城市内涝风险评估模型构建

马振强 迟文涵 广东首汇蓝天工程科技有限公司

随着城镇化进程的加快，城市不透水铺装面积的增加、城市中自然调蓄空间的缩减，加之原有排水系统的能力不足、极端降雨频率的增加，每年都会发生多频次的城市内涝，给人们的生命财产安全造成巨大损失。因此，对城市现在排水防涝能力进行彻底梳理，摸清家底，并针对存在问题进行科学分析是当务之急。在这之中，构建城市内涝风险评估模型尤为重要，通过模型的构建，一方面可以厘清现状症结、分析原因及解决办法；另一方面，可以对采取的措施进行预判，优化城市调控措施；此外，通过模型进行工程项目的预评估及后评估亦是当前国内外普遍采用的方法。

1.评估方式的选择

城市排水管网作为城市水循环的动脉血管，在城市排水系统中占据重要的作用。而由于排水管线埋于地下，多为隐蔽工程，受建设年代、建设质量及管网摸查程度的影响，管网混接错接乱接漏接现象多有发生，甚至会严重影响人民的正常生活，因此，对城市排水管网进行彻底摸查和排水能力的评估是解决城市排水防涝问题的前提。

目前国外发达国家普遍制定了较为完善的城市内涝灾害风险管理策略，并利用计算机手段构建数学模型对内涝风险进行多因素分析和评估，并对不同降雨强度下产生的可能灾害进行预评估，为城镇建设及灾害预案的制定提供了可靠的科学依据。我国在这方面相对起步较晚，《室外排水设计规范GB50014-2006》中提出了城市内涝防治设计重现期、地面积水等设计标准，并指出渗、蓄、排及内涝整治等多措施并举应对暴雨，保障城市安全。

随着科技发展，新技术不断涌现，结合国外发达国家的经验，采用数学模型进行城市内涝风险评估是科学可行的。但是，由于城市排水系统规模庞大、且多为隐蔽工程，加之部分数据缺失，因此模型构建初期基础数据的采集及校验是重中之重。除了基础数据收集及处理之外，建模及分析过程还包括模型建立、参数设置及模型校核、模型计算分析等。

排水管网系统模型应用于城市排水系统设计、运行管理以及排水系统水量水质模拟，这将是城市排水数字化、信息化发展的需要。因此，建议基于城市综合流域排水模型系统软件对城市内涝区域使用非恒定流的方法模拟排水管网各情景模式下的运行状况，以此作为内涝风险评估的依据。

2.评估目的与技术路线

评估模型建立及其应用旨在实现以下目标：

（1）收集城市内涝区排水管网系统的GIS、CAD等基础数据信息资料，并对采集到的数据进行筛选和处理，构建统一的数据格式，并将筛选过的数学导入模型软件中，利用模型软件搭建起排水管网拓扑结构，并通过模型分析排水管网的混接错接漏接等建设问题，梳理管网结构，并基于厘清的管网拓扑结构，分析不同情景下管网内的水力特征及水力问题；

（2）设置地表下垫面属性，模拟产汇流状态及管网水流特性，通过模型进行排水片区的细致分区，确定暴雨时程分配的方法以及产汇流计算方法；

（3）利用模型对城市内涝区域现状排水管网系统现状的排水能力进行评估，对不同内涝防治标准的重现期下的内涝风险进行评估；

（4）利用模型对城市内涝整治设计方案进行效果预评估，并基于预评估结果给出可行的优化调整方案。

模型构建的技术路线如图1所示。

3.模型构建

3.1 排水管网拓扑结构建立

图1 模型构建技术路线

图2 模型构建和应用流程图

表1 下垫面解析一览表（某老城区）

表2 径流系数取值表

将管网普查数据导入城市综合流域排水模型系统软件中，建立城区排水管网拓扑结构，包含污水管，雨水管和合流制的管道。

3.2 汇水区划分

雨水汇水区的划分，首先根据城区内道路和排口位置，以及管道拓扑结构等数据，人工绘制大的收水分区，然后针对每个收水分区，以分区内的检查井为对象，则采用泰森多边形方法，将大的收水分区自动细分到检查井上，生成小的汇水区。

3.3 下垫面解析

下垫面解析是分析城市降雨径流机制的基础。依据《海绵城市专项规划编制暂行规定》要求，并结合当地实际情况，采用GIS数据管理功能，对不同下垫面进行分割和分类，形成不同矢量图层数据，作为模型分析城市降雨产流和汇流机制的基础。表1为某老城区下垫面类型解析结果示例，共划分为6种下垫面类型。在所有下垫面中，屋面面积和铺装面积占城市总面积的85.93%，老城区建筑密集，绿化空间缺乏，降雨产流量大，现状综合雨量径流系数为0.70。

3.4 附属构筑物设置

基于管网普查数据，导入泵、闸、新建蓄水池等附属构筑物到模型中，并设定相应的控制规则。

3.5 模型参数

1）径流系数见表2。

2）沿程水头损失：参考《室外排水设计规范》，各种管材的曼宁粗糙系数取值见表3。

3.6 降雨及雨型

随着《室外排水设计规范》的颁布施行，城市暴雨强度公式的采样方法由年多个样法修订为年最大值法，若现行的暴雨强度公式难以反映城市现状的降雨强度状况，则需要根据2016版规范要求，重新修订城市暴雨强度公式。

表3 曼宁粗糙系数取值表

表4 内涝风险等级划分标准表（建议）

4.模型验证与参数率定

管网模型拓扑结构工作完成后，需对模型中的相关参数进行率定，率定工作分为初期率定和后期率定。初期率定是应对部分监测设备或数据还未完成情况下暂用的率定方法，主要是利用相关报告中的数据为率定依据；后期率定为监测设备投入运营后，收集了一定时序长度的实测数据后，利用这些实测数据作为率定的依据。排水系统防涝模型主要是通过内涝水浸点历史信息资料与模拟结果的比对，对构建的模型进行验证与率定。

历史内涝水浸点信息资料来源历史水浸点，并经过设计人员现场踏勘走访后确定历史水浸点。历史水浸信息校核办法：1年、2年、3年、5年一遇3小时设计降雨及30年一遇24h降雨数据作为模型输入条件，分别模拟各种不同工况下雨天的运行情况，通过与实际记录水浸点信息比较来校核模型参数。

通过雨天模拟结果与历史水浸点的对比分析，模型分析结果与相关部门提供的内涝资料和现场调研情况基本一致，可以确定该模型与实际的吻合度符合要求，可以用于城市内涝建设工程的评估和预评估。

5.内涝风险评估

目前，我国在城市内涝风险评估方面尚处于研究阶段，方法各异，其中，基于情景模拟的内涝风险评估法能直观地反映一定概率的致灾因子导致的灾害事件的影响范围与程度，能高精度地反映灾害风险的空间分布特征，也是当前认可度较高的方法。

城市内涝防御的主要目的是把降雨期间的地面积水控制在可以接受的范围，其中，地下排水管网过流能力对地表积水排放的舒畅性影响极大，因此，本文将内涝风险评估分为地下排水管网和地表两个方面进行。

5.1 排水管网过流能力评估

采用不同重现期（1a、2a、3a和5a年）的降雨雨型，评价指标为管道充满度F模拟值，即

式中：

F为管渠充满度；

W_level为水位高程（m）；

P_i ne r t le ve l为管渠底高程（m）；

P_Higth为管渠高度（m）。

评估标准：

当F>1.0表示水位超过管道顶部，即超过管道排水设计能力。

当F<=1.0表示水位未超过管道顶部，即满足管道排水设计能力。

5.2 地表

地表淹没范围、深度、历时等是内涝评估的重要依据和风险等级划分依据，其中，积水深度和淹没时间是内涝风险主要参考因素。《室外排水设计规范（GB50014-2006）》指出，应根据城镇类型、积水影响程度和内河水位变化等因素，确定城市地面积水设计标准。结合考虑最大积水深度和积水时间因素，确定内涝风险等级划分见表4。

6.结语

城市内涝风险评估模型是建立健全城市灾害管理机制的重要举措，基础数据的收集整理、模型的验证及率定等是前提和基础，此外，科学的模型亦是随城市建设不断更新完善，如此方能为运行及决策提供科学依据和技术支撑。