。根据城市内涝的基本特点可知,城市内涝灾害问题涉及到积水深度与积水历时两方面。基于此,本文在考虑淹没损失的基础上,提出了当城市某淹没区域的积水深和积水历时均超过其阈值时(通过各“内涝点”的淹没损失评估出来的淹没水深和积水历时),方可确定暴雨在此处产生了内涝灾害,并将此淹没区域定义为城市“内涝点”。

2.2 城市“内涝点”的研究价值

(1) 城市内涝定义。针对规范中对城市内涝定义上存在的不足[6],本文基于城市内涝灾害的基本特点,对城市内涝重新进行了定义,指出城市“内涝点”的积水深度与积水历时均超过其阈值,才能说暴雨在此点区域引发了城市内涝灾害,以此对城市的内涝灾害进行定义更具科学性和合理性。

(2) 城市防洪的针对性。城市内涝灾害的发生具有局部性点区域性的特点,而我国在建设城市防洪排涝设施时,是以城市整个区域来设定标准,因而致使我国在城市防洪排涝设施建设方面缺乏针对性。研究“内涝点”可以有效解决城市防洪排涝针对性问题,实现经济合理地建设城市防洪排涝设施系统。

(3) 城市防洪标准。城市内涝灾害点区域较多,全面改造整个城市地下排水管线使每个“内涝点”都达到城市防洪要求显然不切实际,如果能对一些影响较大的、淹没范围较广的“内涝点”进行统一划分、逐个研究并设计其防洪标准,不仅可以节约资金,而且也能提高整个城市的防洪标准,为城市防洪标准的制定提供新的方向。

(4) “内涝点”的应用价值。城市中的每个“内涝点”都可视为一个微小型水库,在暴雨产生的地表径流向雨水口汇流过程中,这些微小型水库对地表径流具有一定的调蓄作用,对下游“内涝点”有降低损失的作用,因此根据城市不同区域的重要性,有计划地在城市中增加布置“内涝点”,可有效地降低城市内涝灾害的损失。

3 基于“内涝点”的城市防洪排涝模式

研究与开发出适应性和针对性较强的城市防洪排涝模式,是提高城市防洪排涝能力的关键。本文在前人以“内涝点”为治理重点的城市防洪排涝理念研究的基础上[3],建立了新的城市防洪排涝模式,该模式不仅包含了城市地表产、汇流计算,积水深度计算,还着重研究了城市内涝积水历时这一关键问题。

3.1 城市地表产流计算

由于城市自然环境及水文条件与流域不同,所以城市产流有其自身的特点,其中不考虑地下径流和忽略产流过程中的蒸发损失是其最主要的特点。比较经典的城市地表计算方法有:径流系数法、蓄水容量曲线法、下渗曲线法、初损后损法等。结合城市地表产流特点及下垫面条件,采用综合径流系数法和初损后损法分别对城市地表不透水区和透水区的产流进行计算。

3.1.1 综合径流系数法

综合径流系数法能够全面考虑不同下垫面的径流系数对城市地表产流的影响,且通过不同下垫面的径流系数和各自所对应的面积,运用加权平均法得出整个流域径流系数,其计算公式如下

ψa=

(1)

式中,Fi代表汇水区内不同垫面所对应的面积,万m2ψi代表不同垫面的径流系数,其值可根据文献[6]确定。

3.1.2 初损后损法

初损后损法将降雨过程中的降雨损失分为初损和后损,其中初损包括填洼、植物截留、土壤下渗等;后损主要指地表开始产流后的稳定入渗量,以平均下渗率表示[7],见图1。

图1 初损后损示意

该法计算地表产流公式为

(2)

式中,P代表降雨量,mm;I0代表初损,mm;

代表平均入渗率,mm/h;tc代表产流历时,h;P0代表降雨后期不产流的雨量,mm。

3.2 城市地表汇流计算

城市因下垫面条件和特殊的水文与水力条件,使城市地表汇流过程与流域地表汇流过程有所不同,其中因雨水口截流而产生的汇流损失过程是不同于流域地表汇流过程的最主要特征之一。经典的地表汇流计算方法主要有:经验单位法、等流时线法、TANK模型法、 TV IUH法、水库演算法、NASH IUH法等,根据各汇流计算方法自身的优劣性,在考虑模型计算适用性的基础上,本文采用基础性的等流时线法,并结合城市地表汇流特点,提出了基于城市“内涝点”的等流时线观点,并建立了一种改进的等流时线汇流计算方法,以提高模型的计算精度与适用性。

3.2.1 基于城市“内涝点”的等流时线

本文在流域等流时线原理的基础上[8],重新定义了以下参数:将净雨从城市区域上某点流至“内涝点”所经历的时间作为汇流时间,用符号τ表示;将距“内涝点”最远处的净雨流至“内涝点”所经历的时间作为最大汇流时间,用符号τm表示;将城市区域中汇流过程中时间相等的点的连线称之为城市等流时线;将单位时间径流通过的距离作为汇流流速,用符号ντ表示。由于城市每个“内涝点”所控制的区域面积相对较小,因此每条等流时线的汇流时间Δτ可近似地依据城市区域最远点到“内涝点”的距离确定,坡度按平均坡度考虑,等距离的点近似看作等流时线点,相应的降雨时间可依此来进行划分。

3.2.2 改进的等流时线城市地表汇流计算法

分析城市地表汇流过程可知,各时段净雨在扣除汇流损失情况下会在“内涝点”处形成汇流,将同一时段的汇流进行叠加得到“内涝点”的径流过程线,其推导过程如下。

第1时段的“内涝点”汇流量:

(3)

第2时段的“内涝点”汇流量:

(4)

以此类推,第k时段的“内涝点”汇流量:

(5)

式中,Qk(k=1,2,3,…)代表第k时段的“内涝点”汇流量,m3/s;Rj(j=1,2,3,…)代表j时段的马路平均径流深,m;fi(i=1,2,3,…)代表等流时块面积,m2

代表第k时段的“内涝点”汇流损失总量,m3/s;Δt代表单位汇流时间,min。其中kji之间的关系为i+j=k+1,且Δτ≈Δt

3.3 城市“内涝点”积水深计算

3.3.1 “内涝点”积水量计算

分析“内涝点”实测地形图,并结合其地表汇流计算结果,绘制“内涝点”汇流过程线,该过程线和时间横坐标轴包围而成的面积称为“内涝点”的积水量,其表达式为

W

(6)

式中,W代表“内涝点”积水量,m3

代表第k时段的“内涝点”汇流损失总量,m3/s;Δt代表单位汇流时间,min。

3.3.2 “内涝点”积水深计算

本文提出将城市中的各“内涝点”视为微小型水库。因此,“内涝点”的积水量等同于微小型水库的库容,依据研究范围的地形测量图,运用抛物线法来计算“内涝点”的容积[4],然后将计算结果绘制“内涝点”水位容积特性曲线图,再结合“内涝点”积水量的计算结果,查图即可确定“内涝点”在不同时段降雨下的积水深度,然后画出积水深过程线。

3.4 “内涝点”积水历时(成灾历时)的计算

积水历时的大小是城市排水系统排水能力强弱的体现,积水历时长,表明该处排涝能力弱(此处排水能力是指雨水口的排水能力),反之亦然。城市某点区域的积水历时也与造成的经济损失成正比,因此城市“内涝点”积水历时是判断城市洪涝灾害的重要因素,对于城市内涝灾害研究至关重要。

文中将城市遭遇某次降雨时,某个“内涝点”产生积水到没有积水(或积水排干)所需要的时间称为城市“内涝点”的积水历时。在此定义的基础上,根据“内涝点”的水量平衡关系公式(7),推求内涝点的积水历时,由式(8)表示。

(7)

t=

=

(8)

式中,ΔV代表Δt时段内某一“内涝点”的积水变化量,m3Q1代表Δt时段内该“内涝点”控制区域内暴雨产生的径流量,m3/s;Q2代表Δt时段内“内涝点”上的降雨量,mm;n代表“内涝点”中雨水口的个数;

代表Δt时段内“内涝点”上的单个雨水口的平均排水量,m3
代表时段Δt内该“内涝点”积水达到最大可积水量后,向下游“内涝点”漫溢时平均排泄量,m3t代表“内涝点”积水历时,min;
代表“内涝点”平均排泄量,m3/s;
代表该“内涝点”内的平均下渗率,mm/h。

成灾历时是城市内涝点产生积水深大于15~20 cm时所需的排涝时间(此处临界积水深取15 cm)。成灾历时的大小则是积水深过程线中积水深大于15 cm的时间总和。

4 模型验证

以太原理工大学迎西校区为试验区域,以太原市2014年7月4日经历的一场暴雨为资料。此次降雨时间为3 h,并且降雨时间分布非常不均匀,其中有2 h的降雨量为1.4 mm,由于该时段降雨量很少,对地表径流量的产生影响不是很大,因此本文以剩余1 h的降雨量为研究对象,1 h的降雨量为48 mm。

4.1 地表产流计算

4.1.1 不透水区产流计算

试验区域不同下垫面的径流系数可根据规范确定[6],而不同类型下垫面所占的面积见表1。

表1 试验区域内各类下垫面及其对应的面积 10-3km2

不透水区混凝土和沥青路面大块石铺砌路面屋顶大面积开阔地透水区草地区域总面积43.150129.499175.13845.90055.146448.833

结合上述不同下垫面的径流系数和各自所占的面积,根据公式(1)得出综合径流系数ψa=0.75。

在已知试验区域不透水区地表综合径流系数情况下,结合试验区域特定时段的降雨量,计算得实验区域不透水区在研究时段的产流量为Rm=36mm 。

4.1.2 透水区产流计算

根据试验区域雨前土壤湿润条件,地表洼地数目和大小、地表不透水区面积所占比例等实测资料确定试验区域降雨初损值为3 mm[9]。根据郭采华等对太原市南内环土壤稳定入渗率变化规律的实验研究,可得试验区域透水区稳定下渗率为3.6 mm/h[10]。通过分析降雨资料可知:本次降雨前2 h降雨量较小,无法满足初损,所以在计算该时段产流时应扣除初损量。计算得出的试验区域透水区在该研究所时段内的产流量为Rn=37.8mm。

4.1.3 试验区域平均地表产流计算

根据表1,采用加权平均法计算试验区域的平均地表产流量为R=36.22mm。

4.2 地表汇流计算

分析试验区域实测地形图可知,区域内有两个“内涝点”。运用改进的等流时线法进行汇流计算。“内涝点1”所控制区域中雨水口的个数为38个,“内涝点2”所控制的3个区域的雨水口个数分别为20,104,48,各雨水口综合截流有效系数取0.7,单个雨水口单位时间截流量为20 L/s。另外,“内涝点1”和”内涝点2”由3根管道连接,且每根管道水流流速为1.2 m/s[11],由此计算一根管道流量为5.08 m3/min。

4.2.1 “内涝点1”的汇流过程计算

根据公式(4),再结合实测雨水口个数,对“内涝点1”不同时刻的地表汇流量进行计算,结果见图2。

4.2.2 “内涝点2”的汇流过程计算

根据公式(4)可计算“内涝点2”的汇流量,计算结果见图3。

图2 “内涝点1”的地表汇流量

图3 “内涝点2”的地表汇流量

4.3 “内涝点”积水量计算

“内涝点1”的积水量为

W内1=

Qk·Δt -3×5.08×8×10=469.44 m3

(9)

“内涝点2”的积水量为

(10)

4.4 “内涝点”积水深计算

根据试验区域的实测资料,绘制“内涝点2”的水位容积特性曲线,如图4所示。

根据试验区域“内涝点2”的积水量的计算结果,结合试验区域水位容积特性曲线,从而确定“内涝点2”的积水深过程线如图5所示。

4.5 “内涝点”积水历时(成灾历时)计算

根据两个“内涝点”积水量计算结果,再结合公式(8)计算各自的积水历时,其计算结果分别为

t1=

≈0.09 h

(11)

t2=

≈3.51 h

(12)

“内涝点2”的积水历时为3.51 h,而“内涝点2”的成灾历时是积水深大于15 cm 的排涝时间,根据图5可知,成灾历时约为3.19 h。

根据上述结果得出内涝点的积水深、积水历时与暴雨形成的径流过程、排水量过程(包括达到抽排水量和自然漫溢过程)有关。

图4 “内涝点2”的水位容积特性曲线

图5 “内涝点2”的积水过程线(横坐标每刻度代表10 min)

综上所述,“内涝点1”积水深度、积水历时较小且没有构成成灾,表明该处排水设施系统较完善,因此不会造成较大的经济损失,所以建议对“内涝点1”的排水设施系统进行稍微改善。而“内涝点2”积水深度、积水历时及成灾历时过大,且地理位置较为重要,所以会造成较严重的经济损失,并且会严重影响学校师生正常的学习生活。据此,给出以下对“内涝点2”的具体解决办法:① 改进该内涝点排涝系统,如增加雨水口数量或加大排水管径来增强排水能力;② 增加学校绿化面积,比如种草坪来增强学校内内涝严重地区的下渗能力,缓解积水问题;③ 强化排水设施管理,更新排涝维护设备,增强应急排涝抢险能力;④ 在“内涝点2”安装排水泵对该处积水及时排泄。

5 结 语

本文在城市洪涝成灾特点的基础上,提出了有关“内涝点”定义及积水历时的新概念,并对城市“内涝点”的定义、“内涝点”的研究价值、产汇流计算、积水深度、积水历时以及成灾历时做了系统的研究。通过实例验证了该套防洪排涝模式的科学性与合理性。研究成果不仅可为城市洪水安全方案的制定提供新思路,而且可为城市防洪排涝系统的规划、设计,防洪排涝设施的改造与管理提供理论支持。

参考文献:

[1] Huang D P,Liu C,Fang H J,et al.Assessment of waterlogging risk in Lixiahe Region of Jiangsu Province based on AVHRR and MODIS Image[J].Chin Geogr SCI,2008,18(2):178-183.

[2] 刘玲,熊志芬,罗美娟.基于灰色关联度分析的南昌城市内涝积水深度评估[J].广东气象,2013,12(6):48-52.

[3] 秦嘉楠.基于城市内涝点的防洪排涝模式研究[D].太原:太原理工大学,2015.

[4] 李惜民.抛物线法在容积计算及面积插值中的应用[J].水文,2007,8(5):65-66.

[5] 徐向阳.平原城市雨洪过程模拟[J].水利学报,1998(8):34-37.

[6] GB 50014-2006 室外排水设计规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[7] 任树梅.工程水文学与水利计算基础[M].北京:中国农业大学出版社,2008.

[8] 刘能胜,王丽红,廖琼瑶.借助车队模型讲解等流时线原理[J].中小企业管理与科技,2015(8):220-221.

[9] 周玉文,赵洪宾.城市雨水径流模型研究[J].中国给水排水,1997,13(4):4-6.

[10] 郭彩华.汾河南内环桥—南中环桥河道土壤稳定入渗率变化规律的试验研究[J].太原理工大学学报,2008,39(2):171-173.

[11] 吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社,2008.

(编辑:赵凤超)

Abstract: In order to explore new urban flood control and drainage concept and its model, on the basis of the previous studying achievements on waterlogging calculation model and the characteristics analysis of urban flood and waterlogging disaster, according to the concept of the key prevention at water-logging points, we establish a flood control and drainage model based on the 'water-logging point' .Taking Taiyuan University of Technology West Campus as the test area and one typical rainfall process in Taiyuan as examples, the established calculation model was verified. The results show that the calculated ponding water depth and evacuation duration are consistent with the measured data, thus the rationality of the model is verified.

Key words: urban 'water-logging Point'; urban flood control and drainage model; ponding water depth; duration of ponding water

Research on urban flood control and drainage model based on 'water-logging point'

TIAN Wengao, YAN Yaoxing, QIN Jia′nan

(College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,China)

中图法分类号: TV122

文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.18.003

收稿日期:2016-08-30

作者简介:田文高,男,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail:987161323@qq.com

通讯作者:延耀兴,男,副教授,研究方向为水文水资源。E-mail:sxsdyyx@163.com

文章编号:1001-4179(2017)18-0011-05

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