基于SWMM-VIKOR的武汉市片区内涝风险评估.pdf

第 卷 第 期 年 月武 汉理工大学学报(信息与管理工程版)().文章编号:()文献标志码:基于 的武汉市片区内涝风险评估刘星星王若瑜杨 青毛韩璐郑崇伟(.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院湖北 武汉.海军大连舰艇学院辽宁 大连)摘 要:全球气候变化不断极端天气增多为对城市洪涝灾害开展科学防控工作减缓洪涝灾害对我国城市的影响以武汉市某区域为研究对象通过水文分析运用 模型对排水管网进行精细化、全面化建模研究洪涝灾害下城市排水管网的受灾情况得到某重现期降雨条件下管网节点内涝积水状态并据此使用 方法进行城市区域风险评估 结果表明基于 模型的城市典型洪水模拟能较好反映城区复杂的地面状况演算地下管网与道路坡面水流数据可为城区的防洪排涝提供技术支持关键词:城市内涝风险评估排水管网中图分类号:./.收稿日期:.作者简介:刘星星()男副教授研究方向为复杂系统智能管理.通讯作者:杨青()男教授研究方向为危机复杂系统智能管理、绿色城市复杂系统智能管理、创新 创投 创业复杂系统智能管理.基金项目:国家大学生创新创业训练计划资助项目().从高温热浪、暴雨洪灾到飓风山火、极端寒流全球极端天气事件发生的频率持续增加 世界气 象 组 织()在 年 月发布的报告显示在过去的半个世纪中平均每天都在发生一场与天气、气候或水患有关的灾害平均每天造成 人死亡和.亿美元的损失 我国洪涝灾害对人民生命财产造成的危害损失仅次于地震 随着城镇化率的不断提高城市内涝、暴雨内涝对城市运转和居民生活都产生了严重的影响 城市排水系统是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区内雨水和流经市区雨水的任务 作为千万级人口的大城市武汉市处在中国南北气候过渡带暴雨灾害频繁发生 因此其城巿发展对排水系统有着更高的要求在规划城市排水系统的过程中详细模拟降雨条件下排水系统的动态情景可以有效评估规划方案对城市水环境的影响从而为规划方案的调整和优化提供理论性指导 在此背景下对洪涝灾害城市排水管网的受灾现象进行研究对特定区域排水管网进行精细化、全面化建模得到特定重现期下管网节点的积水内涝状况并据此进行合理的风险评估城市洪涝灾害风险评估是由孕灾因子、致灾因子、承灾因子和洪涝灾情共同组合成的复杂地球表层异变系统 目前对于城市洪涝灾害风险评估已经有了很多成果大致可以分为两类:使用、等方法构建雨洪模拟图形成规范的可视化城市洪涝推演评估模型 如谢五三等以社会经济统计资料和历史灾情资料为基础根据流域内小时降水雨型分布将不同重现期致洪面雨量、系数等数据代入 模型进行洪水淹没模拟得到不同重现期下洪水淹没图建立中小河流域暴雨洪涝灾害风险区划冉小青等对研究区域进行概化、率定及验证后运用 模型模拟不同重现期径流过程设计降雨条件下道路出口的径流过程分析下凹式绿地、透水砖和透水路面 种典型海绵措施组合方案的雨洪控制效果 张士官等基于雨洪模型 模拟某老城区雨水管网现状分析检查井节点溢流与管网荷载状况分别提出传统改造方案、改变下垫面性质及与海绵理念相结合方案 刘春春等在 模型中分别构建了传统的集总模式和以、流域水系为子流域划分依据的半分布模式模拟不同重现期下流域的径流过程得出暴雨过程变化幅度曲线为当地水利部门防洪调度提供一定的参考依据 王嘉仪等将 模型和 相结合利用水文分析能力和人工修正的方法深入研究子汇水区长度、平均坡度和不透水面积 朱呈浩等以 模型为基础建立了西安市沣西新城区洪涝过程模型对降雨情景开展洪涝过程及风险评估研究 等采用 和 对 市的 耦合排水系统进行设计将城市排水系统分为常规系统和低影响开发()排水系统并研究模型性能发现雨水收集在高度城市化地区效果较好而透水路面在中等城市化地区效果较好 基于 等方法构建量化评估模型 如周铭毅等选取 个城市洪涝灾害韧性评估指标采用熵权法和 方法构建评估模型对广东省 个地级市的洪涝灾害韧性进行评估 等使用水动力学模型模拟暴雨情境下上海中心城区多种地面径流和洪涝场景提出合理算法与指标以计算道路影响和评估风险得出暴雨洪涝对城市道路风险的影响呈一定比例关系为城市管网的智慧管理提供更详细的洪涝信息 等改进多准则决策方法将区间数集成到模糊层次分析过程中结合地理信息系统评估香港多种灾害(如洪水、泥石流和滑坡)的风险 模糊层次分析模型在城市应急能力评估中应用广泛张翠英等从洪水灾害防治角度研究城市在面对灾害时的应急管理能力提出 个评价指标运用 法构建城市应急能力评价指标结构体系提出提升城市应对洪水灾害管理的对策为得出研究区域排水管网不同节点城市内涝等级并进一步对区域进行风险评估分析笔者运用 对区域进行水分分析和概化划分子汇水区计算子汇水区的坡度、宽度等数据信息再将处理后的图导入 模型建模模拟重现期为 年的暴雨条件下节点的溢流情况以此界定城市规划内涝级别并运用 方法对易发生内涝的节点进行评估得到风险分析结果 研究区域选择武汉市位于 地属华中腹地、长江中游全市土地面积约 四季分明降雨充足夏季高温冬季寒冷全年日照约 年均降水量约.年均蒸发量约.研究选定特定区域洪涝灾害下城市排水管网如图 所示该区域北邻东湖、南邻南湖西部轮廓线由城市主干道确定东部轮廓线由陆地形状决定 最终选取研究区域为.区域总面积约.海拔最高处约.最低处约.区域内包含省政府、火车站等重要地点是商业、教育、交通和行政一体化综合区域图 研究区域选择 模型应用.研究区域概化暴雨洪水管理模型()是一个动态的降水 径流模拟模型主要用于模拟城市降水事件中或长期的水量和水质模拟 该模型按照水文水力要求将城市排水管网概化为管线、节点和子汇水区在计算时用下渗曲线法和 方法计算地表产流用非线性水库原理模拟地表汇流用圣维南方程组求解管网水流过程先利用 对研究区域进行水文分析结果如图 所示 然后将水文分析所得河网分级与地图测量所得雨水井位置相结合仅保留主要管段在贴近实际情况的前提下简化研究区域排水管线 将河网分级与管网管径、管长和标高相结合把排水管网划分成 个管道和 个雨水井 因研究区域内无直接出水口区域周围存在湖泊、河流等故在区域外围设置 处出水口得到管网节点概化图如图 所示 将处理后的管网图导入 模型建模研究区域内管段连接多为一进一出、一进两出和两进一出经过概化处理的管网与实际管网分布基本吻合.子汇水区划分子汇水区指地表径流或其他物质聚集到相同第 卷 第 期刘星星等:基于 的武汉市片区内涝风险评估图 水文分析成果图 节点概化图出水口的过程中所流经的地表区域 作为暴雨雨水管理基础对研究区域的子汇水区进行合理划分十分重要 子汇水区的界定方式分为人工划分法、泰森多边形法和地形数据界定法 类 依据子汇水区定义、研究分析现实需求和水文模型构建的合理性采用泰森多边形法将研究区域划分成 个子汇水区利用人工划分法进行微调所得结果如图 所示.模型参数设置()确定子汇水区不透水率 基于地表空间图 子汇水区示意图的特征差异性 模型将子汇水区分为透水区、蓄水和无蓄水不透水区因此不透水率的选择影响到 暴雨洪涝分析模型的建立 根据武汉市用地规划情况和实地调研结果所选研究区域内 为居住用地 为商业金融用地为教育科研用地为公园绿地等用地 通过土壤相关资料可知城市居民用地的不透水率范围为 取 城市商业用地的不透水率范围为 取 科研教育用地的不透水率取 绿地的不透水率范围为 取 经加权平均计算研究区域的平均不透水率为.()计算子汇水区坡度 坡度是降雨径流汇流时间的长短的重要影响因素 研究通过计算子汇水区的平均坡度来反映子汇水区内的地形变化()计算子汇水区宽度 子汇水区宽度指子汇水区中汇流路径的长度 由于实际子汇水区宽度估算相对繁琐现场测量难度较大研究使用 对子汇水区宽度进行概化和运算()设计暴雨雨型 芝加哥合成暴雨过程线是 和 提出的一种合成雨量过程线该方法推荐使用降雨分布均匀且平均强度相同的暴雨生成雨量过程线并且在所选择的时间内造峰造峰前的湿度条件与最大径流强度的产生相关 其雨量过程线形状适用于任何暴雨历时条件下的降雨仅对但平均强度设定存在差异 笔者选择的暴雨强度 计算公式为:.()()()式中:为设计暴雨强度 为降雨历时取 峰值比例 为设计重现期取 年参武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月数 .经计算得到重现期为 年的武汉市降雨时间序列进而计算出累计降雨总量为.平均降雨强度为./.模拟结果在重现期为 年的暴雨模拟条件下每五分钟降雨数值填入暴雨雨型数值观察时间两个小时降雨得到研究区域内降雨总量为.其中下渗损失.地表径流为.最终地表径流量为.研究区域内共有 个节点发生溢流现象主要集中在 左右 发生溢流现象时间最长为.发生时间最短为.节点溢流速率最快为./节点发生溢流时子汇水区内部无法及时排水形成积水最终在地表形成内涝以节点、和链接 个节点的 段排水管道为例可直观地观察不同管道在 内的管道水流情况 为中间节点此处以 为重点分析节点 当降雨时长为 、和 时分别截取节点和管道的水位剖面图如图 所示其中虚线为地表线横坐标为距离长度纵坐标为标高图 不同时间水位剖面线图由图 可知在降雨时间为 时排水管道出现的水流仍处于管道的设计承载范围内水位线并未超出管网顶部 在降雨时间为 时 节点水位线已经超过地表线显示超载并发生溢流现象 当溢流节点流量超过一定界限地面产生积水严重情况下可能造成内涝现象在降雨时间为 时 节点仍然处于溢流状态依据城镇内涝防治技术规范中关于城市规划设计重现阶段的地面积水设计标准(如表 所示)进行城市规划内涝级别界定研究模拟子汇水区降雨情况计算所得最大积水容量与子汇水区面积之比测算输出流节点最大积水深度()最终得出溢流节点积水深度表 内涝划分等级城市内涝等级评价标准最大积水深度/积水时间/积水面积/积水 .内涝.严重内涝.根据溢流节点积水情况可知:降雨重现期设定为 年时研究区域内积水深度小于 的积水区域共 个城市内涝等级属于积水积水深度在 之间的积水区域共 个城市内涝等级属于内涝积水深度大于 的积水区域共 个城市内涝等级属于严重内涝最大积水深度为.积水内涝情况和溢流节点分布图如图 所示图 研究区域溢流节点及内涝情况分布图 城市内涝风险评估 决策方法是一种折衷排序方法其核心内容是在确定正、负理想方案的基础上通过计第 卷 第 期刘星星等:基于 的武汉市片区内涝风险评估算最大群体效益值、最小个体遗憾值和利益比率值比较各备选方案与理想方案之间的距离最终对方案优劣进行排序已在灾害防控决策领域有所拓展 以节点为评价对象运用 打分法对其进行评估 通过构造决策矩阵、标准化决策矩阵、确定正负理想方案、计算指标权重等方法计算各备选方案的利益比率值并进行方案优劣排序 ()()式中:为各待选方案 的利益比率值为最大群体效益值为最小个体遗憾值 为决策系数 值越大越偏向于群体效用反之则越偏向于个体遗憾参数的取值对评估结果有一定影响评价准则:()()其中 为 排序中的最优方案决策指标值为 排序中的次优方案决策指标值 为方案的数量 评价准则:为 或者 的排名靠前的方案 按照 的升序进行排序并将方案标记为 若能够同时满足评价准则 和评价准则 则 为最优方案若只能满足评价准则 则、均为折中优选方案若只满足评价准则 则 均为折中优选方案其中 为满足()()的最大值根据地理信息分析结果选取 个易发生内涝的节点进行打分评估分别为、基于对城市内涝灾害的理解参考杨青等的研究划分生态、社会、经济和基础设施 大维度选取坡度、高程、河网密度、透水程度、区域面积、区域规划、人口密度、消费水平、地标建筑、道路密度、管网分布、防洪排涝设施 个指标构建指标体系(如表 所示)并对其进行打分表 武汉市某区域内涝发生概率评估指标及其权重维度指标名称含义指标类型权重生态坡度节点所在汇水区域平均坡度定量.高程节点平均海拔高度定量.河网密度区域内径流数定性.透水程度降水量与土壤吸收水量比值定性.社会区域面积节点所在汇水区域面积定量.区域规划节点所在区域用地规划水平定性.人口密度节点常住人口数与节点面积比值定性.经济消费水平节点常住人口人均消费水平定性.地标建筑重要地标性建筑物个数定性.工程道路密度交通主干道交叉路口个数定性.管网分布地下排水管网密度定性.防洪排涝设施防洪设施建设数目及完成度定性.运用熵权法得到指标权向量 .进而计算得出各节点的最大群体效益值 .最小个体遗憾值 .基于此再计算利益比率 在 分别取.、.和.时将、从小到达进行排序结果如表 所示表 排序结果节点值排序值排序(.)值排序(.)值排序(.)值排序.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月 按照评价准则分析当 值为.时最优的方案 为节点 而次优方案 为节点 根据评价准则 可知:()().当 .时方案排序结果为 当 .时方案排序结果为 不难发现决策系数 较大时排在第一位的最优节点都为 因此节点 发生内涝时其对社会和经济的影响较小是较优的节点 同时该节点稳健性高结果不受参数 变化的影响发生内涝时附近地区不会产生较大的突发性灾害影响 而 和 所在地段较为繁华人口密度较高且地标性建筑较多发生内涝时对社会造成的损失较大风险较高 因此政府应加强该地区的风险管控加大应急处置投入防范化解风险武汉作为超大城市道路交通线路密集人口密度大区域平均海拔落差大且该区域用地规划较多为居住用地、教育科研用地和工业用地 其中易发生严重内涝的两个节点内分别有古建筑楚望台和中国人民解放区中部战区总医院内涝发生时会对节点内历史遗迹保护和人员的生产生活产生较大影响为此展开针对性的点对点防控措施组织有关部门就管道疏通、人员疏散、基础设施建设等开展事先联合排查与改进精准科学地开展防控工作可以起到事半功倍的效果 结论()融合 方法对排水管网进行精细化、全面化建模研究区域内排水管网的受灾情况可以实现在城市排水管网基础上建立城市内涝灾害预警模型并在武汉片区进行案例分析和应用探索()运用情景模拟和 方法计算得出溢流节点的积水深度、积水历时等可为城区的防洪排涝提供技术支持 灾害预警防控的内在需求是快速、精准、有效在空间信息融合和情景模拟方法的框架下实现基于 模型的城市典型洪水模拟能够快速有效反映地下管网与道路坡面水流情况可用于校核管网设计标准提出优化方案 未来需要考虑更多不同研究角度的影响因素和评价指标来对洪涝灾害下城市排水管网风险管理路径进行综合评价参考文献:史培军.三论灾害研究的理论与实践.自然灾害学报():.谢五三吴蓉田红等.东津河流域暴雨洪涝灾害风险区划.气象():.冉小青李元松卓浩等.基于 模型的海绵城市道路雨洪控制方案研究.中国农村水利水电():.张士官吕谋焦春蛟等.基于 模型的雨水管网改造方案优化研究.水电能源科学():.刘春春刘万青张悦等.基于 模型的西安市清河流域暴雨洪峰流量模拟.干旱区研究():.王嘉仪赵连军张华等.基于 模型的城市排水管道优化研究.中国农村水利水电():.朱呈浩夏军强陈倩等.基于 模型的城市洪涝过程模拟及风险评估.灾害学():.():.周铭毅尚志海蔡灼芬等.基于 方法的广东省城市洪涝灾害韧性评估.灾害学():.:.():.():.胡孙琪徐晓玲胡煜文等.基于 模糊综合法的城市应急管理能力评价研究.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.张翠英张英.基于洪水灾害的城市应急管理研究.科技通报():.丁雪枫钟俊慧.基于改进 方法的地震应第 卷 第 期刘星星等:基于 的武汉市片区内涝风险评估急物资运输决策问题研究.运筹与管理():.杨青曹兰娟蔡晨阳等.长三角城市群城市韧性时空格局及其影响因素.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.():.:.:.(上接第 页).:.夏成文杨司玥鲍玉昆等.基于 模型选择的 电力负荷预测模型研究.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.李达王栋阮倩昀等.电力供应链场景下智能合约个性化升级方法.信息技术与网络安全():.乐艺.一种基于进化博弈理论的虚拟机部署算法.计算机应用与软件():.:.:.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月