以涡阳县为例研究中小都会排水和内涝问题
原标题：中小都会排水系统排水能力和内涝特性分析——以涡阳县为例摘要：随着都会化历程的加速,城区不透水面积逐渐增加,大多数中小都会的排水管网建设尺度相对滞后,中小都会面临严重的内涝风险,研究城区产汇流特性对于都会内涝防治具有十分重要的意义。本文以涡阳县南城区为研究工具,首先使用邻近地域水文资料、高精度的遥感影像和DEM共享数据,借助ArcGIS平台和SWMM开源软件,通过综合径流系数法对模型举行率定,并从综合径流系数、降雨径流产汇流关系和实测降雨发生的积水深度对模型举行验证,分析研究区典型暴雨下的管网满管和积水情况,评估排水系统的排水能力和城区的内涝风险。然后,对内涝严重区域举行有针对性的内涝分析,并分析低影响开发措施对城区内涝的影响。
效果讲明:(1)排水系统在暴雨降雨重现期0.5a及以下,基本可以满足排涝要求;排水系统在暴雨降雨重现期1a及以上,均不能满足排涝要求。(2)低影响措施对城区内涝有很好的缓解作用。
该研究方法可为资料缺乏地域,尤其是中小都会内涝分析和防洪减灾提供参考。关键词：都会内涝; 数值模拟; 中小都会; 排水能力; 内涝特性;作者简介： 何胜男(1989—),女,博士研究生,主要从事都会水系计划方面的研究。E-mail:912350470@qq.com; *陈文学(1965—),男,教授级高级工程师,博士,主要从事水力学及河流动力学。
E-mail:iahr2008@qq.com;基金： 坪山河干流综合整治及水质提升工程专项课题(CSCEC-PSH-2017-05); 涡阳黑臭水体整治与污水处置惩罚国家PPP示范项目研究;引用：何胜男，陈文学，陈康宁，等． 中小都会排水系统排水能力和内涝特性分析———以涡阳县为例［J］. 水利水电技术，2019，50(9): 75-82.HE Shengnan，CHEN Wenxue，CHEN Kangning，et al． Analysis on draining capacity of drainage system and waterlogging characteristics of small and medium-sized cities — a case of Guoyang County［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2019，50(9): 75-82.0 引 言现在,我国大多都会面临着严重的内涝问题,凭据水利部2010—2017年的水灾害统计数据,我国平均每年有30个省(自治区、直辖市)2 053个县(市、区)19 828个乡(镇)遭受洪涝灾害,平均每年有176座都会发生内涝,平均直接经济损失达2 487.23亿元。引起都会内涝的主要原因:第一,随着全球气温变暖,都会的局部气候发生了猛烈变化,都会极端降雨事件频发。据预计,极端气候事件所造成的经济损失在已往40年里增加了近10倍。
都会热岛效应也会导致都会泛起强降雨;第二,我国大多都会排水设计尺度偏低,约有70%的都会排水系统最多只能抵御1a一遇的暴雨,城区排水系统革新更新速度赶不上都会生长的历程。而庞大的排水管网升级也是庞大的系统工程;第三,我国现在正处于都会化最为急剧的时期。快速都会化,导致下垫面的改变,不透水区域的增加和湖泊、洼地、沟塘等天然的调蓄空间的淘汰,城区调蓄能力快速降低,径流峰值增加,径流峰值泛起的时间提前,从而大幅度增加了都会暴雨内涝的风险。为了应对都会内涝风险,早在1997年国家防汛抗旱总指挥部决议在全国推广洪水风险图的体例事情。
2013年水利部专门体例了在全国防洪重点地域先行开展洪水风险图的项目实施方案。随着社会经济的生长,很有须要开展中小都会内涝风险体例事情。
洪水风险图有多种用途,都会内涝图是洪水风险图的一种,内涝分析是体例都会内涝图的前提,而对都会内涝特性举行深入分析是解决都会内涝的前提和关键。现在对于都会的内涝研究,一般接纳数学模型对都会雨洪历程举行模拟与预测。SWMM暴雨雨水治理模型是由美国情况掩护局与水资源中心团结开发,可以模拟都会区域内径流历程,模拟差别时刻子流域和管道中的水量等情况,作为开源软件,SWMM模型能与ArcGIS相联合,提高建模效率,被广泛应用于都会内涝分析和排水系统评估计划等方面,如北京、上海、广州、厦门等大型都会。
本文将基于SWMM建设都会雨洪模型。现在,我国中小都会往往缺乏水文资料、高精度地形和最新土地使用情况等,因此,如何分析城区当下的内涝风险,是中小都会建设历程中亟需面临的一个难题。
随着共享数据的生长,充实使用共享数据,可以淘汰中小都会内涝建模成本,提高中小都会内涝风险治理水平。为此,本文以涡阳县城南区为例,首先使用邻近地域水文资料,以及借助开源遥感影像盘算分析获得地域地形和土地使用等,并通过排水检查井图集和雨水工程计划图盘算排水管网的位置和尺寸等属性信息,借助ArcGIS平台高效建模,并使用SWMM模型,通过综合径流系数法对模型举行率定,通过综合径流系数、降雨径流产汇流关系和实测降雨发生的积水深度对模型举行了验证。先对整个研究区域举行内涝分析,然后对内涝严重区域,举行有针对性的深入研究,并分析低影响开发措施对内涝的影响,这样,不仅可以降低盘算事情量,增加效率,也可降低研究成本。本文的研究方法可为中小都会内涝分析和防洪减灾体系建设提供参考。
1 模型建设1.1 研究方法首先借助开源遥感影像分析获得土地使用和地域地形等信息,凭据排水检查井图集和雨水工程计划图,建设推导公式,盘算排水管网的位置和尺寸等属性信息,再联合地形、路网、水系的漫衍借助ArcGIS平台对研究区举行子汇水区的划分,并对检查井和管网等举行概化和建模,通过inp.PINs举行转译,导入SWMM模型中,开端搭建好模型;通过综合径流系数法对模型举行率定,从综合径流系数、降雨径流产汇流关系和实测降雨发生的积水深度对模型举行验证,并联合邻近地域的水文资料,设置设计暴雨降雨序列,选择适合的盘算方法和盘算步长模拟;分析整个研究区举行典型暴雨下的管网满管和积水情况,评估排水系统的排水能力和城区的内涝风险,然后对内涝严重区域举行有针对性的深入研究,并分析低影响措施对内涝的影响。1.2 资料搜集及整理1.2.1 土地使用使用欧洲航天局ESA共享的精度为10 m的Sentinel-2 A遥感数据,借助ENVI5.3和插件sentinel2 ENVI53 Four合成波段数据,联合研究区剪裁后,凭据ArcGIS的空间多元分析工具,举行监视分类,获得研究区的土地使用漫衍情况(见图1)。图1 研究区土地使用漫衍1.2.2 地形资料通过德国宇航中心DLR共享的精度约在10 m左右、相对精度为6 m、绝对精度为16 m的SRTM X波段数据,凭据涡阳县所处的经纬度获得相应条带为E110N30,凭据研究区规模举行裁剪,借助ArcGIS软件中3D分析工具中的raster surface获得坡度,地面坡度漫衍如图2所示。
坡度最小值为0.000 1%,坡度最大值为5.056%,平均值为0.282%,能较好的反映研究区的阵势情况。图2 研究区土地坡度漫衍1.2.3 管网和节点资料凭据管网的直径信息,联合排水检查井图集(02S515)举行查阅横断面图,得知进水管道和出水管道底部高差h为出水管道与进水管道的直径差。建设推导公式,对管网和节点的属性信息举行编辑和盘算,通过排水管网末了的地面标高和管底标高举行推导,获得如下公式。
管道末了底高程管道端底高程检查井井底高程式中,HJn为支管线末了反偏向第n个检查井的井底标高;Dn为第n个管道管道直径;Ln为第n个管道管道长度;Pn为第n个管道管道坡度;HGnd支为线管末了反偏向第n个管道的管末了管底高程;HGnu为支线管末了反偏向第n个管道的管端管底高程。1.3 模型构建1.3.1 子汇水区划分和属性对子汇水区的划分现在主流的有两种方法,一种是凭据研究区地形和街道漫衍,手动绘制子汇水区;另一种是通过借助ArcGIS软件,先用地形数据使用水文分析Basins模块举行汇水区的自动划分,再联合节点文件,通过Creat Thiessen Polygon生成泰森多边形,最后再举行修正。汇水区的划分越发偏重于街道和小区的漫衍。
凭据研究区域阵势平坦的特点,本文综合以上两种方法,首先凭据研究区内的河流、街道和小区的漫衍,在google earth中开端划分大子汇水区生成.KML文件;再通过ArcGIS 中的data interoperability tools工具中的quick import导入.KML文件,联合节点文件,使用ArcGIS中空间分析的Creat Thiessen Polygon(Analysis)工具生成多边形,通过clip(analysis)举行裁剪,获得最终的子汇水区。该方法能反映阵势平坦地域的实际情况,划分质量高,划分速度快,且淘汰了后期的细部调整和修正的事情量。对于子汇水区的属性,坐标、宽度和面积都可以通过属性表中盘算获得。
而不透水率多接纳全域平均值代表整个研究区,为了较真实反映地面情况,凭据土地使用分析栅格数据,盘算获得各子汇水区的不透水率,链接到子汇水区的属性表中。坡度也多接纳全域平均坡度代表整个研究区,凭据坡度栅格文件,通过空间分析中的zonal工具获得每个子汇水区的坡度,并链接到属性表中。1.3.2 管道和节点的概化和属性检查井概化为节点,凭据雨水工程计划图,在ArcGIS中举行绘制得节点.shp文件,凭据节点井底高程,链接到节点属性表中。
除已经出流点的地面标高、其他检查井的地面标高,凭据ArcGIS中的空间分析工具中的提取功效获得每个节点的地面高程,检查井深是节点的地面高程与井底高程的差值。排水管道概化为管线,管线的位置凭据节点文件举行绘制,绘制时,根据水流偏向对节点举行毗连。将整理好的管道属性参数链接到管线属性表中。
属性表中必须要有起始节点的信息,可以通过inp.PINs软件中inpTools工具中的FromNode/ToNode assign to Links Shp工具获得。1.3.3 模型的建设对子汇水区、管道和节点的.shp文件,通过inp.PINs软件举行转化,形成对应的.inp文件导入到SWMM软件中,开端完成模型的构建。由于研究区内排水管网的基础设施建设较早,只有南区部门资料,为此只分析有资料的部门。最终概化研究区为422个子汇水区,管道概化为275段,节点276个,排水口291个。
研究区各要素的概化图及子汇水区分区情况如图3所示。图3 研究区概化示意1.4 模型参数模型参数分为两类,划分为确定参数和不确定参数。确定参数中分两类,一类是参数1～4,可通过SWMM用户手册查阅以及要素特性举行确定;另一类是参数5～12,通过盘算获得,划分如表1所列。
不确定参数凭据工程资料并参考SWMM 用户手册和相关文献等来确定,研究区初始参数如表2所列。1.5 设计暴雨雨型设计暴雨雨型选用芝加哥雨型。设计暴雨重现期为0.5a、1a、2a、5a、10a,划分记为P0.5、P1、P2、P5、P10。设计暴雨降雨历时为2 h。
设计暴雨降雨量应接纳当地暴雨强度公式盘算获得,对于没有水文资料的地域,一般通过水文相比法和等值线图法举行选择。由于涡阳县没有暴雨强度公式,本文接纳亳州市暴雨强度公式(见下式),雨峰系数取0.4表1 研究区参数获取表2 模型需率定参数初始值图4 差别频率下差别透水率下子汇水区降雨径流历程式中,q为暴雨强度;t为降雨历时;p为暴雨重现期。1.6 模型参数率定入渗模型选择Horton模型,管网的汇流历程模拟选用动力波模型。为了保证盘算稳定性,模拟时间步长取5s。
模型率定和校核是模型应用的关键。在缺乏水文资料和洪涝实测资料的情况下,可接纳综合径流系数率定模型参数。
综合径流系数是在径流峰值泛起时刻对应盘算出的径流系数,一般可以通过都会排水设计手册获得,其履历值如表3所列。表3 都会综合径流系数履历值水力模块中比力敏感的参数是汇流区宽度系数、不透水率、糙率、坡度等,联合研究区的已知资料,将子汇水区宽度系数、不透水区糙率、透水区糙率、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、最大入渗率、最小入渗率、衰减常数、晴天时间作为校核参数。对P1降水举行模型校准,经盘算,初始综合径流系数模拟值为0.314。
研究区的不透水率为38%,研究区的综合径流系数应在0.400～0.600。本文通过单参数敏捷度分析确定校准参数的寻优方法,逐步迭代,从而获得校准模型参数。
最终对应校核参数划分选用0.8、0.011、0.17、1、3、76.2、3.81、2、7,对应的研究区综合径流系数为0.417,切合研究区的实际情况。1.7 模型验证(1)综合径流系数。为了验证模型在差别降雨工况下的稳定性,通过在降水P0.5、P2、P5下划分举行盘算,对应研究区的综合径流系数划分为0.406、0.472、0.528,切合都会综合径流系数履历值,且综合径流系数随着降雨强度的增加而增加,说明模型具有一定的稳定性和适应性。
(2)产汇流纪律。选取不透水率划分为34%、55%和87%的子汇水区,划分记为jc110、jc16和jc113,分析并对比差别透水率下和差别降雨条件下子汇水区的降雨径流历程(见图4和表4)。
凭据图4和表4,在同一暴雨降雨频率条件下,随着不透水率的增加,洪量和洪峰流量都逐步增加;在相同的不透水率下,随着暴雨降雨频率的增加,洪量和洪峰流量也都随之增加;对比降雨条件P1和P2下,降雨量增加49%,对应子汇水区jc110、jc16和jc113的洪峰流量划分增加了59%、61%和67.5%。模拟效果满足降雨径流产汇流纪律,说明校准参数在设计降雨规模内有良好的适应能力,可用于该地域的雨洪模拟分析。表4 差别透水率下差别降雨条件下洪峰洪量效果(3)淹没深度。
2017年9月10日上午9点,降雨历时6 h,降雨总量为50 mm。都会实际内涝情况如图5所示。模型设计暴雨P1的总降雨量为51 mm,两者雨型和降雨量基本一致,淹没深度可以作为验证依据。
凭据降雨后实测内涝深度,图5(a)淹没深度为31 cm,模拟效果为32.2 cm,图5(b)淹没深度为9 cm,模拟效果为10.1 cm,模拟效果与实际情况吻合良好。综上分析,本模型可用于涡阳县城区的内涝分析。图5 都会内涝图 2 模拟效果与分析2.1 降雨径流关系对P0.5、P1、P2、P5和P10划分举行模拟,模拟时间为24 h(含退水时间),差别重现期下研究区降雨下渗径流总量和关系如图6所示。
从图6可以看出,随着暴雨重现期的增加,整个研究区的降雨量和径流量逐步增加,下渗量先增加后趋于平缓,直至下渗量稳定即趋于饱和。随着暴雨重现期的增加,综合径流系数也随之增加。2.2 管网满水分析对P0.5、P1、P2、P5和P10划分举行模拟,管网满管偏重峰值流量,盘算模拟时间为2 h,差别重现期下排水管都泛起了满管情况,差别暴雨重现期下排水系统满管时间和满管占比统计如表5所列。
图6 差别重现期降雨下渗径流总量从满管时间统计表可以看出,随着暴雨重现期的增加,满管的比例也是逐步在增加。在P0.5时,满管比例为13.82%,大部门满管的时间在0.5 h之内。在P1下,满管占了排水系统的一半,最长满管时间为1.45 h。
在P2时,满管占了排水系统的69.45%,平均满管时间为0.6 h,最长满管时间为1.6 h。在P5时,满管占了排水系统的82.91%,平均满管时间为0.6 h,最长满管时间为1.73 h。在P10下,满管占了排水系统的88%,平均满管时间为0.94 h,最长满管时间为1.79 h。
在暴雨重现期P1时,满管数量都在一半以上;在暴雨重现期P5时,满管数量均到达了80%以上。上述效果讲明,涡阳城区排水系统设计尺度偏低,排水系统设计能力不足。2.3 积水分析对P0.5、P1、P2、P5和P10划分举行模拟,节点积水偏重于整场降雨发生的内涝,模拟时间为24 h (含退水时间),差别重现期下节点积水时间统计情况如表6所列,差别重现期下节点积水深度统计如表7所列。表5 差别重现期下满管时间统计表6 差别重现期下节点积水时间统计表7 差别重现期下节点积水深度统计表8 在P2下设置措施前后积水深度对比由表6和表7可以看出,在差别暴雨重现期下,部门节点泛起了差别水平的积水。
随着暴雨重现期的增加,积水点的数量、积水时间和积水深度也逐步增加。在P0.5下,积水节点有3处,积水深度均不凌驾1 cm,对都会基本上没有影响,排水系统基本可以满足都会的排水要求。在P1和P2下,积水的节点划分占所有节点18.48%和37.32%,平均积水时间划分为0.9 h和1.32 h,平均积水深度划分为0.05 m,积水深度最大的为0.11 m,对住民生活影响不大。
在P5下,积水的节点已经占据了所有节点的一半以上,平均积水时间为2.03 h,最大积水时间为6.12 h;平均积水深度为0.21 m,积水深度最大的为1.48 m,内涝严重。在P10下,积水节点高达62.68%,平均积水时间为2.88 h,最大积水时间7.97 h;平均积水深度为0.33 m,最大积水深度2.06 m,内涝十分严重。在5a一遇的暴雨降雨及以上的重现期下,都会排水系统反抗能力显着削弱,内涝时间和规模都显着提升,对生产、生活和出行都有较大的影响。
凭据室外排水设计规范,涡阳县雨水管网设计重现期是2～3a。从模拟分析效果看,管线满管时间较长,部门节点存在差别水平的积水,说明排水系统设计重现期尺度偏低,无法满足城区不停生长的需求。2.4 LID应用效果分析以P2为例举行分析说明,积水节点在0.4～1 m之间的有6个,其中内涝严重的4个区域位于老城区,该区域衡宇修建麋集,路面硬化水平高,不透水率基本上都在80%以上。
老城区修建麋集,排水管网革新难度大。为缓解城区内涝风险,可接纳低影响开发(Low Impact Development, LID)或者其他海绵都会工程措施。由于篇幅有限,本文仅分析绿色屋顶措施对城区内涝的影响。在P2下,划分在这六个子汇水区内所有屋顶设置绿色屋顶,在LID模块的green proof中设外貌层厚50 mm、土壤层厚100 mm和排水层厚3 mm,然后举行模拟,获得积水严重节点的变化情况如图7和表8所列。
图7 P2下设置措施前后积水深度对比由图7和表8可以看出,设置绿色屋顶后,积水深度和积水时间均获得了显着的改善,节点积水深度和积水时间改善幅度最大达90.09%和69.42%。积水深度和积水时间降低幅度随着对应子汇水区的不透水率的增加而增加。设置绿色屋顶对老城区的内涝起到了很好的缓解作用。3 结 论本文使用开源数据对缺资料城区—涡阳县南城区举行了内涝分析,得出的结论如下:(1)通过接纳邻近地域水文资料、高精度开源遥感数据和DEM地形数据、使用开源SWMM数学模型等,可以降低研究成本,较好分析了中小都会内涝特性。
(2)通过综合径流系数、降雨径流产汇流关系和实际降雨积水三方面举行了模型验证,模拟效果与实际吻合,该模型可应用于涡阳县南区举行内涝分析。(3)通过模拟得出在P0.5下,基本上是可以满足排涝要求的,在P1、P2、P5和P10下,排水系统排水能力不足,尤其是在P5及以上,排水系统功效显着下降,对住民生产、生活和出行有较大的影响。涡阳县城区排涝尺度不满足现状都会排水需求。
(4)对内涝风险大的区域,设置了绿色屋顶,对内涝起到了很好的缓解作用,且积水深度降低幅度是随着对应子汇水区的不透水率的增加而增加。以后将深入开展涡阳县域内涝防治综合措施研究。
水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
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